1. 서론

해양 퇴적물에는 과거의 기후, 해양, 생태계 등 다양한 고환경(paleo-environment)의 정보가 저장되어 있으며, 지질학, 해양학, 생물학 등의 분야에서는 다양한 지시자의 분석을 통해 정보를 추출하고 고환경을 복원한다(Kim et al., 2018, 2023; Rhee et al., 2022b). 특히 남극과 같이 기권, 수권, 빙권, 지권이 모두 접해 있고 빙하환경이 지배적인 지역에서는 각 권역의 환경 변화와 빙하의 거동 변화가 불가분의 관계이다. 빙하의 존재와 거동에 의해 일어나는 환경 변화, 그리고 환경 변화가 야기하는 빙하의 질량과 규모 변화에 대한 이해가 필요하기 때문에, 두 인자 간의 인과관계와 상관관계를 파악하기 위한 여러 지시자의 분석 연구가 매우 중요하다.

특히 빙하의 거동을 이해하기 위해 빙하의 기원지를 역으로 추적하는 연구가 선행되어야 하며, 이를 위해 해양 퇴적물을 구성하는 광물의 화학적 조성과 퇴적물의 생지화학적 특성을 분석하는 연구들이 많이 수행되고 있다(Jung et al., 2019; Park et al., 2019; Kim et al., 2022). 하지만 빙하환경에서의 해양 퇴적물 획득을 위해서는 막대한 비용과 시간이 소요되는 어려움이 있으며, 지역에 따른 물질의 상이한 퇴적률과 해류의 영향에 의한 퇴적 작용의 교란에 대한 해석이 필요하다. 또한 빙하의 기원지로 예상되는 육상 지역들과 해양퇴적물 사이의 정교한 지질학적 비교가 필요하기 때문에, 여러 지역의 암석을 직접 조사하고 화학적 주성분을 분석하여야 정확한 판독을 수행할 수 있다.

빙해양 지형(glaciomarine landform)은 빙하의 영향을 받은 해양의 저서에 발달한 지형으로, 과거 빙하의 거동을 복원할 수 있는 직접적인 단서를 제공한다(Bingham and Siegert, 2009; Graham et al., 2009; Lee et al., 2017; 이재일 등, 2022). 빙하기에 걸쳐 일어난 빙하의 전진(advance)과 성장(thickening)은 막대한 질량의 빙체(ice body)와 기저면 간의 상호작용을 일으키며 다양한 침식지형과 퇴적지형을 형성하였다(Halberstadt et al., 2016). 특히 남극과 같은 환경에서는 대부분의 육상 지역이 빙상으로 뒤덮여 있어 말단부에서만 고빙하지형(paleo-glacial landform)이 인식되나, 대부분의 해양 지역은 빙붕의 후퇴와 함께 개방(open marine)되어 있어 다양한 고빙하환경의 증거들이 나타나고 있다(Jeong et al., 2018).

빙하기 이후에는 빙권이 전체적으로 축소(lowering), 후퇴(retreat)하였으며, 상류로부터 공급받는 빙하의 질량과 규모가 감소하며 각각의 기원지를 향해 후퇴하였다. 빙하가 운반하던 물질은 운반 매개의 소실과 함께 퇴적되며 다양한 규모의 퇴적 지형을 형성하였으며, 후퇴의 방향과 시기에 따라 퇴적률이 변화하며 퇴적지형의 돌출구조나 선형적인 형태가 특징지어졌다. 따라서 먼저 빙해양 지형을 인지하고 형태적 특징과 공간적 분포에 대한 분석을 실시하여 과거에 존재했던 빙하의 유역을 복원할 수 있으며, 빙하의 흐름 방향, 질량, 규모의 변화와 그로 인한 유역 쟁탈(ice piracy)같은 물리적 상호작용을 추적할 수 있다(Joughin and Tulaczyk, 2002; Bougamont et al., 2015; McCormack et al., 2023).

원격탐사와 지형 분석 기술의 발달로 남극과 같은 접근성이 떨어지는 빙해양 환경에서도 다양한 수심(고도) 자료를 획득하고 활용할 수 있게 되었다. 기존의 지형 분석 방식은 지형의 패턴(Geomorphon)을 분류하거나 상대적인 수직적 위상을 비교하는 지형 위치 지수(Terrain Position Index: TPI)를 주로 활용하였다(Weiss, 2001; De Reu et al., 2013; Jasiewicz and Stepinski, 2013; 탁한명, 2014; 김동은･오정식, 2019). 특히 지형패턴을 이용한 지형 분류는 해양에서도 적용되어 해저면의 지형분류에도 시도되었다(안세진 등, 2023). 하지만 빙해양 지형은 유수나 매스 무브먼트에 의해 형성되는 육상의 사면과 기작이 다르기 때문에, 표면 거칠기(Surface Roughness)와 수심 위치 지수(Bathymetric Position Index) 같은 해저 지형에 특화된 분석 도구의 개발과 적용이 이루어지고 있다(Rinehart et al., 2004; Siegert et al., 2004; Lundblad et al., 2006; Rippin et al., 2006; Diesing et al., 2009; Graham et al., 2009; Walbridge et al., 2018).

