1. 서 론

1.1 북극해 해저환경 변화

북극해는 마지막 빙하기 이후 전 지구적인 기후 변화와 함께 급격한 해수면 상승을 겪었다. 이 과정은 광범위한 해침(marine transgression)을 유발하였으며, 그 결과 북극해의 면적은 현재와 같은 규모로 확장되었다(Jakobsson et al., 2014). 특히, 빙하기 당시에는 북극해의 태평양 쪽 출입구인 베링해 지역이 육지로 막혀 있어 해수가 태평양과 교환되지 못했으며, 이는 현재와는 매우 다른 해양환경을 형성하는 요인이 되었다(Hopkins, 1982; Bauch et al., 2001).

과거 빙하기 동안 북극해 연안 및 대륙붕 지역은 해수면이 낮아 육지로 노출되었고, 극한의 기후 조건 하에서 두꺼운 육상 영구동토층(terrestrial permafrost)이 광범위하게 발달하였다(Romanovskii et al., 2004). 그러나 홀로세(Holocene epoch)에 접어들며 해수면이 상승함에 따라 이 지역은 바닷물에 의해 침수되었고, 기존의 영구동토층은 점차 해저 영구동토층(submarine permafrost)으로 전환되었다(Overduin et al., 2007; Shakhova et al., 2010a). 해저 영구동토층은 저온 환경에서 유지되고 있지만, 상대적으로 따뜻한 해수의 지속적인 침투와 함께 점진적인 붕괴(degradation)가 진행되고 있으며, 특히 시베리아 북극 대륙붕(Siberian Arctic Shelf)에서는 이러한 변화가 활발히 관측되고 있다(Shakhova et al., 2017).

이러한 동토층의 붕괴는 해저 지반의 구조적 안정성을 약화시킬 뿐 아니라, 동토층에 갇혀있던 메탄가스의 방출을 촉진하는 중요한 원인으로 작용하고 있다(Portnov et al., 2016). 북극해 대륙붕 동토층 하부에는 고압·저온 환경에서 형성된 가스하이드레이트(gas hydrate)가 존재한다(Kvenvolden, 1993; Ruppel and Kessler, 2017). 최근 지구온난화에 따른 해수 온도 상승은 이러한 가스하이드레이트의 안정성을 점차 약화시키고 있으며, 해저에서 해리가 일어날 경우 대량의 메탄가스가 방출될 수 있다(Biastoch et al., 2011). 실제로, 동시베리아 대륙붕(East Siberian Arctic Shelf, ESAS)과 같은 얕은 해저 지역에서는 해수 중 메탄 방출이 다중빔 음향탐사 및 천부 탄성파탐사를 통해 포착되고 있으며, 이 메탄은 대기 중으로 직접 방출되는 것으로 보고되었다(Shakhova et al., 2010b; Thornton et al., 2020).

북극해에서는 해저 영구동토층의 붕괴와 가스하이드레이트의 해리 현상 이 외에도, 지각 운동에 의한 단층 파열 등 다양한 원인에 의해 메탄가스가 방출되고 있다(Paull et al., 2007; Serov et al., 2017). 메탄은 이산화탄소보다 약 25배 이상의 강한 온실효과(global warming potential, GWP)를 가지므로, 대기 중으로 대량 방출될 경우 지구온난화를 가속화시킬 수 있다(IPCC, 2021). 특히 수심이 얕은 북극 대륙붕 지역에서는 대기로 방출될 가능성이 높아, 지구온난화에 직접적인 영향을 미치는 요소로 작용하고 있다(Sapart et al., 2017).

결과적으로, 빙하기 이후의 해수면 상승과 최근 진행되고 있는 지구온난화는 북극해 해저환경에 중대한 지질학적 변화를 초래하고 있으며, 해저 영구동토층의 붕괴, 가스하이드레이트의 불안정화, 메탄 방출 증가 등 복합적인 현상을 유발하고 있다. 이러한 변화는 단순한 지질학적 관심사에 그치지 않고, 기후 시스템, 탄소 순환(global carbon cycle), 해양 생태계, 해저 지질 안정성과 밀접하게 연관되어 있다. 이에 대한 종합적인 이해와 장기적인 관측 연구가 시급히 요구된다(Ruppel and Kessler, 2017; IPCC, 2021).

1.2 쇄빙선 아라온호를 이용한 북극해 해저지질 탐사

한국해양과학기술원 부설 극지연구소(KOPRI)는 남극기지 보급과 극지 해양과학 연구를 수행하기 위한 목적으로, 2009년 한국 최초의 쇄빙연구선인 아라온호를 건조하였다. 아라온호는 극지 환경에서 안정적인 항해와 연구 활동이 가능하도록 설계되었으며, 약 1 m 두께의 얼음을 지속적으로 쇄빙할 수 있는 Polar Class 5 (PC5) 등급의 쇄빙능력을 갖추고 있다. 이를 통해 연중 극지 해역에서의 해양탐사 수행이 가능해졌다.

