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문제 정의
- 이 연구는 기존에 발표된 연구 자료를 재해석하는 일환으로 많은 연대 자료와 조밀한 대자율 자료가 포함되어 있는 하구역 간석지 퇴적층의 다수의 주상시료 자료(신영호, 2011a, 2011b; Shin, 2011)를 통합하고, 통합된 시계열 대자율 자료에 내재되어 있는 환경변화 요인을 도식적인 방법과 웨이블릿 변환을 통한 주기성의 파악을 통해 설명하고자 한다. 이 연구의 결과는 주상시료 자료의 통합 방법의 검토라는 측면에서 그리고 고환경 자료를 해석함에 있어 보다 정량적인 접근 방법으로서 웨이블릿 변환을 통해 주기성을 검토하는 방법을 시도한다는 측면에서 의의가 있다.
가설 설정
- 통합을 위한 가정은 ‘각 주상시료의 퇴적구간별 퇴적률은 일정하게 유지되었다’와 ‘동일한 시기로 판명된 각기 다른 주상시료의 자료들 간의 대자율의 값의 차이는 대푯값을 생성함으로써 완화될 수 있다’이다.
- 통합의 원칙은 ‘통합과정 중에 발생할 수 있는 오류를 최소화’하는 것이며, 통합을 위한 가정은 ‘각 주상시료의 퇴적구간별 퇴적률은 일정하게 유지되었다’와 ‘동일한 시기로 판명된 각기 다른 주상시료의 자료들 간의 대자율의 값의 차이는 대푯값을 생성함으로써 완화될 수 있다’이다.
제안 방법
- 마지막으로 <그림 4>의 각 주상시료의 자료를 중첩하여 통합 대자율 추이 곡선(그림 5)을 작성하였다. 그리고 곡선의 가독성과 통합과정에서의 가정에 따른 오류를 줄이기 위해 이동평균곡선을 도시하였다. <그림 5>에서 50년 이동평균을 사용한 것은 대자율 자료의 간격이 넓게 나타나는 약 2000년 전 이전의 자료를 표시하기 위함이었다.
- 다음으로 각 퇴적구간별 퇴적률을 활용하여 4cm의 등간격으로 분석되어 있던 각 주상시료의 대자율 자료를 시계열적으로 보간하였다(그림 4). 시계열적으로 보간된 대자율 자료를 살펴보면 A3-C3, B3-C1, A1-B1-B2상부-C2-D2-D3 등의 사이에서는 각각 대자율의 값의 분포가 유사한 패턴을 보이는 반면에 이들 그룹 간에는 유사한 패턴이라고 설명하기는 힘든 것을 확인할 수 있었다4).
- 다음으로 기온변화와 함께 대표적인 환경변화를 지시하는 강수량 변화를 대자율 변화와 대비시켜 보았다(그림 7). 대비에 활용된 자료는 남해의 퇴적물로부터 얻은 유공충의 산소동위원소 함량비를 이용한 강수량 대리 자료(Kong et al.
- 이 연구에서는 모산만 하구역 간석지 퇴적층의 12개의 주상시료로부터 얻어진 22개의 OSL 연대 자료와 1,039개의 대자율 자료를 활용해 통합 시계열 대자율 자료를 구축하였다. 또한 통합된 대자율 자료를 동아시아 지역을 중심으로 홀로세 후반의 기온과 강수량의 변화를 대비한 결과 기온변화와는 뚜렷한 관련성을 찾기 힘들었지만, 강수량 변화와는 유의미한 관련성이 있었다.
- 앞 절에서 대자율의 변화와 강수량의 변화가 관련이 있다는 점을 확인하였지만, 비교된 자료의 공간적 이격과 복원방법의 차이 등으로 인하여 직접적으로 비교하기에는 더 많은 설명이 필요함을 확인하였다. 이러한 문제를 보완하고 대자율변화와 강수량의 변화의 연계성을 보다 정량적으로 살펴보기 위하여 웨이블릿 변환을 통해 주기성을 검토하였다. 우선 <그림 5>의 통합된 자료는 일정한 간격이 아니었고, 각각의 주상시료에서 동일한 시기로 판단되는 지점들 간에 값의 편차도 나타났기 때문에, 웨이블릿 변환에 앞서 부득이하게 이동평균을 이용하여 자료의 해상도를 낮출 수밖에 없었다.