본 연구는 과거 남극의 서로스해(Western Ross Sea: WRS) 지역에 나타났던 빙하 활동을 복원하기 위해 표면 거칠기와 수심 위치 지수 분석 방법을 이용해 다양한 규모의 빙해양 지형을 분석하였다. 감지한 해저분지(basin), 해퇴(bank), 해곡(trough), 해저융기부(ridge), 거대 빙하 침식선형구조(mega-scale glacial lineations: MGSL), 드럼린(drumlinoid), 모레인(moraine), 빙하 접지대(grounding zone wedge, GZW) 등의 방향성과 규모, 분포를 분석함으로써, 과거 빙하의 유역과 규모를 복원하고 빙하 간에 일어난 유역 쟁탈과 흐름 방향 변경 등의 상호적 물리작용을 해석하였다. 또한 현재는 존재하지 않으나 과거 전진, 성장한 국지적 분출빙하들과 테라노바 만(Terra Nova Bay)을 가득 메운 대규모의 빙권을 추적하고 발견하기 위해 빙하 유역을 세부적으로 복원하였다.

2. 연구 지역

로스해(Ross Sea)는 동남극빙상(East Antarctic Ice Sheet)과 서남극빙상(West Antarctic Ice Sheet)의 경계에 있는 해역으로, 동남극빙상의 Dp-E, E-Ep와 서남극빙상의 Ep-F 빙하 유역들로부터 빙하가 유출되고 있다(Fig. 1A; Mouginot et al., 2017). 동남극빙상의 빙하는 남극 횡단 산맥(Trans-Antarctic Mountains)의 빅토리아 랜드(Victoria Land)를 거쳐 각각의 분출빙하(outlet glacier) 형태로 흘러나오고 있으며, E-Ep 분지의 빙하는 로스 빙붕(Ross Ice Shelf)에 합류를, Dp-E 분지의 빙하는 각각의 말단부만이 로스해로 직접 분출되고 있다(이현희, 2023).

Fig. 1.

(A) Ice drainage of East and West Antarctic Ice Sheet (EAIS & WAIS) flowing into the Ross Sea (Mouginot et al., 2017; Skyblue colored sectors on the index map). Present Ross Ice Shelf (RIS) drains the EP-F sector of WAIS and the Dp-E and E-Ep sectors of EAIS. The Dp-E sector of EAIS is draining ice as outlet glaciers, but it was also a part of the RIS during the Last Glacial Maximum (LGM). (B) A hillshade map of the Ross Sea bed based on the International Bathymetric Chart of the Southern Ocean (IBCSO) (Arndt et al., 2013). Yellow arrows describe estimated paleo-glacial flow through troughs during the LGM (Halberstadt et al., 2016). (C) Curvature and (D) Slope are the basic terrain analyses to describe slope characteristics. (E) Surface roughness (Siegert et al., 2004; Rippin et al., 2006; Graham et al., 2009), and (F) Bathymetric Position Index (BPI) analysis (Rinehart et al., 2004; Lundblad et al., 2006; Diesing et al., 2009; Walbridge et al., 2018). Note that Northern and Southern Drygalski Troughs (NDT & SDT) along the Western Ross Sea (WRS) have the largest deviations. The deepest troughs are developed between Victoria Land and the Western Ross Sea (WRS), due to the inflow of EAIS. Terra Nova Bay (TNB) is the major study area where the NDT collides with the SDT and merges.

마지막 최대 빙하기(Last Glacial Maximum: LGM)에 이르기까지 Dp-E 분지의 빙하와 로스 빙붕이 모두 대규모로 전진, 합류하며 로스해의 대륙붕(continental shelf)을 메우는 로스 빙붕의 성장이 나타났다(Figs. 1A & 1B; Halberstadt et al., 2016). 특히 빙하가 대륙붕에 접지하여 전진하였기 때문에 일반적인 해저 지형은 대부분 파괴되었으며, 빙하의 영향을 받아 발달한 빙해양 지형이 나타나게 되었다. 마지막 최대 빙하기 이후에는 남극 빙상의 축소와 함께 로스 빙붕이 각 빙하의 기원지 방향으로 후퇴하였다. 현재 로스 빙붕의 기원지인 남쪽 방향으로의 후퇴와 Dp-E 분지의 기원지인 서쪽 방향으로의 후퇴가 합쳐지며, 남서쪽 방향으로의 점진적인 로스 해역의 개방이 나타났다(Rhee et al., 2020).

로스해 전역에서 가장 굴곡(curvature)과 경사 변화(slope)가 심한 대륙붕은 서로스해에 나타나며, 동남극빙상의 Dp-E 분지로부터 공급된 빙하가 형성한 기저 지형들의 기복이 가장 뚜렷하게 나타난다(Figs. 1C & 1D). 이는 서로스해의 대륙붕이 막대한 질량의 빙상에 의해 오랜 기간에 걸친 물리적 영향을 받았음을 의미하며, 접지한 빙상(grounded ice sheet)의 말단 경계인 빙하 접지선/접지대(grounding line or zone)와 가장 인접하기 때문이다. 이로 인해 가장 큰 질량의 빙하가 직접적으로 분출되며 깊은 침식 지형을 형성하였고, 동시에 많은 양의 물질을 운반하던 빙하의 후퇴와 함께 대규모의 퇴적지형 역시 형성되었을 것으로 보인다. 본 연구에서 적용하려는 표면 거칠기, 수심 위치 지수의 결과 역시 서로스해의 대륙붕에서 가장 큰 편차와 뚜렷한 결과를 보여준다(Figs. 1E & 1F).