2010년부터 아라온호는 남극과 북극을 오가며 시범 항해와 탐사를 수행하였고, 2012년부터는 본격적으로 북극해에서의 해양지질 및 지구물리 탐사를 하고 있다. 아라온호에는 고해상도 다중빔 음향측심기(multibeam echosounder, MBES), 다중채널 탄성파 탐사 장비, 천부지층탐사기(Sub-bottom profiler), 중력 및 자기 탐사 장비, 퇴적물 코어링 시스템, 해양 환경 센서 등 다양한 최신 해양지질 장비가 탑재되어 있으며, 이를 바탕으로 북극해 대륙붕 및 심해에서의 해저지질 및 해양지구물리 조사가 수행되었다.

아라온호를 활용한 주요 탐사 항목은 다음과 같다. 다중빔 음향측심기와 다양한 주파수를 갖는 음향측심기를 이용하여 고해상도 해저 지형을 매핑하여 해저 퇴적구조 및 메탄 플룸, 해저협곡 등 주요 지형을 분석하였다. 고해상도 탄성파 탐사 및 다중채널 탄성파 탐사를 통해 해저 퇴적층의 층서 구조 및 가스하이드레이트 분포, 단층 활동 등을 조사하였다. 또한, 퇴적물 코어링 및 퇴적물의 지화학 분석을 통해 메탄 방출, 퇴적환경 변화, 과거 기후 변화의 흔적을 밝혀냈다. 해양 환경 센서를 활용한 수온, 염분, 용존 산소 및 메탄 농도 측정 등도 병행하여 해양환경 변화에 대한 물리·화학적 데이터를 확보하였다.

이러한 장비와 조사기법을 바탕으로 수행된 아라온호의 북극해 탐사는 2012년 이후 매년 지속적으로 운영되었으며, 해저 영구동토층의 붕괴, 메탄 방출 현상, 해저 퇴적지형 변화, 퇴적물 내 기후 기록 분석 등 다양한 연구 성과를 축적하였다. 특히, 동시베리아해와 보퍼트해 대륙붕에서 관측된 메탄 방출구조들과 해저 가스하이드레이트의 불안정화는 지구온난화가 해저 환경에 미치는 영향을 이해하는 데 중요한 단서를 제공하고 있다.

본 논문에서는 지난 10여 년간 아라온호를 활용하여 북극해에서 수행한 해저지질 및 해양지구물리 탐사의 주요 결과를 소개하고, 이들을 바탕으로 북극해 해저환경 변화의 양상과 그 과학적 함의를 종합적으로 고찰하고자 한다.

2. 연구지역의 지질학적 배경

북극해는 판구조 운동과 빙하 작용이 복합적으로 작용한 결과로 형성되었다. Jakobsson et al.(2007)은 북극해의 1차 지형 구조가 단일한 심해 분지가 아니라, 아메라시아 분지(Amerasia Basin)와 유라시아 분지(Eurasia Basin), 그리고 이들을 구분하는 로모노소프 능선(Lomonosov Ridge), 알파–멘델레예프 능선(Alpha–Mendeleev Ridge), 가켈 해령(Gakkel Ridge) 등 다양한 대륙성 구조와 해양지각 요소로 구성된 복합 구조임을 제시하였다. 아메라시아 분지는 약 1억 4,500만 년 전 백악기 초기에 척치 미소대륙의 시계방향 회전을 수반한 해양지각 확장에 의해 형성된 반면, 유라시아 분지는 약 5,600만 년 전부터 가코넥 능선을 따라 매우 느린 해저 확장이 진행되며 발달하였다. 플라이스토세 동안의 반복적인 빙하기는 북극 대륙붕과 대륙사면에 다양한 빙하 기원 지형을 형성하며 현재의 해저 지형에 큰 영향을 끼쳤다.

아라온호를 이용하여 해저지질조사를 수행한 연구 지역은 동시베리아해(East Siberian Sea), 척치해(Chukchi Sea), 캐나다 보퍼트해(Canadian Beaufort Sea)이다(Fig. 1). 각각의 해역별 지질학적 특징을 정리하면 아래와 같다.

Fig. 1.