- 이를 위하여 각 주상시료에서 확인되는 부정합의 존재의 유무, OSL 연대의 깊이 등을 고려하여 오류가 발생할 수 있는 부분의 주상시료 자료를 제외하였다. 이를 통해 최종적으로 홀로세 중기 이후의 22개의 연대와 1039개의 대자율 값이 포함되도록 취사선택하였다(표 1, 표 2). 통합을 위한 가정은 ‘각 주상시료의 퇴적구간별 퇴적률은 일정하게 유지되었다’와 ‘동일한 시기로 판명된 각기 다른 주상시료의 자료들 간의 대자율의 값의 차이는 대푯값을 생성함으로써 완화될 수 있다’이다.
- 이후 후자의 가정에 따라 각 주상시료의 대자율 자료를 동일한 시간축을 가지는 통합 시계열 자료로 변환하였다. 이후 시계열로 통합된 자료에서 나타나는 특성을 기존에 한반도 주변에서 보고된 환경변화 자료를 중심으로 비교‧검토하였으며, 웨이블릿 변환을 통하여 통합된 시계열 자료에 내재되어 있는 주기성을 다양한 이동평균값을 생성하여 검토하였다. 웨이블릿 변환은 Torrence and Compo(1998)의 방법에 따라, Interactive Wavelet Plot(http://ion.
- 이후 후자의 가정에 따라 각 주상시료의 대자율 자료를 동일한 시간축을 가지는 통합 시계열 자료로 변환하였다.
- 통합을 위한 가정은 ‘각 주상시료의 퇴적구간별 퇴적률은 일정하게 유지되었다’와 ‘동일한 시기로 판명된 각기 다른 주상시료의 자료들 간의 대자율의 값의 차이는 대푯값을 생성함으로써 완화될 수 있다’이다. 전자의 가정에 따라 22개의 연대자료를 활용하여 구간별 퇴적률을 산정하였고, 퇴적률을 활용하여 1039개로 이루어진 대자율 자료를 시계열적으로 보간하였다. 이후 후자의 가정에 따라 각 주상시료의 대자율 자료를 동일한 시간축을 가지는 통합 시계열 자료로 변환하였다.
- 9ka의 범위를 보인 D2하부와 D3하부로 1cm/yr를 초과하는 값을 보였다. 한편 이러한 퇴적률 산정의 가정을 보완하기 위해 이동평균을 통해 자료의 추이를 살폈다.
- 통합된 대자율 자료에 내포되어 있는 고환경적 의미들 도출하기 위해서 통합된 대자율 추이곡선 (그림 5) 중에서 비교적 빈도가 높은 2000년 전까지의 자료를 활용하여 기존에 발표된 자료들과 대비시켰다(그림 6, 그림 7). 한편 자료의 시기적 비교를 용이하게 하기 위하여 OSL 연대를 기원후 연대로 변환시켰다.
대상 데이터
- 다음으로 기온변화와 함께 대표적인 환경변화를 지시하는 강수량 변화를 대자율 변화와 대비시켜 보았다(그림 7). 대비에 활용된 자료는 남해의 퇴적물로부터 얻은 유공충의 산소동위원소 함량비를 이용한 강수량 대리 자료(Kong et al., 2013)와 중국 Heshang동굴의 석순의 산소동위원소 함량비를 이용한 강수량 대리 자료(Hu et al., 2008)였다(그림 7, 중앙). 먼저 대자율 자료와 강수량 자료와 상대적으로 높은 값들과 낮은 값들의 분포를 비교해 보면 AD 150년경, AD 300년경, AD 500년경, AD 800년경, AD 1000년경, AD 1600년경 등에서 유사하게 높은 값들이 나타났으며, AD 550년경, AD 950년경 등에서 유사하게 낮은 값들이 비교적 명확하게 관찰되었다.