또한 서로스해의 중심에 위치한 테라노바 만에서는 대표적 빙해양 지형인 북드라이갈스키 해곡(Northern Drygalski Trough)과 남드라이갈스키 해곡(Southern Drygalski Trough)이 합류하며, 빅토리아랜드를 거쳐 유출되는 가장 큰 빙하인 드라이갈스키 빙설(Drygalski Ice Tongue)이 나타난다. 따라서 지형 변화가 가장 심한 서로스해와 테라노바 만의 대륙붕 연구는 빙하의 물리적 기작을 이해하기 가장 용이할 것이며, 빙권 변화에 따른 환경 변화와 그 영향력을 파악하는 것이 아주 중요한 지역으로 보인다.

3. 연구 방법

본 연구에서 활용한 두 가지 분석 방법은 빙해양 지형의 분석에 대표적으로 활용되고 있는 도구들로, 지형의 형태와 위상, 그리고 규모를 정량적･정성적으로 분석한다(Rinehart et al., 2004; Siegert et al., 2004; Lundblad et al., 2006; Rippin et al., 2006; Diesing et al., 2009; Graham et al., 2009; Walbridge et al., 2018). 또한 분석의 연산에 사용되는 범위를 조절해가며 연속적으로 분석함으로써 빙하의 거동이 형성하는 다양한 규모의 지형을 감지하는데 특화되어 있다. 두 분석 도구로 감지할 수 있는 대표적인 빙하지형으로는 선형구조로 나타나는 거대 빙하 침식선형구조, 드럼린, 모레인 등과 굴곡구조로 나타나는 해저분지, 해곡, 해퇴 등이 있으며, 지형을 감지하기 위해 고도(수심) 자료를 활용해 로스해 해역에 보존되어 있는 빙해양 지형을 분석하였다.

수심 자료는 남극해국제해저지형도(IBCSO: International Bathymetric Chart of the Southern Ocean)를 사용하였으며, 500m 수평해상도를 가진 음향, 수심 측량 자료의 통합체이다(Arndt et al., 2013). 근래에는 한국 극지연구소의 쇄빙연구선 아라온호(R/V Araon)를 활용해 멀티빔(multibeam)과 천부지층탐사기(sub-bottom profiler: SBP)를 이용한 고해상도(50m)의 수심자료가 구축되고 있다. 하지만 본 연구의 주요 지역인 테라노바 만은 해빙(sea ice)의 지속기간이 길어 확보된 데이터의 공백이 많은 상황이다. 최근에는 극단적인 기후변화와 더불어 겨울 기간의 해빙 성장과 여름 기간의 해빙 지속성이 모두 떨어지고 있어, 차후 양질의 고해상도 데이터 획득을 통해 후속 연구에서는 더 상세한 분석이 가능할 것으로 기대된다.

1) 표면 거칠기(Surface Roughness)

지형의 표면 거칠기는 지정한 범위 내 고도 값들의 표준편차를 계산하여 분석한다. 인근 지역의 고도 편차가 크게 나타날수록 큰 기복의 지형이 존재한다는 것이기 때문에, 결과값의 크기에 따라 솟아 있거나 깊게 파인 지형의 발달 규모와 기복을 가지는 지형의 경계를 인식할 수 있다. 다만, 편차만을 계산하기 때문에 기복 변화의 규모는 감지할 수 있지만 굴곡지형의 돌출/함몰 여부는 구분이 불가능하다. 또한 지정하는 범위의 증가에 따라 사면 기울기의 왜곡이 나타나 유사 기울기가 산출되는 문제가 있으나, 작은 규모의 지정범위를 이용한 높은 분석 해상도의 표면 거칠기 분석은 지형의 경계부를 인식하기에 충분하다.

ArcGIS의 ‘Focal Statistics’ 도구를 이용하여 수심 자료의 각 셀을 중심으로 지정한 크기의 창(moving window; 셀 개수: n*n)을 이동시키며 지정범위 내 고도 값의 표준편차를 연속적으로 계산하였다(Graham et al., 2009). 상세한 기복의 변화와 거대 규모의 지형을 종합적으로 분석하기 위해 분석 해상도를 조정할 수 있는 창의 크기를 변화시키며 분석을 수행하였다(3*3, 5*5, 10*10, 15*15).

2) 수심 위치 지수(Bathymetric Position Index)

수심 위치 지수는 수심자료를 기반으로 하여 계산 지점의 수심(pt: elevation at point)과 지정하는 범위 내 평균 수심(µ: mean elevation neighborhood) 간의 상대적인 수직 위상 차를 분석한다. 기존의 육상 지형 분석에 활용되던 지형 위치 지수를 발전시켜 저서 환경의 해양지형에 특화하여 활용되고 있다. 계산 지점의 수심이 인근의 평균 수심보다 낮을 경우 결과값은 음수(pt < µ = BPI < 0)로 나오며 해곡, 해저분지와 같은 함몰 지형으로 판별할 수 있다. 반대로 해당 지점의 수심이 지정 범위 내의 평균 수심보다 높을 경우 결과값은 양수(pt > µ = BPI > 0)로 산출되어 드럼린, 모레인, 플루트, 퇴와 같은 돌출 지형으로 표현된다.