Map showing the East Siberian Sea, Chukchi Sea, and Canadian Beaufort Sea, which are the main study areas surveyed using the Icebreaker Araon. The surveys in the East Siberian Sea and Chukchi Sea are limited to international waters. The bold solid line represents the national border, while the dashed line indicates the Exclusive Economic Zone (EEZ).

척치해는 아메라시아 분지의 북서부에 위치한 구조적으로 복잡한 해역으로, 척치 고원(Chukchi Plateau)과 그 남부의 척치 라이즈(Chukchi Rise), 북부의 척치 캡(Chukchi Cap)으로 구성된다. 척치 고원은 평균 수심 약 300 m이며, 주변 해양 분지보다 약 3.4 km 이상 융기된 지형을 이룬다(Jakobsson et al., 2014). 이 고원은 노스윈드 분지(Northwind Basin) 및 노스윈드 능선(Northwind Ridge)과 정단층(normal fault)에 의해 구분되며, 대륙성 기원의 판상 구조와 심부까지 확장된 지각 뿌리(27 km 깊이)가 확인된다(Hegewald and Jokat, 2013). 이 지역은 척치 미소대륙의 회전에 의해 동시베리아 대륙사면에서 분리되어 아메라시아 분지로 이동한 구조체로 해석된다(Grantz et al., 2011).

동시베리아해는 동시베리아 대륙사면에 위치하며, 수심 100 m 이하의 광범위한 대륙붕과 완만한 경사(0.3–0.8°)의 외곽 대륙붕, 그리고 멘델레예프 능선 및 척치 심해평원과 연결된 대륙사면 테라스를 포함한다. 이 지역은 세계 최대 규모의 대륙붕 중 하나이며, 그 폭은 약 1,000 km에 이른다. 그러나 2D 탄성파 탐사 자료가 드물고 빙하 작용에 의한 해저 지형 변화가 많아 지질 구조에 대한 해석이 제한적이다(Drachev, 2011). 유기탄소가 풍부하게 저장된 해저 영구동토층과 가스하이드레이트 시스템은 현재 기후 변화와 관련된 연구에서도 중요한 대상이 된다.

캐나다 보퍼트해는 캐나다 분지의 남쪽 경계를 이루는 대륙붕 해역으로, 백악기 초기에 발생한 열개(rifting)와 이후의 대규모 퇴적에 의해 형성되었다. 주로 매켄지 강을 통한 육상 기원의 퇴적물 공급이 활발히 이루어졌으며, 후기 백악기부터 플라이스토세에 이르기까지 최대 12 km 두께의 퇴적층이 집적되었다. 에오세 이후에는 보퍼트 습곡대(Beaufort Foldbelt)의 형성과 올리고세 시기의 당김형 변형(pull-apart) 활동에 의해 심부 분지와 국지적 습곡 구조가 발달하였다. 이 지역은 북극 대륙사면에서 가장 잘 조사된 지역 중 하나로, 석유 및 가스 자원 연구가 활발하게 이루어지고 있다(Grantz et al., 2011).

3. 주요 연구결과

3.1 플라이스토세 빙하의 확장과 후퇴

플라이스토세 동안 북극해에서 발생한 빙하 확장은 지구 기후 변화 및 해수면 변동과 밀접한 관련이 있다. 특히 척치해 및 동시베리아 대륙붕에서는 해양 기반 빙상이 반복적으로 확장과 후퇴를 거듭해 온 것으로 보고되고 있다(Niessen et al., 2013; Jakobsson et al., 2014; Kim et al., 2021). 이러한 변화 과정은 빙하기와 간빙기가 교차하면서 다양한 기후적 요인과 결합하여 나타났으며, 빙하가 확장할 때 해저를 침식하고, 후퇴하는 과정에서 대규모 퇴적물이 해저에 축적되었다.

기존 연구에서는 북극해 중앙부, 유라시아 대륙붕, 그린란드 및 북아메리카 지역에서 빙상의 확장을 뒷받침하는 증거가 다수 확인된 반면, 동시베리아 및 척치해 해저에서의 빙하 확장에 대한 직접적인 증거는 제한적이었다. 그러나 최근 수행된 해양지구물리 탐사를 통해 해당 지역에서 과거 빙상의 확장과 후퇴 과정이 해저지형 변화와 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있었다(Dove et al., 2014).