- 부정합의 여부와 하부에 참조할 OSL 연대가 존재하는가에 대한 기준을 바탕으로 상부의 자료만 취사선택한 결과 상부에서 하부로 가며 연속적인 퇴적상을 보이는 깊이까지의 총 22개 OSL 연대 자료(표 1)가 포함되는 22개의 퇴적구간이 선택되었다(표 2). <그림 3>은 주상시료 중 A3, B3, C3에서 선택된 구간을 예로 보인 것이다.
- 취사선택된 주상시료 내에서 OSL 연대가 오랜 것은 A3 주상시료의 MS3(4.7±0.1ka)이었으며, 따라서 분석에 사용된 자료는 홀로세 중기부터 현재까지의 퇴적기록으로 볼 수 있다.
- 통합 대자율 자료의 구축을 위해, 충남 모산만 하구역(그림 1) 간석지 퇴적층의 주상시료를 대상으로 연구가 이루어진 신영호(2011a), 신영호(2011b), Shin(2011)의 연대 자료와 대자율 자료를 활용하였다2). 이 연구들의 자료를 활용한 이유는 비교적 많은 절대 연대 자료와 조밀한 간격의 대자율 자료가 구비되어 있어 자료의 통합이라는 측면에서 유용할 것으로 판단하였기 때문이다.
- 통합된 대자율 자료에 내포되어 있는 고환경적 의미들 도출하기 위해서 통합된 대자율 추이곡선 (그림 5) 중에서 비교적 빈도가 높은 2000년 전까지의 자료를 활용하여 기존에 발표된 자료들과 대비시켰다(그림 6, 그림 7). 한편 자료의 시기적 비교를 용이하게 하기 위하여 OSL 연대를 기원후 연대로 변환시켰다.
이론/모형
- 이후 시계열로 통합된 자료에서 나타나는 특성을 기존에 한반도 주변에서 보고된 환경변화 자료를 중심으로 비교‧검토하였으며, 웨이블릿 변환을 통하여 통합된 시계열 자료에 내재되어 있는 주기성을 다양한 이동평균값을 생성하여 검토하였다. 웨이블릿 변환은 Torrence and Compo(1998)의 방법에 따라, Interactive Wavelet Plot(http://ion.researchsystems.com)을 활용하여 수행하였다.
성능/효과
- 10년 이동평균 대자율 자료에서 관찰되는 약 250년의 주기는 120년의 주기에 비해 신뢰수준이 높게 나타났으며, power의 값은 작지만 비교적 넓은 시기(약 1400년 전(AD 600년경)~약 700년 전(AD 1300년경))에 걸쳐 나타났다. 20년 이동평균 대자율 자료의 약 250년의 주기성을 보면 약 2000년 전(AD 0년경)에서 약 800년 전(AD 1200년경)까지 비교적 높은 power값을 보이며 연속적인 경향을 보였다. 이러한 내용을 종합해 본다면 두 이동평균 대자율 자료에서 관찰되는 주기성은 250년이 보다 유효한 것으로 보이며, 그 시기는 AD 0년에서 AD 700년의 범위 내에서 강했다고 볼 수 있다.
- 다음으로 ‘각 주상시료의 퇴적구간별 퇴적률은 일정하게 유지되었다’는 가정 하에 취사선택된 OSL 연대 자료를 바탕으로 각 주상시료의 퇴적구간별 퇴적률을 산정하였다(표 3). 간석지 퇴적물의 경우 하나의 주상시료 내에서도 시기에 따라 퇴적률이 달라질 수 있는데, 총 22구간의 구간별 퇴적률은 장기적인 시간범위를 보이는 구간에서는 대체로 1cm/yr이내의 값을 보였지만, 퇴적시기와 주상시료의 위치에 따라 최대값이 2.60cm/yr에 이를 정도로 높은 경우도 있었다. 매우 높은 퇴적률을 보인 구간은 퇴적이 일시적으로 발생했을 가능성이 있어 대자율 자료를 시계열적으로 보간하는데 오류를 만들 가능성이 있다.