인근 고도 값의 평균을 사용함으로써 평균의 함정이 발생하기 때문에, 경사가 거의 없는 평탄한 사면과 일정한 경사가 연속되는 사면이 모두 0에 가까운 결과(pt ~ µ = BPI ~ 0)가 나타난다. 따라서 경사도 분석을 추가로 반영하여 평탄면과 연속 사면을 구분하며, 표면 거칠기 분석에서는 알 수 없는 지형의 패턴도 분류할 수 있다는 장점이 있다.

수심 위치 지수 분석은 ArcGIS 10.4에서 구동할 수 있는 저서 지형 모형(Benthic Terrain Modeler)의 패키지를 이용해 분석하였다(Walbridge et al., 2018). 분석범위는 내부*외부의 반경 셀 개수로 지정하였으며, 해저 지형의 경우 오차가 가장 작은 내부:외부 = 1:10의 설정을 권고하고 있다. 세부적인 지형과 대규모 빙하 기저 지형의 분석을 위해 창의 크기를 바꿔가며 분석하였다(1*10, 3*30, 5*50, 10*100).

4. 결과 및 논의

1) 분석 해상도에 따른 활용성 평가

활용한 수심 자료(남극해국제해저지형도)의 해상도(500m)가 매우 제한적이기 때문에, 각 분석 방법에서 지정한 범위에 따라 감지할 수 있는 지형의 규모에 대한 평가를 선행하였다. 가장 큰 기복 편차가 나타나는 북드라이갈스키 해곡의 테라노바 만에서 임의의 종단곡선을 따라 표면 거칠기와 수심 위치 지수를 분석하였으며, 그 결과를 실제 수심 자료와 비교, 분석하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

(A) Surface Roughness (SR) analyses the seabed along the Northern Drygalski Trough with different window sizes. (B) Bathymetric Position Index (BPI) analyses of the seafloor with different inner and outer radius sizes. (CB: Crary Bank; DB: Drygalski Bank; NDT: Northern Drygalski Trough; SDT: Southern Drygalski Trough) (C) Comparing the SR and BPI to examine suitability. SR can detect detailed features such as mega-scale glacial lineation (MSGL) and boundaries of the drumline and grounding zone wedge (GZW). BPI can recognize bed topography in variable scales: glacial ridges & troughs and banks & basins.

표면 거칠기를 가장 작은 지정 범위(3*3)로 설정하여 연속적으로 분석할 경우, 세밀한 기복의 변화가 모두 감지되면서 종단곡선 상 가장 많은 피크가 나타났다(Figs. 2A & 2C). 이는 저서 환경의 모든 돌출, 함몰 지형이 고해상도로 감지되어 반영된 것으로, 피크가 나타나는 곳들이 모두 경사가 급격히 변하는 해곡, 거대 빙하 침식선형구조, 드럼린 등의 경계부라 볼 수 있다. 지정 범위를 5*5로 확장할 경우 표면 거칠기 결과값이 전체적으로 증가하는 모습을 보인다. 계산 범위의 변화에 따른 고도 편차의 증감 변화는 자연스러운 결과이며, 피크의 분포나 밀도에는 변화가 나타나지 않았기 때문에 세부적인 지형의 감지에 충분한 범위로 판단하였다.

하지만 분석 범위의 규모가 더 증가함에 따라 굴곡이 반영되지 않거나 기복 변화가 오히려 과대 추정되는 결과가 나타났다. 확장된 분석 범위(7*7, 9*9)의 표면 거칠기 종단곡선 상에서 피크의 위치가 이격되어 나타나는데, 이는 보다 넓은 범위 내에서의 고도 편차 결과를 하나의 셀에 기록함으로 인해 상대적으로 분석 해상도가 감소하며 발생하는 문제점이다. 특히 분석 범위를 더 확장(11*11)하였을 때부터는 밀접해 있는 소규모 피크들을 하나로 통합해 인식하며, 누적된 결과값이 종단곡선의 역전을 가져온다. 이러한 문제는 표면 거칠기 종단곡선의 0~20 km 지역에 뚜렷하게 잘 나타나는데, 15*15의 범위부터는 수십 km 규모의 큰 지형인 해곡, 해퇴 등의 경계가 감지되는 듯 하나, 위치가 왜곡되어 나와 대규모 지형의 분석에는 부적합한 것으로 판단된다.

수심 위치 지수는 큰 범위(10*100)로 분석할 경우 수심의 종단곡선과 매우 유사한 형태로 나타나며, 수십 km 규모로 형성된 지형의 존재를 감지하고 대규모 지형의 패턴을 분류하는데 성공하였다(Figs. 2B & 2C). 특히 테라노바 만에서 기원한 빙하들의 전진에 의해 형성된 북드라이갈스키 해곡과 테라노바 만의 남쪽에서 기원한 빙하들로 인해 형성된 남드라이갈스키 해곡의 존재가 매우 잘 나타났다(Fig. 2B). 또한 두 빙하의 유역이 합류하는 경계에 대량의 운반 물질이 퇴적되며 형성된 드라이갈스키 해퇴(Drygalski Bank)가 감지된다. 이러한 대규모 빙하의 거동 흔적 지형은 과거 전진, 성장한 빙하의 흐름을 추적하는 중요한 단서가 된다.

