해양 퇴적물의 주상시료 채취를 위하여 사용되는 자유낙하 코어러(free-fall corer, FFC)는 조사선의 윈치와 케이블이 필요없고 소형 조사선에서도 사용이 가능한 장비이다. 심해저 광물지원 탐사시 탐사효율을 높이고자 새로 개발된 피스톤형 자유낙 하 코어러는 KORDI-FFC라 명명되었다. 이 장비는 이 장비는 피스톤 코어러(piston corer)와 자유낙하 코어러의 장점이 조합된 채취기로, 열린 배럴의 중력 코어러(open barrel gravity corer)를 변조하여 만든 기존의 자유낙하 코어러의 단점이 보강되었고 양질의 시료가 채취되도록 설계되었다. 본 장비를 진해만과 제주부근 해역에서 4회에 걸쳐 투하한 결과 교란이 적은 표층 퇴적물 시료가 성공적으로 채취되었다. 시험 결과 본 장비는 심해저 및 천해저에서 원치와 케이클, 갑판의 A-frame, 또는 해상 크레인 없는 소형 선박에서도 사용이 가능하고, 또한 최단 시간에 퇴적물 시료를 채취하며, 본 장비의 사용과 동시에 선상에서 자유롭게 다른 작업을 할 수 있고, 제작 및 소모 비용이 저렴하며, 표층퇴적물의 교란이 적은 양질의 시료를 채취할 수 있는 장점이 있 다.
동해 울릉분지에서 채취된 피스톤 코어 시료의 퇴적상과 유기물 특성을 대비하였다. 코어 시료의 퇴적상은 크게 홀로세 생물교란된 뻘 퇴적상과 빙하기의 다양한(생물교란된, 엽리가 발달된) 뻘 퇴적상으로 구분되었다. 코어 시료의 유기물 특성은 총유기탄소함량과 퇴적물 밝기($L^{\ast}$), 석영 함량, 오팔A 함량을 대비하여 밝혔다. 총유기탄소함량은 퇴적물 밝기와 높은 상관계수를 가진다. 코어 시료의 석영 함량은 총유기탄소함량과 퇴적시기에 따른 상관관계의 차이를 보이는데, 이것은 퇴적기작 차이에 의한 것으로 해석된다. 그리고 오팔 A와 총유기탄소함량의 상관관계는 퇴적장소에 따라 차이를 갖는다. 동해 울릉분지 코어 시료는 총유기탄소함량과 퇴적물 밝기가 높은 상관계수를 갖는데, 이것은 초기속성작용의 영향이 크지 않았음을 지시하는 것이다. 후기 홀로세에서는 총유기탄소함량이 거의 일정한 구간에서도 오팔A 함량이 큰 차이가 나타나는데, 이것은 퇴적장소에 따라 고해양 생산력의 차이가 있었음을 지시하는 것이다.
울릉분지 남서부 해역에서 채취한 두 개의 피스톤 코어 (piston core) 시료를 이용하여 퇴적학 및 지화학적 특성을 연구하였다. 코어는 제4기말의 이질 퇴적물로 대부분 구성되어 있고, 테프라 (tephra layer)와 사질 퇴적물이 일부 협재되어 나타난다. 기존 확인된 울릉분지의 테프라를 이용하여 층서 대비를 한 결과, 두 코어는 대양보다는 높은 퇴적률 (10-12cm/kyr)을 갖는다. 이는 코어가 약 4만 4천년 전의 기록부터 시작하고 있음을 의미한다. 동위원소 층서 2 (마지막 빙기) 중에 형성된 구간에서는 저탁류의 영향을 많이 받은 여러 종류의 퇴적상들이 교호하여 나타난다. 코어의 하부 구간에서는 가스의 방출에 의하여 형성된 것으로 사료되는 수평균열이 다수 관찰된다. 두 코어에서 측정된 유기탄소 (organic carbon) 함량은 평균 $1.8\%$(0.1-4.5\%)$으로 열린 바다 (open sea) 퇴적물의 유기탄소 함량보다 높다. 이는 Termination I 시기 때 해수면 상승으로 인해 산소가 다소 결핍된 환경으로 전이되면서 유기탄소의 양이 증가하였음을 보여주는 것으로 해석된다.