- 먼저 대자율 자료와 강수량 자료와 상대적으로 높은 값들과 낮은 값들의 분포를 비교해 보면 AD 150년경, AD 300년경, AD 500년경, AD 800년경, AD 1000년경, AD 1600년경 등에서 유사하게 높은 값들이 나타났으며, AD 550년경, AD 950년경 등에서 유사하게 낮은 값들이 비교적 명확하게 관찰되었다. 그리고 전체적인 값의 증감 경향이나 값의 분포 범위를 볼 때, 기온 변화 자료에 비해서는 보다 유사한 경향을 보인다고 판단하였다. 그렇지만 AD 1600년경 이후의 변화 경향은 서로 유사하다고 판단할 수는 없었다.
- , 2002)를 대비하였다(그림 6). 대자율 자료에서 상대적으로 높은 값과 낮은 값을 보이는 시기를 중심으로 검토해 보면, AD 150년경, AD 500년경, AD 1050년경 등에서 상대적으로 높은 값이 동시에 관찰되었으며, AD 550년경, AD 1500년경 등에서 상대적으로 낮은 값이 유사하게 관찰되었다. 그렇지만 전체적인 값의 증감 경향이나 값의 분포 범위를 특성을 볼 때, 대자율 자료와 기온변화 자료들과의 유사성을 찾는 것은 쉽지 않았다.
- 이 시기의 대자율 값들은 편차가 비교적 큰 경향은 있지만, 50년 이동평균을 통해 볼 때, 약 400년 전과 약 700년 전, 약 1000년 전에서 상대적으로 높은 대자율 값을 보였다. 두 번째 약 1500년 전에서부터 약 2000년 전 사이에서는 B2 주상시료의 값이 다른 주상시료들과 값의 크기가 다른 경향을 보여 편차가 매우 큰 변화를 보였다. 50년 이동평균을 통해 볼 때는 약 1500년 전과 약 1850년 전에서 상대적으로 높은 대자율 값을 보인다.
- 따라서 통합 대자율 자료가 강수량과 연관성이 있다는 점을 웨이블릿 변환을 통한 주기성의 검토를 통하여 추가적으로 확인할 수 있었다. 또한 상호 메커니즘이 광역적으로 동아시아 여름 몬순이나 ENSO의 변동과 연계되어 있음을 확인할 수 있었다.
- 이 연구에서는 모산만 하구역 간석지 퇴적층의 12개의 주상시료로부터 얻어진 22개의 OSL 연대 자료와 1,039개의 대자율 자료를 활용해 통합 시계열 대자율 자료를 구축하였다. 또한 통합된 대자율 자료를 동아시아 지역을 중심으로 홀로세 후반의 기온과 강수량의 변화를 대비한 결과 기온변화와는 뚜렷한 관련성을 찾기 힘들었지만, 강수량 변화와는 유의미한 관련성이 있었다. 이러한 관련성의 검토를 위해 웨이블릿 변환을 통한 주기성의 검토 결과 250년의 주기성을 추가적으로 확인할 수 있었다.
- 50년 이동평균을 통해 볼 때는 약 1500년 전과 약 1850년 전에서 상대적으로 높은 대자율 값을 보인다. 마지막으로 약 2000년 전에서 4700년 전 사이에는 A3 주상시료와 C1 주상시료의 자료만 포함되어 있기 때문에 비교적 성긴 대자율 자료 분포를 보였다. 약 4150년 전에서 급격한 감소를 보인 후 전반적으로 약 2000년 전에 가까울수록 대자율이 값이 줄어드는 경향이 나타났다.
- , 2008)였다(그림 7, 중앙). 먼저 대자율 자료와 강수량 자료와 상대적으로 높은 값들과 낮은 값들의 분포를 비교해 보면 AD 150년경, AD 300년경, AD 500년경, AD 800년경, AD 1000년경, AD 1600년경 등에서 유사하게 높은 값들이 나타났으며, AD 550년경, AD 950년경 등에서 유사하게 낮은 값들이 비교적 명확하게 관찰되었다. 그리고 전체적인 값의 증감 경향이나 값의 분포 범위를 볼 때, 기온 변화 자료에 비해서는 보다 유사한 경향을 보인다고 판단하였다.