분석 범위를 점차 감소시킬수록 수심 위치 지수의 최대값과 최소값의 폭은 감소하였으며, 종단곡선 상의 진폭 역시 0을 중심으로 수렴하듯이 감소하였다. 가장 작은 범위(1*10)에서의 수심 위치 지수 결과는 0을 넘나드는 큰 규모의 피크들과 사이사이의 작은 피크들이 종단곡선 상에 나타나며, 사면의 굴곡이 나타나는 경계들을 다양한 규모로 정밀하게 감지하였다. 특히 0을 넘나드는 주요한 피크들은 소규모의 해저융기부와 해곡, 해퇴와 해저분지 등과 같은 지형을 지시하기 때문에, 거대 고빙하의 유역을 분출빙하 단위로 세분화하여 각 분출빙하의 흐름 방향과 물리적 상호작용을 추적할 수 있다. 또한 작은 피크들은 표면 거칠기 분석만큼 세세한 선형 구조의 지형을 감지하지는 못하였으나, 모레인, 드럼린, 양배암과 같은 입체적인 지형의 경계를 성공적으로 감지하였다.

2) 테라노바 만 해저 지형의 추적

가장 작은 지정 범위(표면 거칠기: 3*3 & 수심 위치 지수: 1*10)로 설정한 두 지형 분석 방법 결과를 통해 다양한 규모의 지형들의 존재를 탐지하였다(Fig. 3). 표면 거칠기 분석을 통해 거대 빙하 침식선형구조, 플루트 등의 선형구조 지형을 감지하였고, 굴곡지형인 드럼린, 모레인, 빙하 접지대 등의 경계가 되는 급경사면을 인지하였다(Fig. 3A). 수심 위치 지수를 통해 다수의 굴곡지형데 대하여 전체적인 형태를 파악하였으며, 대규모의 해저융기부와 해곡, 해퇴와 해저분지를 직접 감지하였다(Fig. 3B). 각각의 기법에 따라 분석된 지형들은 특징과 방향성에 따라 크게 3개의 섹터로 구분되었다.

Fig. 3.

Surface Roughness (A) and Bathymetric Position Index (B) results on the Terra Nova Bay, where EAIS is being drained toward the Western Ross Sea. Three major sectors are observed based on elongated vast boundaries (Sa, Sb, and Sc). (A) Mega-Scale Glacial Lineations or linear glacial deposits (bold line) are found on the seabed which were developed by past grounded ice advance and retreat. Ellipsoid features are likely to be boundaries of Drumlinoids, Moraines, and Grounding Zone Wedges (GZW). (B) Glacial Troughs (dotted line) are well detected where thickened and advanced glaciers were grounded and subglacially bulldozed, and rugged subglacial landforms (ellipsoid) are also found. Note that most of the subglacial features were gradually developed following the direction of the Northern Drygalski Trough (NE/N).

현재 테라노바 만의 북쪽 해안가에서 흘러나오는 멜버른(Melbourne) 화산의 산록 빙하, 바치(Vacchi) 빙하, 캠벨(Campbell) 빙하는 섹터 a(Sa)로 분출되고 있다. 표면 거칠기와 수심 위치 지수 모두 편차가 가장 크게 나타나며, 그 차이들이 매우 조밀하게 나타나 다수의 빙해양 지형이 형성되어 있음을 보여준다. 표면 거칠기에 반영된 선형구조 지형의 장축 방향성 역시 테라노바 만 내의 모든 지역 중 가장 다양하게 나타난다. 주로 남동쪽/동쪽으로 향하며 복잡하게 뒤섞여 있는 선형구조는 말단부로 갈수록 지형의 방향이 급격히 동쪽/북동쪽 방향으로 전환되며 밀집되는 모습을 보인다.

수심 위치 지수 결과 역시 전진, 성장한 빙하의 강력한 하방침식으로 형성된 해곡을 유역별로 상세하게 감지하였다. 해곡은 주로 남쪽/남동쪽을 향해 형성되었으며, 점차 동쪽으로 전환되다가 말단부에서는 북동쪽으로 수렴하는 형태를 보인다. 특히 섹터 a의 서쪽에 위치하는 육상의 북부 구릉지(Northern Foothills)와 해양의 경계에서는 소규모의 두 만 전면부에 해곡의 존재가 발견되며, 만의 형태는 빙하의 하중에 의해 기저가 과다하게 침식된 형태(400 ~ -500m: overdeepening)가 나타난다. 현재는 이 지역에 분출빙하가 존재하지 않기 때문에 과거에만 존재했던 고빙하의 존재를 유추할 수 있다.

섹터 b의 빙하 기원지는 테라노바 만의 남서쪽으로 현재의 난센 빙붕(Nansen Ice Shelf) 일대의 빙하 말단부에 해당한다. 만의 내부에 집중적으로 나타나는 굴곡지형들은 뚜렷한 형태가 가장 잘 보존되어 나타나며, 빙하의 전면부에 평행하게 발달하는 모레인과 빙하 접지대 같은 빙하 퇴적 지형이 다수 관찰된다. 만의 외곽으로 향할수록 굴곡지형은 거의 나타나지 않고 선형구조 지형만이 대규모로 나타난다. 섹터 b 역시 마찬가지로 해양 지형의 장축이 대부분 북동쪽을 향하며, 만의 외곽에서 점차 북쪽으로 강하게 수렴하는 형태를 보인다. 해당 지역을 관통하는 해곡 역시 유사한 방향으로 발달하였다.