울릉분지 퇴적물의 피스톤 코어 시료에 대하여 X-선 분말 회절분석과 리트벨트 방법의 광물정량 소프트웨어를 이용하여 구성광물을 정량적으로 분석하였다. 퇴적물은 세립질의 석영, 장석, 운모, 비정질 오팔-A, 점토광물, 방해석, 황철석 등으로 구성되어 있다. 이중에서 가장 많은 양으로 나타나는 것은 오팔-A이며, 심도 증가에 따라 함량의 점이적인 증가와 감소를 반복적으로 보여주고 있다. 오팔-A 함량의 심도별 변화와 유기탄소함량의 변화는 유사한 경향을 보여주고 있으며, 오팔-A의 함량이 많은 심도에서 규조각의 화석이 다량 산출되고 있다. 이것은 심해 원양성 환경의 규조각 등으로 구성된 비정질 규산광물이 울릉분지 퇴적물의 주 성분을 이루고 있음을 시사한다. 오팔-A는 코어의 상위구간으로 갈수록 증가되는 경향을 보여주는데, 특히 분지의 가장자리 사면부근에서 채취한 코어에서 상위로 갈수록 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타난다. 심도에 따른 탄산염 방해석의 함량은 오팔-A의 함량과는 반비례하는 경향이 나타난다. 이것은 해수면의 상승과 하강에 따라 해수면 상승기에는 오팔-A가 증가하며, 하강기에는 오팔-A가 감소하고 방해석의 양이 증가한 것으로 해석된다.
정부는 2005년부터 가스하이드레이트 개발사업단을 발족시켜 국내의 가스하이드레이트 부존 형태와 매장량 평가를 위해 노력하고 있다. 2005년 2차원 정밀 물리탐사, 심해 퇴적물 채취 및 다각적 분석연구사업이 수행되었고, 2006년도에는 3차원 물리탐사, 개발기술을 위한 연구 및 지질재해${\cdot}$안정성 연구 등이 수행되었다. 또한 2007년 상반기에 동해 지역에서 해저면 표면에서 피스톤 코어를 이용하여 실물 샘플을 채취하는 데 성공하였다. 기존에 취득된 다양한 자료를 면밀히 분석하고 해석한 결과를 바탕으로 2007년도 하반기에 시추를 진행 중에 있다. 시추를 통하여 동해지역의 가스하이드레이트의 부존 형태 파악 및 추정 매장량을 산출할 수 있는 좋은 결과가 취득될 것으로 기대하고 있다. 시추는 다양한 검층 및 압력코어 시스템을 포함한 코어채취가 수행되고 있다. 취득된 시추 결과를 이용하여 사업단은 가스하이드레이트 개발을 위한 보다 나은 결과를 도출한 것이며 이를 통해 미래 에너지원의 확보 및 자원 강국으로 가는 초석을 마련하게 될 것으로 기대한다.
제4기 후기의 층서와 퇴적환경 변화를 조사하기 위하여 울릉분지 남서부 해역에서 채취한 푸 개의 피스톤 코어 시료를 분석하였다. 코어는 이질 퇴적물이 주종을 이루었고 일부 사질 퇴적물 및 테프라층(tephra layer)으로 구성되어 있다. 이미 확인된 울릉분지의 테프라층을 이용하여 층서 대비를 한 결과, 코어는 약 46,100년의 층서 기록을 보이며, 마지막빙기 동안의 퇴적률(12.1~14.9 cm/kyr)은 대양보다 높은 편이었다. 동위원소층서 2 동안 퇴적된 시료구간에서는 저탁류의 영향을 받은 몇 종류의 퇴적상이 교호하여 나타난다. 코어 00GHP-07의 하부구간에서는 가스 방출에 의하여 형성된 것으로 보이는 수평균열 구조가 관찰된다. 시료의 총유기탄소(TOC) 함량은 전체적으로 매우 높다(평균1.8%). 특히 총유기탄소의 값은 Termination I 동안 증가하는 추세를 보이는데, 이것은 이 기긴 동안 남서부 울릉분지가 산소가 다소 결핍한 환경으로 전이하였음을 의미한다.