북극해 해저에는 과거 빙하의 이동 경로와 범위를 재구성하는 데 중요한 단서를 제공하는 다양한 빙하성 지형이 존재하는 것으로 밝혀졌다. 특히 해저에는 빙하의 이동과 관련된 선형 구조(streamlined glacial lineations, SGL), 빙하 기반 퇴적물(diamicton), 트로프 마우스 팬(trough mouth fan), 후퇴성 모레인(recessional moraines) 등이 광범위하게 분포하고 있었다(Niessen et al., 2013). 2012년 독일의 AWI와 공동으로 수행한 다중빔 음향탐사 및 천부지층탐사 자료를 통해 이러한 지형을 보다 정밀하게 분석한 결과, 특히 동시베리아 대륙붕과 척치해 해저에서 빙하 확장을 입증하는 새로운 데이터가 확보되었다. 동시베리아 대륙붕에서는 해수면 약 900~1,200 m 깊이의 해저에서 빙하의 이동에 의해 형성된 선형구조가 발견되었으며, 이는 과거 빙상이 해저와 직접 접촉하며 형성된 것으로 해석된다(Fig. 2). 빙하의 확장은 트로프 마우스 팬과 해저 선형구조의 발달과 함께 진행되었으며, 이 과정에서 대량의 퇴적물이 해빙(melting) 과정에서 해저로 유입된 것으로 분석되었다. 또한, 다중빔 탐사를 통해 해저면에 형성된 퇴적 지형과 빙하의 이동 방향이 파악되었으며, 이는 북극해에서 해양 기반 빙상이 활발하게 작용했음을 뒷받침하는 증거로 평가된다(Niessen et al., 2013; Kim et al., 2021).

Fig. 2.

Evidence of grounded ice and glacial sedimentation on the Arlis Plateau in the East Siberian Sea. a, Bathymetric map with sets of different streamlined glacial lineations (SGL) overprinting each other. Note that SGL on the Arlis Plateau cease at a depth of 850 m in the north (interpreted as grounding line; GL) and continue to a depth of more than 950 m towards south-southwest. Top left inset: interpretation of flow direction of grounded ice sheets, their relative age (A–D, youngest to oldest) and GL of set A. b, Parasound image from top of Arlis Plateau (location marked in c) indicating a drape of hemipelagic sediments on streamlined subglacial diamicton. Arrows indicate streamlined subglacial grooves draped by overlying sediments. c, Data from seismic line 20080065 (v–x, location marked in a) with well-stratified hemipelagic sediments overlain by acoustically diffuse facies of glacial origin. Reproduced from Niessen et al.(2013).

Kim et al.(2021)은 아라온호를 이용하여 획득한 해저지형 자료와 천부지층 자료를 바탕으로 척치해와 동시베리아해에서의 빙하 확장과 후퇴 양상을 연구하였다. 이 연구에 따르면, 빙하의 후퇴는 기후 변화와 해수면 상승의 영향을 받아 진행되었으며, 척치해와 동시베리아 대륙붕에서는 계단식의 후퇴 패턴이 관찰되었다. 특히 척치해 서부 대륙붕에서는 후퇴성 모레인이 연속적으로 분포하고 있으며, 이는 빙상이 특정 시점에서 정체된 후 점진적으로 후퇴하면서 형성된 지형으로 해석된다. 이러한 지형은 빙하의 이동 이력을 보여주는 중요한 해저 지형으로 간주된다(Fig. 3).

Fig. 3.

The distribution of glaciogenic deposits and an estimated position of the grounding line at the southwestern margin (a) Spatial distribution of the acoustically transparent deposits T4–T1 thicker than 20 m. White arrows show major ice-flow trajectories inferred from the distribution of glaciogenic deposits T4–T1 and related geomorphic features. The black rectangle indicates panel (b). (b) Distribution of MSGL (purple lines with yellow arrows for the inferred direction), recessional morainic ridges (blue lines), and proglacial gullies (red lines). The orange-dashed line indicates the inferred maximum extent of the grounded ice. Blue, sky blue, and black dashed lines are projected grounding lines at the present shelf break, 550 mwd, and 500 mwd, respectively. Black arrows indicate retreats of grounding line from the shelf break. MSGL,mega-scale glacial lineation. Reproduced from Kim et al.(2021), Journal of Geophysical Research: Earth Surface, with permission from AGU.

빙하의 후퇴와 함께 해저 퇴적 환경도 변화하였고, 퇴적층 내에서는 서로 다른 연대를 가진 빙하 기반 퇴적물이 발견되었다(Polyak et al., 2007). 이는 최소 두 차례 이상의 빙하 확장이 있었으며, 각각의 확장은 서로 다른 기후 및 해양 조건에서 발생했음을 시사한다. Kim et al.(2020)은 척치해 및 동시베리아 대륙붕에서 플라이스토세 동안 반복적인 빙하 활동이 있었음을 밝히며, 이러한 활동이 해수면 변화와 밀접하게 연관되어 해저 지형과 퇴적층 형성에 큰 영향을 미쳤다고 보고하였다. 이들의 연구결과는 빙하의 흐름과 퇴적물의 분포 분석을 통해 과거 북극해 빙상의 변화를 재구성하고, 빙하–해양–기후 간의 복잡한 상호작용을 이해하는 데 중요한 기초적인 자료로 활용될 것이다.