섹터 c는 테라노바 만의 남서쪽에서 기원했던 빙하의 유역으로 데이빗(David)과 클라크(Clarke) 빙하의 말단부에 해당된다. 만의 내부에는 다수의 굴곡구조와 선형구조의 빙해양 지형이 혼재되어 나타나며, 만의 외부까지 연속적으로 상당히 밀집되어 나타난다. 특히 데이빗 빙하는 동남극빙상의 중심부에서부터 형성된 광대한 유역으로부터 많은 물질을 운반해왔기 때문에, 빙하가 후퇴하며 남겨진 물질을 기반으로 가장 다수의 빙해양 퇴적지형이 발달한 것으로 해석된다. 해당 지형들 역시 장축 방향성이 모두 북동쪽으로 집중되어 나타난다.

섹터 c에 발달한 해곡은 테라노바 만 내부에서 가장 깊은 형태의 골짜기로 나타나기 때문에, 해곡을 형성하며 전진했던 빙하의 질량과 규모 역시 가장 컸음을 보여준다. 이 해곡은 남서쪽의 만 내부에서부터 북동쪽의 만 외부에 도달하기까지 북동쪽 방향으로의 일정한 형태와 방향을 유지하고 있다. 해곡의 남동쪽에 나타나는 드라이갈스키 해퇴는 테라노바 만 빙하 유역의 남쪽 경계가 되며, 해퇴 역시 북동쪽을 향해 수렴하는 형태로 발달하였다. 이는 섹터 c의 빙하가 과거에는 북동쪽의 일정한 방향으로 분출하였음을 지시하며, 현재 드라이갈스키 빙설을 통해 동쪽으로 분출하는 방향과 다르게 나타난다.

종합적으로 테라노바 만 모든 섹터의 빙해양 지형들은 말단부로 향할수록 북동쪽 방향으로 집중되어 발달한 것이 확인되며, 과거 만 내부로 전진한 각 빙하의 유역이 점차 북동쪽으로 변형, 수렴된 것으로 추정할 수 있다. 빙하 유역의 변형 정도는 남쪽의 섹터 c 빙하들이 가장 약하며 만의 북쪽으로 향할수록 그 변형도가 점차 크게 나타나 상대적인 빙하 질량의 차이를 알 수 있다. 따라서 과거에 테라노바 만 내로 분출된 모든 빙하들은 만의 남쪽에서부터 전진해 온 거대한 외부 빙하의 물리적 압력에 의해 유역이 변형되었음을 보여준다.

3) 테라노바 만 고빙하 유역 복원: 테라노바 빙붕

빙해양 지형의 분포는 과거 빙하의 형태와 흐름 방향, 그리고 빙하 유역 간 물리적 상호 작용의 단서가 되었으며, 특히 수심 위치 지수 분석에서 나타난 해곡과 해저융기부 지형은 과거 테라노바 만 내 빙하환경의 결정적인 단서가 되었다. 현재 테라노바 만 내에 나타나는 모든 빙하의 분출지역으로부터 만의 외부까지 연속적으로 해저의 수심과 수심 위치 지수의 종단 곡선을 그었으며, 0을 넘나드는 수심 위치 지수의 피크가 나타나는 해곡의 경계를 따라 과거 전진한 각 분출빙하의 세부 유역을 복원하였다(Fig. 4). 이를 기반으로 각 분출빙하들이 과거 성장, 전진한 형태를 복원하여 빙체의 면적, 깊이 및 두께, 전체적인 부피까지 다차원적인 규모를 분석하였다(Table 1; Fig. 5). 또한 과거 테라노바 만에서 합류해 형성한 거대 규모의 빙하, 테라노바 빙붕의 존재를 발견하고 그 형태와 규모를 함께 복원하였다(Table 1; Fig. 6).

Fig. 4.

Cross-sectional profiles of bathymetry and Bathymetric Position Index (BPI) along the profiles in Fig. 5.

Fig. 5.

Paleo-glacial drainage tracking of past-advanced Terra Nova Ice Shelf based on the Bathymetric Position Index analysis (refer to Fig, 5). (A) Index map of present outlet glaciers on Terra Nova Bay (TNB). Dashed lines are the locations of each bathymetry profile. (B) Continuous profile batches of past-advanced glacial drainages in the TNB. + sign indicates the joining and piracy of the glaciers to be a merged ice body.

Fig. 6.

(A) Reconstructed paleo-glacial drainage and volume of “Terra Nova Ice Shelf”. No glaciers are flowing on the Northern Foothills (NF) at this time, but two glacial drainages and the topmost over-deepened cirque-shaped landforms indicate that there had been glacial outflows over the Gerlache Inlet (G) and Adelie Cove (A). Note that the thickly developed glaciers which came over the NF (400m) and dug into the troughs (-500m) originated from the East Antarctic Ice Sheet, not the small local glacier. (B) Reconstructed paleo-glacial mean thickness of “Terra Nova Ice Shelf” on each drainage. The thickness data of paleo-outlet glaciers were referred from cosmogenic isotope surface exposure dating during the LGM (Rhee et al., 2019, 2020, 2022a; Stutz et al., 2021).