한국건설기술연구원(KICT)에서는 트리플 코어 바렐의 원리를 적용하여 기존의 연약지반 뿐만 아니라 사질토 및 풍화토 지대에도 적용이 기능한 대구경 샘플러를 개발하였다. 특별히 제작된 시료 절단 및 추출 장치는 다양한 종류의 채취 시료에 적용하여 시료의 교란을 최대한 방지 할 수 있도록 고안되었다. 샘플러 두부에는 적절한 강성의 스프링을 설치하여 슈(shoe)와 비트(bit) 사이의 거리가 변화하도록 하여 대상지반의 강성에 맞추어 효과적인 시료채취가 가능하도록 하였다. 대구경 샘플러의 적용성을 확인하기 위하여 일반적으로 시용되는 피스톤 샘플러와 대구 경 샘플러를 이용해 여러 대상지반에서 채취한 시료의 교란도를 비교 분석하였으며, 다양한 공학적 특성 또한 비교 분석 하였다.
제4기 후기의 세립질 퇴적물의 층서와 테프라층의 특성을 연구하기 위하여 동해의 울릉분지 북서부 해역에서 세 개의 피스톤 코어를 채취하여 분석하였다. 코어퇴적물은 대부분 이질 퇴적물로 이루어져 있으며, 부분적으로 화산재 입자들이 협재되어 있다. 세립질 실트는 반원양성 이토와 저탁류 이토로 나뉜다. 반원양성 이토는 생물교란 이토와 약엽리 이토로 구성되어 있다. 반면 저탁류 이토에는 엽리 이토와 균질 이토가 지배적이며, 들 퇴적물들은 간혹 비저탁류 퇴적물과 교호한다. 현미경 관찰과 EDX 분석결과에 의하여, 울릉-오키(U-Oki; ca. 9.3ka), 아이라-탄자와(AT;ca. 22~24.7ka) 및 울릉-야마토(U-Ym; ca. 25~33ka) 테프라층을 코어에서 동정하였다. 이 중에서 울릉도 기원인 U-Oki층과 U-Ym층은 알칼리 장석류와 함께 대부분 괴상의 유리질 입자로 구성되어 있다. 두 울릉도 기원의 테프라층은 버블형과 판상형의 유리질 입자로 이루어진 일본 기원의 AT층에 비하여 SiO$_2$ 함량이 평균 14.2~14.4wt.% 낮으며 $Na_2$O+K$_2$O 함량은 평균 6~7wt.% 높다. 특히 U-Oki층은 U-Ym층에 비하여 매우 두껍고 세 종류의 층서 단위(stratigraphic unit)를 보다 분명하게 보이고 있는데, 이는 상대적으로 크고 연속적인 화산쇄설물의 분급작용에 의하여 형성된 것으로 보인다. 따라서 기원전 7,300년의 U-Oki층을 형성한 화산분출이 U-Ym층의 분출 때보다 주변 퇴적환경에 더 큰 영향을 준 것으로 생각된다.
부산항 부근에서 피스톤식 시추기로 채취된 2개의 세려질 현생퇴적물코어에 대한 음파전달속도와 다른 물리적, 퇴적학적 특성이 측정되었다. 본 연구를 위해 특별히 제작된 실험 보조장치는 성공적으로 작동하였으며, 전통적인 속도측정방법인 수은기둥을 이용한 방법과 디지탈 오씰로스코우프를 이용한 시간차 방법 모두의 측정값이 측정오차 한계인 $1\~2\%$ 이내인 것으로 확인됨으로써 어느 방법이라도 미고결 해저퇴적물의 속도측정에 이용될 수 있음이 증명되었다. 코어에서 직접 측정된 음파전달속도는 약1.540-1.635km/s로서 바로 인접지역에서 탄성파를 이용하여 간접적인 방법으로 계산된 수치인 1.480-1.540km/s 보다 약 $4\~6\%$ 정도 더 빠른 것으로 나타났다. 이러한 차이는 직접측정의 측정오차 한계인 $2\%$를 훨씬 능가하는 것으로 2가지 상이한 측정방법의 근본적인 차이점에 기인한다고 볼 수 있다. 이러한 결과는 기존 탄성파 자료뿐만 아니라 장래에 수행할 각종 해상 탄성파 탐사시 층후계산에 필수적으로 고려해야 할 사항으로서 중요성을 내포한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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