3.2 북극 척치해 가스하이드레이트

가스하이드레이트는 저온·고압 환경에서 천연가스(주로 메탄)와 물이 결합하여 형성되는 고체 화합물로, 해저 대륙붕과 영구동토층에서 발견된다(Kennett et al., 2003; Milkov, 2004). 전 세계적으로 가스하이드레이트는 잠재적 에너지원으로 주목받고 있으며, 기후 변화 및 해저 지질재해와도 밀접한 연관이 있다(Shipley et al., 1979). 특히, 해저 가스하이드레이트가 해리될 경우 대량의 메탄이 방출되어 온실가스로 작용할 가능성이 있어 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Kvenvolden, 1993). 해저 가스하이드레이트의 존재는 탄성파 탐사를 통해 간접적으로 탐지되며, 이를 통해 연구자들은 해양 퇴적물 내 가스하이드레이트의 공간적 분포와 안정성을 분석하고 있다(Collett et al., 2011).

북극해에서도 가스하이드레이트의 부존이 보고되고 있으나, 척치해 지역의 경우 2015년까지 공식적인 보고가 없었다(Kim et al., 2020). 가스하이드레이트 탐사를 위한 조사 지역은 북극해 척치해저고원 남서부 대륙사면으로, 수심 약 580~780 m 범위의 해저산(Araon Mounds) 구조가 밀집된 지역이다. 2016년과 2018년 두 차례의 탐사에서는 천부지층조사, 스파커 탄성파 탐사와 중력 코어링이 수행되었으며, 천부지층조사 결과 여러 개의 해저산을 발견하였다. 해저산 상부에서 중력코어링을 실시한 결과 북극 척치해 최초의 가스하이드레이트 시료를 확보하였다(강승구 등, 2021). Fig. 4는 해저산 구조와 중력코어링으로 채취한 가스하이드레이트를 보여준다.단일 채널인 스파커 탄성파 탐사를 이용하여 BSR을 확인하였으며, 이는 해저면과 평행하게 나타나는 강한 반사면으로 해석되었다(Jin et al., 2019). 2019년도에 수행한 광역 다중채널 탄성파 탐사를 통해 BSR이 척치해 서부 대륙사면 전역에서 확인되었으며, 이는 해수 깊이 600~1,200 m 범위에 걸쳐 분포하는 것으로 나타났다(Choi et al., 2022). BSR의 존재는 가스하이드레이트 안정 영역(GHSZ, gas hydrate stability zone)의 하부 경계를 정의하는 중요한 지표이며, 자유가스가 존재하는 층과의 물리적 차이에 의해 나타낸다(Kim et al., 2020). 연구팀은 BSR의 공간적 분포를 분석하여, 척치해 남서부 대륙사면에 광범위하게 가스하이드레이트가 부존하는 것을 밝혔다. 다중채널 탄성파자료를 이용하여 유효매질 이론(EMT, effective medium theory) 모델을 적용하여 가스하이드레이트와 자유가스가 존재하는 퇴적층의 탄성파 속도를 정량적으로 분석하고, 해당 지역의 가스하이드레이트 분포를 평가하였다(Fig. 5). 연구 지역의 가스하이드레이트 포화도는 평균 10~50% 범위로 추정되었으며, 특정 지역에서는 최대 56.7%까지 증가하는 것으로 나타났다(Choi et al., 2022). 특히, 해저산 정상부에서 가스하이드레이트가 높은 포화도를 보이며, 이는 해저 지형 및 가스 유입 경로와 밀접한 관련이 있는 것으로 해석된다(Collett et al., 2011).

Fig. 4.

Sub-bottom profiling (SBP)image for the Araon mounds structures, and the pictures for the gas hydrate samples acquired by gravity coring for the sea-mound structures (modified from Jin et al., 2019).

Fig. 5.

(A) Constructed P-wave velocity model overlaid with migrated seismic images using the IMVA of the MCS03 line acquired during ARA10C cruise in the Chukchi Sea. (B)–(D) is the enlarged velocity model: (B) absence area of the gas hydrate, (C) mid-lower slope of the western continental margin, and (D) crest of the western spur area. Reproduced from Choi et al.(2022), Frontiers in Earth Science, under CC BY 4.0 license.