- 마지막으로 약 2000년 전에서 4700년 전 사이에는 A3 주상시료와 C1 주상시료의 자료만 포함되어 있기 때문에 비교적 성긴 대자율 자료 분포를 보였다. 약 4150년 전에서 급격한 감소를 보인 후 전반적으로 약 2000년 전에 가까울수록 대자율이 값이 줄어드는 경향이 나타났다.
- 유의수준 10%로 검토했을 때, 10년 이동평균 대자율 자료에서는 약 120년과 약 250년에서 주기성이 나타났으며(그림 8), 20년 이동평균 대자율 자료에선 약 250년에서 주기성이 나타났다(그림 9). 한편 50년 이동평균 대자율 자료(그림 10)와 100년 이동평균 대자율 자료(그림 11)에서는 각각 약 1000년의 주기성과 약 2500년의 주기성이 확인되기는 하였지만, 20년 이동평균 자료에서 확인되는 약 1000년 주기성과 함께 자료의 전체 시간 범위에 비해 지나치게 큰 주기성으로서 의미를 부여할 수는 없다고 판단하였다.
- 이 연구를 통해 고환경 복원 연구 성과가 부족한 우리나라에서 다수의 주상시료의 통합을 시도하여 유의미한 결론을 도출해 낼 수 있었다는 점을 보여주었으며, 웨이블릿 변환을 이용한 주기성 검토가 고환경 복원 연구에서 적용가능함을 보일 수 있었다. 이 연구를 통해 구축된 대자율 통합자료는 국내의 해안환경의 장기적인 변화를 모의할 수 있는 기초자료가 될 수 있으며, 더 나아가 동아시아 지역의 기후변화 메커니즘을 설명할 수 있는 자료로서 가치가 있다고 판단된다.
- 이 연구는 기존에 발표된 연구 자료를 재해석하는 일환으로 많은 연대 자료와 조밀한 대자율 자료가 포함되어 있는 하구역 간석지 퇴적층의 다수의 주상시료 자료(신영호, 2011a, 2011b; Shin, 2011)를 통합하고, 통합된 시계열 대자율 자료에 내재되어 있는 환경변화 요인을 도식적인 방법과 웨이블릿 변환을 통한 주기성의 파악을 통해 설명하고자 한다. 이 연구의 결과는 주상시료 자료의 통합 방법의 검토라는 측면에서 그리고 고환경 자료를 해석함에 있어 보다 정량적인 접근 방법으로서 웨이블릿 변환을 통해 주기성을 검토하는 방법을 시도한다는 측면에서 의의가 있다. 더 나아가 환경 변화에 대한 통합된 기초 자료와 해석을 제시하여 중장기적인 해안환경 변화를 모의하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
- 20년 이동평균 대자율 자료의 약 250년의 주기성을 보면 약 2000년 전(AD 0년경)에서 약 800년 전(AD 1200년경)까지 비교적 높은 power값을 보이며 연속적인 경향을 보였다. 이러한 내용을 종합해 본다면 두 이동평균 대자율 자료에서 관찰되는 주기성은 250년이 보다 유효한 것으로 보이며, 그 시기는 AD 0년에서 AD 700년의 범위 내에서 강했다고 볼 수 있다. 이러한 점은 앞의 강수량 자료의 비교에서 AD 700년 이내의 자료에서 강수량 자료와 대자율 자료가 일치하지 않는 경향이 나타난 것과 연관이 있을 수 있다.
- , 2001)(그림 7, 상)과 비교해 보면 AD 900년경부터 AD 1600년경까지는 시기적으로 다소 불일치하는 경향이 있지만, 자료의 증감 패턴을 볼 때 비교적 유사한 경향이 있다고 판단할 수 있었다. 종합적해 볼 때, AD 1600년경 이후의 자료에서는 강수량 변화와 대자율 변화의 유사성이 찾긴 힘들지만, 이전의 시기에는 유사한 경향을 보이며 증감된다고 보이며, 이는 기온 변화에 비해 더욱 뚜렷하게 나타나고 있다. 그렇지만 연구자의 주관적인 생각이 완전히 배제될 수는 없다고 판단된다.