섹터 a는 만의 북쪽에 위치하는 북빅토리아 랜드로부터 멜버른(Melbourne: M, 1), 바치(Vacchi: V, 2), 캠벨(Campbell: Ca, 3) 빙하가 흘러나왔으며, 서쪽의 북부 구릉지에서는 제를라슈 포(Gerlache Inlet)와 아델리 소만(Adelie Cove)으로부터 전진한 제를라슈(Gerlache: (G), 4), 아델리(Adelie: (A), 5) 빙하의 유역을 발견하였다(Fig. 5: profile e; Fig. 6). 이 섹터의 캠벨 빙하는 마지막 최대 빙하기 당시 약 90masl에 정체되어 있었기 때문에, 평균적으로 90m 높이와 430m 깊이, 총 520m 두께의 빙하가 형성되었음을 알 수 있다(Table 1; Rhee et al., 2019). 특히 제를라슈, 아델리 빙하는 현재 존재하지 않지만 고도 차가 900m인 지형을 형성할 정도로 두껍게 형성된 빙하이기 때문에, 소규모의 국지 빙하가 아닌 내륙의 동남극빙상으로부터 기원한 상당한 질량의 빙하였음을 알 수 있다.

만의 외부를 향하며 점진적으로 빙하의 유역 폭이 감소하였으며, 유역의 경계가 무너지며 빙체가 합류하는 모습이 나타난다(Fig. 5: profiles e, c, b, and a). 특히 가장 남쪽에 위치하는 아델리 빙하부터 점진적으로 북쪽에 있는 제를라슈 빙하, 캠벨 빙하 등의 유역을 흡수하며 각 해곡의 북쪽 사면 측하방이 개석되는 모습이 나타난다. 이러한 빙하 유역의 쟁탈을 통해 섹터 a의 남쪽에서부터 기원해오는 강력한 수평적 압축응력이 존재하였음을 알 수 있으며, 이 강한 응력은 가장 작은 규모와 질량을 가진 섹터 a의 빙하 흐름 방향에 강한 영향을 미치며 90˚가 넘는 굴절을 일으켰다(Table 1; Fig. 6).

섹터 b의 상류에는 헬게이트(Hells Gate: H, 6), 프리슬리(Priestley: P, 7) 빙하가 흘러나오고 있으며, 섹터 c의 북부에서 기원한 리브(Reeves: R, 8), 라르센(Larsen: L, 9) 빙하가 함께 흘러나오고 있으며, 테라노바 만 서쪽 내부로부터 동남극빙상의 빙하를 대규모로 유출시키고 있다(Fig. 5). 프리슬리 빙하가 마지막 최대 빙하기에 약 254m까지 성장하였기 때문에, 섹터 b의 빙하가 약 532m깊이, 약 786m의 두께의 빙하로 성장하였음을 알 수 있다(Table 1; Rhee et al., 2020). 하지만, 빙하의 형태는 지역에 따라 두께와 폭의 변화가 굉장히 복잡하게 나타났으며, 빙하의 흐름 방향 역시 섹터b-a의 관계와 마찬가지로 90˚에 가까운 강한 굴절의 흔적이 나타난다(Table 1; Fig. 6).

라르센, 프리슬리, 리브 빙하는 장애물이 없는 넓은 지역으로 흘러나와 난센 빙붕을 형성하였고, 유역의 확장과 함께 빙체가 수평적으로 분산되며 얇고 평탄하게 나타났다(Fig. 5: profile f). 반대로 헬게이트 빙하는 인익스프레서블 섬(Inexpressible Island)에 의해 빙하 유역의 폭이 제한되며 하방으로만 두껍게 성장하며 전진하였다. 테라노바 만의 중심부에서는 난센 빙붕이 수평적으로 강하게 압축되며 리브 빙하와 라르센 빙하의 합류가 일어났고, 유역 폭의 감소와 동시에 하방으로 깊게 파고든 빙체는 헬게이트 빙하보다 두꺼워지는 역전이 나타났다(Fig. 5: profile d). 또한 프리슬리 빙하는 강력한 횡압력의 영향으로 인해 헬게이트 빙하와의 측하방 유역 경계를 무너트리며 빙하의 합류와 유역 쟁탈을 일으켰다(Fig, 5: profile c). 섹터 b에서의 빙하 유역 쟁탈 역시 남쪽의 프리슬리 빙하가 북쪽의 헬게이트 빙하를 흡수함으로써 보다 남쪽에 위치한 더 큰 질량의 섹터 c 빙하로부터 응력이 전이되어 왔음을 알 수 있다(Table 1; Fig. 6).

섹터 c의 남부로는 동남극빙상의 중심에서 기원한 가장 큰 규모의 데이빗(David: D, 10), 클라크(Clarke: Cl, 11) 빙하가 유출되고 있다(Fig. 5: profiles g & h). 두 빙하는 막대한 질량과 규모(높이 220m, 깊이 667m, 두께 887m)를 갖고 테라노바 만의 해역으로 분출되었으나, 수평적으로 확장되지 않고 수직적으로만 두껍게 성장하며 북동쪽으로 전진하였다(Fig, 5: profile d; Stutz et al., 2021; Rhee et al., 2022a). 다른 섹터와 마찬가지로 약 45˚정도 만의 북동쪽으로 굴절, 전진하면서 보다 북쪽에 위치한 섹터 b의 리브, 라르센 빙하의 유역을 쟁탈한 모습이 나타나기 때문에, 섹터 c의 빙하 역시 남쪽에서 강력한 응력이 전달되었음을 보여준다(Fig, 5: profiles d to b).