가스하이드레이트의 해리로 인한 메탄 방출은 기후 변화에 중요한 영향을 미칠 수 있다(Kennett et al., 2003). 북극 지역은 전 지구 평균보다 빠르게 온난화가 진행되고 있으며, 이에 따라 해저 메탄 방출이 증가할 가능성이 있다(Milkov, 2004). 연구 지역에서 확인된 높은 포화도의 가스하이드레이트 분포는 향후 온난화가 지속될 경우 이 지역이 메탄 방출원이 될 가능성을 시사한다(Choi et al., 2022).

3.3 캐나다 보퍼트해의 빙하기 이후 대륙붕 해저지질환경 변화

캐나다 보퍼트해(Canadian Beaufort Sea)는 북극해의 서부에 위치한 대표적인 대륙붕 해역으로, 퇴적층이 두껍고 가스하이드레이트가 광범위하게 분포하는 지역이다. 빙하기 이후 해수면 상승과 더불어 기후 온난화가 지속됨에 따라, 이 지역에서는 해저 영구동토층의 융해와 진흙 화산(mud volcano)의 활성이 진행되고 있다. 이는 해저 지질환경의 구조적·화학적 변화를 유도하는 중요한 요소로 작용하고 있다.

극지연구소는 캐나다 지질조사소와 미국 Monterey Aquarium Research Institute (MBARI)와 공동으로 캐나다 수역의 보퍼트해에서 빙하기 이후의 대륙붕 해저지질환경에 대한 조사를 수행하였다. 2013년도부터 총 4회의 공동조사를 수행하였으며, 다중채널 탄성파 탐사, 퇴적물 시추 및 해수 샘플링, MBARI의 원격조정탐사정(ROV, remotely operated vehicle)을 정밀 해저면 촬영 및 시료 채취, 자율해저탐사정(AUV, autonomous underwater vehicle)을 이용한 정밀해저지형 조사 등이 수행되었다.

보퍼트해에서는 3 개의 활성 진흙 화산이 발견된 바 있다. 진흙 화산은 지하에서 상승하는 과압 유체와 가스를 따라 퇴적물이 지표로 분출되며 형성되는 특이한 해저지질구조이다(Fig. 6). 이 지역의 두꺼운 퇴적층, 높은 유기물 함량, 그리고 가스하이드레이트 분포는 진흙 화산이 형성되기 위한 최적의 지질 조건을 제공한다(Dallimore et al., 2010; Riedel et al., 2017). 특히 매켄지 델타(Mackenzie Delta) 인근에서는 지속적인 퇴적물 공급으로 인해 지층 내 과압(overpressure)이 형성되며, 이는 메탄과 유체의 상승 경로가 된다(Hustoft et al., 2009). 해저 단층과 파열대는 메탄의 이동 경로를 제공하여, 진흙 화산의 발달을 더욱 활성화시킨다(Kvenvolden, 1993). 다중빔 음향탐사 및 탄성파 탐사를 통해 확인된 진흙 화산 구조는 대부분 원형 또는 타원형의 돔 형태이며, 중심에는 진흙분출 통로(conduit)가 형성되어 있는 특징을 갖는다(Riedel et al., 2017). 이러한 진흙 화산은 해수 중으로 다량의 메탄을 방출하며, 해양 메탄 산화와 대기 유입 가능성을 함께 가지므로 기후 변화와의 연관성이 주목되고 있다.

Fig. 6.

Bathymetry from 2022 AUV mission 20220902m1 at the 420 m Mud Volcano with AUV navigation track lines superimposed, gridded at 2-m horizontal resolution (from Hong et al., 2023).

해저 영구동토층의 붕괴와 이에 따른 해저지형 변화가 보퍼트해에서 중요한 지질환경 변화를 초래하고 있다. 플라이스토세 동안 형성된 해저 영구동토층은 해수면 상승과 최근 기온 상승의 영향으로 점차 붕괴되고 있으며, 그 결과 지하수의 방출, 가스하이드레이트 해리, 퇴적물 구조의 불안정화 등이 나타나고 있다(Gwiazda et al., 2018).