- 그렇지만 자료의 해석에 있어 퇴적률이 지나치게 나타난 지점의 시기가 언제인지를 확인할 필요가 있다. 퇴적률이 높게 나타난 시기는 대체로 0.1ka 이내의 비교적 최근 OSL 연대 자료가 포함된 경우(A2, B2상부, D1상부, D3상부)와 0.3-0.4ka와 0.8-0.9ka의 범위를 보인 D2하부와 D3하부로 1cm/yr를 초과하는 값을 보였다. 한편 이러한 퇴적률 산정의 가정을 보완하기 위해 이동평균을 통해 자료의 추이를 살폈다.
후속연구
- 이 연구의 결과는 주상시료 자료의 통합 방법의 검토라는 측면에서 그리고 고환경 자료를 해석함에 있어 보다 정량적인 접근 방법으로서 웨이블릿 변환을 통해 주기성을 검토하는 방법을 시도한다는 측면에서 의의가 있다. 더 나아가 환경 변화에 대한 통합된 기초 자료와 해석을 제시하여 중장기적인 해안환경 변화를 모의하는데 도움이 될 것으로 판단된다.
- 그렇지만 하나의 대리 자료를 통해 환경변화를 설명하는 것은 무리가 있음을 유념할 필요는 있다. 따라서 퇴적물의 대자율 변화를 정량적으로 강수량의 변화를 연계하기 위해서는 다양한 고환경 복원기법을 상호 검증하는 형태로 추가 연구가 이루어져야 할 것이다.
- 주기성을 분석하는 방법 중 하나로서 웨이블릿 변환 방법은 시계열에 내재되어 있는 주기 성분들의 파악을 위해 웨이블릿이라는 기저 함수를 이용하여 대상 자료의 시계열을 각기 다른 주파수 성분으로 분리하는 방법이다(진영훈 등, 2005). 또한 웨이블릿 변환 방법을 통하여 여러 주상시료로부터 통합된 대자율 변화를 검토한다면 추가적으로 통합과정에서 포함될 수 있는 자료 내의 잡음과 변이의 영향을 줄일 수 있을 것이다.
- 다음으로 생각해 볼 점은 여러 주상시료의 대자율 자료를 통합할지라도 그 자료가 지닌 속성을 어떻게 설명한 것인가 하는 문제이다. 앞에서 언급한 바와 같이 대자율의 분석은 매우 쉬운 편이지만 퇴적물 입도특성의 차이, 모암 구성광물의 차이, 다양한 화학작용과 미생물의 작용 등 다양한 원인에 의하여 영향을 받을 수 있기 때문에(Evans and Heller, 2003), 구축된 대자율 자료가 해당 환경 내에서 어떠한 변화를 지시하는 것인지를 추가적으로 규명해야 할 필요가 있다. 이를 위해서 전통적으로 도식화를 통해 다른 대리 자료와의 비교, 인접한 지역에서 발표된 자료와의 대비 등이 널리 행해져 왔다.
- 이 연구를 통해 고환경 복원 연구 성과가 부족한 우리나라에서 다수의 주상시료의 통합을 시도하여 유의미한 결론을 도출해 낼 수 있었다는 점을 보여주었으며, 웨이블릿 변환을 이용한 주기성 검토가 고환경 복원 연구에서 적용가능함을 보일 수 있었다. 이 연구를 통해 구축된 대자율 통합자료는 국내의 해안환경의 장기적인 변화를 모의할 수 있는 기초자료가 될 수 있으며, 더 나아가 동아시아 지역의 기후변화 메커니즘을 설명할 수 있는 자료로서 가치가 있다고 판단된다. 그렇지만 하나의 대리 자료를 통해 환경변화를 설명하는 것은 무리가 있음을 유념할 필요는 있다.
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