모든 섹터의 빙하가 합류와 유역 쟁탈을 거듭하며 테라노바 빙붕으로 성장하였고, 빙붕은 북드라이갈스키 해곡을 형성하며 북동쪽의 서로스해로 흘러 나갔다(Fig, 5: profile a & Fig. 6A). 테라노바 빙붕의 폭은 점차 좁아지고 두께는 두꺼워지면서 만의 북쪽 사면을 향한 지속적인 측하방 침식을 일으켰고, 반대로 만의 남쪽 경계에는 빙하 운반 물질이 대규모로 퇴적되며 드라이갈스키 해퇴가 형성되었다(Fig. 5B: gray-colored sections). 해퇴를 형성한 빙하는 만의 남쪽에 나타나는 남드라이갈스키 해곡을 형성하며 전진해 온 남빅토리아 랜드 기원의 빙하이며, 운반 물질의 규모와 테라노바 빙붕의 변형도를 통해 빙하의 질량과 규모가 훨씬 더 큰 빙체였음을 알 수 있다(Fig. 6B).

5. 결론

빙해양 지형은 과거 빙하의 거동에 의해 해저에 발달한 지형으로 빙하 유역의 범위와 흐름 방향, 그리고 빙체 간의 물리적 상호 작용을 추적할 수 있는 단서가 된다. 본 연구는 아래와 같이 남극 로스해 저서의 수심자료를 활용하여 표면 거칠기와 수심 위치 지수 분석을 수행하고, 분석 방법의 활용도 평가와 다양한 규모의 지형을 탐지를 수행하였다. 드럼린, 거대 빙하 침식선형구조, 모레인 등의 선형구조 지형과 해저융기부, 해곡, 해퇴 등의 굴곡지형을 다수 발견하였으며, 빙해양 지형의 분포와 구조의 특성을 분석하여 고빙하의 존재를 발견하고 거동을 복원하였다.

1. 표면 거칠기 분석은 가장 작은 분석 범위(3*3)를 통해 선형구조의 지형과 굴곡구조 지형의 경계를 탐지하는데 적합하여, 다수의 거대 빙하 침식선형구조와 모레인, 드럼린, 빙하 접지대의 경계부를 발견하였다. 분석 범위를 증가시킬수록(> 7*7) 편차 값의 왜곡에 의해 과대 추정이 일어나는 등의 문제로 분석 목적에 부적합하다고 판단하였다. 가장 작은 분석 범위(1*10)의 수심 위치 지수 분석은 독립적으로 나타나는 빙해양 지형의 탐지에 가장 적합하였으며, 분석 범위(~10*100)의 조절에 따라 분출 빙하와 빙붕이 형성하는 다양한 규모의 해저융기부-해곡과 해퇴-해저분지를 모두 감지하였다.

2. 과거 테라노바 만을 가득 채운 고빙하, “테라노바 빙붕”의 존재를 발견하였다. 질량이 가장 큰 데이빗 빙하의 빙체는 육상 말단부의 지형에 의해 동쪽으로 분출이 제한되었으며, 다른 소규모의 분출빙하들은 만 내부를 향해 다양한 방향으로 흘러나왔다. 하지만 테라노바 빙붕의 남쪽에서는 남빅토리아 랜드에서 기원한 빙하가 남드라이갈스키 해곡을 형성하며 북쪽으로 전진해 오며 두 빙체의 접촉/충돌이 일어났고, 테라노바 빙붕의 유역을 북동쪽으로 변형시키고 쟁탈을 야기하였다. 남빅토리아랜드 기원의 빙하는 이 경계부에 다량의 운반 물질을 퇴적시키며 드라이갈스키 해퇴를 형성하였다. 이러한 빙하의 형태 변형과 유역 변화는 질량이 더 큰 빙하가 일으킨 강한 수평적인 빙하의 응력에 의해 발생한 수직적인 전단 변형으로, 각 섹터의 복원된 빙하 규모 역시 이를 뒷받침한다.

3. 테라노바 빙붕의 유역 중 북서쪽 내부 소규모의 만으로부터 분출되었던 고빙하, “제를라슈 빙하”와 “아델리 빙하”의 존재를 발견하였다. 이 빙하들은 현재 존재하지 않지만, 빙해양 지형의 분석을 통해 과거 빙하의 규모와 기원지를 유추할 수 있었다. 약 400m 높이의 육상지역(북부 구릉지)을 넘어 약 500m 깊이의 해곡을 형성할 정도로 질량이 크고 두꺼운 빙하였기 때문에, 구릉지에서 형성된 국지 빙하가 아닌 내륙에서부터 두껍게 성장, 전진해 온 동남극빙상의 일부로 추정된다. 또한 육상 빙하지형의 기록과 함께 복원된“테라노바 빙붕”은 두께가 평균 약 730m에 이르렀으며, 전체적인 부피는 약 6,550km³로 나타났다.

빙해양 지형의 분석을 통한 남극의 고빙하 복원은 빙하의 기원지에 관한 정보를 제공하고 빙하환경과 빙하 거동의 변화 과정을 제시함으로써 다양한 환경 권역 연구의 기반자료로 활용될 가치가 매우 높다. 또한 최적화된 빙해양 지형의 분석 기법은 극지의 다른 영역에서도 적용될 계획이며, 보다 확장된 범위에서 고해상도의 수심자료를 활용하게 된다면 전지구적인 스케일의 고빙하-고환경 복원 연구에 큰 도움이 될 것으로 평가된다.