Kang et al.(2021)은 캐나다 보퍼트해(CBS) 대륙붕에서 해저 영구동토층의 2차원 구조를 밝히기 위하여 Laplace-domain Full-Waveform Inversion (LFWI) 기법을 최초로 적용하였다. 연구팀은 2014년 쇄빙연구선 아라온호를 이용하여 획득한 다중채널 탄성파(MCS) 데이터에 LFWI기법을 적용하였다. 그 결과, 기존 굴절법이나 속도 분석으로는 하부 경계의 정의가 어려웠던 해저 영구동토층의 내부 구조와 깊이의 하한선을 보다 정확하게 파악할 수 있었다. 또한 보퍼트해 대륙붕 하부에는 얼음이 녹지 않은 영구동토층(ice-bonded permafrost)의 탄성파 속도로 여겨지는 3.4 km/s 이상의 높은 탄성파 속도를 갖는 지층이 존재하고 있음을 밝혔다. 일부 해역에서는 해저면 하부 600 m 깊이까지도 해저 영구동토층이 존재하고 있었으며, 이는 기존 심부시추결과와 잘 일치한다. 이러한 LFWI 기반 속도 모델은 기존 굴절탐사 결과, 지열 모델링, 시추 로그(log) 데이터와 비교하여 검증되었으며, 해저 영구동토층의 공간 분포, 두께, 해빙 경향 등을 정량적으로 파악할 수 있는 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다. 2차원 P파 속도 모델(Fig. 7)은 해저 영구동토층은 주변 퇴적물보다 높은 P파 속도를 가지며, 빙하기 이후 해수면에 의한 영향을 오랜 기간 받은 대륙사면으로 갈수록 해저 영구동토층 붕괴현상이 심한 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

Initial and inverted P-wave velocity model for survey line “ARA05C-L05,” constructed by the LFWI method: (a) is the initial velocity model for applying LFWI (constant P-wave velocity of 3.0 km/s), and (b) is the inverted P-wave velocity model for MCS line “ARA05C-L05.” LFWI, laplace-domain fullwaveform inversion; MCS, multichannel seismic. Media with seismic velocities exceeding 3.0 km/s are interpreted as ice-bonded permafrost, indicating the presence of permafrost down to approximately 600 meters. The extent of permafrost decreases toward the northwest, along the continental slope Reproduced from Kang et al.(2021), Journal of Geophysical Research: Earth Surface, with permission from AGU.

Gwiazda et al.(2018)은 아라온호를 이용하여 채취한 퇴적물 시료를 분석한 결과, 보퍼트해 대륙붕에서 지하수가 담수로 해저로 스며들며 열적·화학적 변화를 유발하고, 이는 해저 산사태 발생 가능성을 증가시킨다고 보고하였다. Paull et al.(2022)은 아라온호 탐사를 포함한 10년 이상의 반복적인 고해상도 수심측량을 통해 수심 120~150 m 구간에서 급격한 해저함몰현상이 진행되고 있음을 밝혔으며, 이는 열카르스트(thermokarst) 지형과 연관된 것으로 해석하였다. 또한, Paull et al.(2024)은 해저 영구동토층의 융해로 인해 형성된 수십 미터 깊이의 대규모 싱크홀과 빙질 암반(ice rock outcrops)을 확인하였다(Fig. 8). 이 과정은 동결과 해빙의 반복에 의한 복합적 지형 발달을 의미한다.

Fig. 8.

These images were obtained during the ARA13C cruise from Remote Operated vehicle dives in the Ice Hole (a–c), along the Station 11 slide scar (d and e), in samples from gravity cores Stn23‐GC (Ice Hole) (f) and Stn11‐GC (Station 11 slide scar) (g and h): (a) Dark ice layer below an overhang at the base of the sidewall of the Ice Hole (157 mwd). The recessed area extends back and down at least a meter underneath the ice layer, as indicated by the white arrow. Red dots are from parallel laser beams spaced 13 cm apart. (b) Contact between the ice and the overlying sediments (158 mwd). Inclusions of variable size are seen within the ice (black arrows), roughly arranged in subvertical bands. (c) While the manipulator arm was attempting to sample the ice, its tip was seen refracted through a transparent rib of the ice. Dashed lines on the left highlight gullies carved by fine sediment streaming down the face of the ice. (d) Exposure of ice (black) in 130.3 mwd at Station 11 seen through a gap in the sediment cover. There is a few centimeters‐thick void between the ice and the overlying sediments. (e) Ice (black) jutting out of a wall at 129.5 mwd. The horizontal base of the ice above and in front of a void is indicated by a thin white line. Dotted lines show rivulets of sediment flowing down the face. (f) Pieces of ice recovered from Stn11‐GC taken in 130 mwd. (g) Plug of ice that filled the core cutter of Stn11‐GC. (h) A cleaned half of the ice sample in panel (g) held up against the sky shows primarily transparent ice with some bands of sediment inclusions. Reproduced from Paull et al.(2024), Journal of Geophysical Research: Earth Surface, with permission from AGU.

이러한 진흙 화산의 활성화 및 해저 영구동토층의 해빙 현상은 단순한 지형 변화에 그치지 않고, 해양 메탄 유출, 해저 안정성 저하, 탄소 순환 교란 등 해양 환경 및 기후 시스템에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 특히, 동시적 또는 연계적으로 발생하는 진흙 화산 분출과 동토층 해빙은 서로의 메커니즘을 강화시키며, 북극해 탄소 배출량 변화와 기후 변화 예측에 중요한 변수가 된다.

4. 요약 및 연구전망

극지연구소는 2009년에 건조된 쇄빙연구선 아라온호를 이용하여 2012년부터 북극해의 동시베리아해, 척치해, 캐나다 보퍼트해 지역에서 해저지질 조사와 해저환경변화 연구를 수행하고 있으며, 미국, 독일, 캐나다, 일본, 중국, 러시아 과학자들과의 국제공동연구를 통해 수많은 연구결과를 발표하였다.

척치해와 동시베리아 대륙붕에서는 해양 기반 빙상이 반복적으로 확장·후퇴한 새로운 증거들이 다수 확인되었으며, 다중빔 및 지구물리 탐사를 통해 유수형 빙하 선형구조(streamed glacial lineation), 트로프 마우스 팬, 후퇴성 모레인 등의 빙하성 지형이 식별되었다. 이러한 지형은 빙하의 이동 경로와 범위를 재구성하는 데 핵심적이며, 빙하기–간빙기 동안의 기후 변화가 북극 대륙붕 지형에 뚜렷한 흔적을 남겼음을 시사한다.

척치해 남서부에서는 최초로 가스하이드레이트 시료를 채취하였으며, 다중채널 탄성파탐사를 통해 이 지역에 고포화도의 가스하이드레이트가 광범위하게 분포하고 있음을 밝혔다. 보퍼트해에서는 3개의 활성 진흙 화산이 확인되었고, 해저 영구동토층은 급속히 붕괴되고 있는 것으로 분석되었다. 지하수 배출, 메탄 분출, 해저 함몰과 같은 현상은 지형적 불안정성과 해양 탄소 순환 변화의 주요 기작으로 작용하고 있다. ROV와 AUV를 이용한 반복적인 정밀해저탐사를 통해 해저 함몰구조, 열카르스트 지형, 빙질 암반 노출 등 복합적인 해저지형 변화가 해저 영구동토층 해빙과 연계되어 발생하고 있음을 확인하였다.

북극해는 기후 변화, 자원 경쟁, 해양 주권 주장 등 다양한 국제적 이슈가 집중되는 전략적 해역이다. 우리나라는 북극이사회의 옵저버 국가로서 아라온호와 2029년 건조 예정인 13,000톤급 차세대 쇄빙연구선을 활용하여 북극해 해저지질 조사를 지속적으로 진행할 예정이다. 기후 변화 대응 및 탄소 순환 연구는 가장 시급한 과제 중 하나이다. 현재 진행되고 있는 급속한 지구온난화는 북극해 대륙붕의 해저 영구동토층과 가스하이드레이트를 해리시켜 막대한 메탄방출을 유발하여 지구온난화을 가속화시키는 피드백 고리를 형성할 수 있다(Shakhova et al., 2010a; IPCC, 2021). 또한 해저 영구동토층의 붕괴에 따른 해저 사면붕괴 및 지반안정성 변동은 이 지역에 개발중인 해저 인프라 구축에 중요한 위협요소이다. 보퍼트 대륙사면에 발달한 전세계에서 가장 큰 규모의 사면사태구조는 향후 주요한 연구주제가 되고 있다.

현재 건조추진중인 차세대 쇄빙선을 이용하게 되면 북극해 연구해역이 해빙이 많은 북극해의 중앙부와 대서양쪽 북극해로 확장될 것이다. 심부시추와 정밀분석이 수행될 고환경 및 고기후 복원 연구를 통하여 북극해에서 플라이스토세 이후 기후의 정량적 복원과 북극의 빙하기 순환 해석을 할 수 있을 것이다.

북극해 해저지질 연구는 모두 국제적 이슈와 직접적으로 연결되고 있다. 첫째, 북극 메탄 방출 감시는 IPCC, 국제 메탄 관측 프로그램과 연계되며, 둘째, 대륙붕한계위원회(commission on the limits of the continental shelf) 대응 자료 구축은 해양 주권과 연계되고, 셋째, 북극 자원 개발과 기후변화 적응 측면에서 국제 공동연구가 필수적이다. 향후 한국은 북극이사회, IODP, UN Decade of Ocean Science 등 다자간 국제과학협력을 주도적으로 수행할 것이다. 북극에 대한 경쟁이 치열해지고 있는 국제적 상황에서 우리의 쇄빙연구선을 이용한 적극적인 연구활동은 북극해에 대한 우리나라의 국제적 영향력 증대라는 국가적 전략과도 부합한다.