자연과학의 이해
강원대학교 지질학과
정대교
제 1장 서론
•
제 4기 정의: 1.8 Ma ~ 현재, Hominid의 진화 시대, 빙하, 간빙기의
시대, 미고화 퇴적층의 축적 시기
• 1. 제4기 빙하작용
• 남극빙하의 형성: 20 Ma 시작
• 북미 대륙: 2.4 Ma 에 성장 시작: 지구 자전축의 기울기 변화 관련:
느린 형성, 빠른 소멸
• 2. 해수면 변동
• 최대 빙하: 4km 두께까지 축적, 기반암 침강, 빙하 용융 후 융기:
isostatic readjustment
• 최대 빙하기: 지구 전체 물의 5.5%가 빙하로 전환(현재는 1.7%):
해수면 150m 하강: glacio-eustatic sea-level fluctuation
• 3. 해양에서의 지구환경 변화 증거
• 빙하 자체의 증거는 250,000 년 정도 기간의 해수면 변화만 기록
• 나머지 자료는 해양에서 획득: 퇴적물, 미화석
• 저서성, 부유성 석회질 유공충의 산소동위원소, 미량원소 자료: 표층,
저층의 해수온도, salinity
• 4. 육상에서의 지구환경 변화 증거
• 하성, 호수 퇴적물, 동굴, 사막 퇴적층, 동식물 변화 자료: local.
global 자료 제공
• - 인류 기원, 진화, 이동 기록
• 5. 대기 순환과 해양 순환
Instrumental Temperature Record
very limited perspective…
“global” coverage to 1880
individual to 17th century
(NASA’s Goddard Institute)
Global temperature: past 1800 yr
(Mann et al., 2003)
Recent warming above natural levels (?)
But past 1800 yr not very different…
Past 65 Ma
Deep sea temp & global ice volume
(Zachos et al., 2001)
GRIP Core Record
Last Glacial Maximum
(~20 ka)
Why the emphasis on the LGM?
• relatively easy to find & sample LGM deposits
• represents a relative extreme of Earth’s climate
• modern climate mechanisms all active
Ocean is vital part of Earth’s climate system
Ocean sediments often provide continuous
record of climate
• Continuous rain of sediment
• Microfossils are useful recorders
• Little energy in deep sea
Ocean records represent large areas
• Well-mixed
• High heat capacity
• No microclimates
Seafloor age limited (max ~180 Ma)
Sedimentation rates usually low
(typically 0.1 - 3 cm/kyr)
Gravity Core (~5 m long)
Piston Core
(to ~50 m)
Glomar Challenger
DSDP (1968-1983)
Ocean Drilling
(to ~2 km)
JOIDES Resolution
ODP (1985-2003)
Chikyu
IODP (2003-)
Direct radiochemical dating
14C:
CaCO3, Corganic (to ~40 ka)
U-Th: aragonite (to ~300 ka)
K-Ar: volcanic ash (>100 Ma)
Cross-correlation dating
Ocean isotopic composition
Magnetic polarity
Biostratigraphy
Geochemical paleotemperatures
(Lynch-Stieglitz et al., 1999)
(Shackleton et al., 2004)
Biological paleotemperatures
(after CLIPMAP, 1976)
Ocean paleochemistry
Terrigenous sedimentology
ice-rafted debris
wind-blown dust
Ice Cores
• Subannual resolution
• Paleo-atmosphere
• Geographically & temporally
limited
Greenland to 120 ka
Antarctica to 750 ka
Glacial and periglacial features
• freeze-thaw structures
• moraines and snowlines
Little Ice Age moraine, Novaya Zemlya
Lake Cores
• Good recorders of pollen
• Often varved
• Dessication: E-P
Cave Deposits
• U-Th dateable
• d18O link to oceans, ice
(Wang et al., 2001)
Tree Rings
• Annual temperature, drought records
• Cross-correlation by dendrochronology
Other terrestrial archives:
Loess
Packrat middens
Caliche
Leaf shapes, stomatal densities
Mammal teeth
Groundwaters
General Circulation Models (GCMs)
• computer simulations of climate
• various levels of complexity
• provide insight into mechanisms of change
• provide predictions for future climate
Tectonic scale change
(100 kyr - 10 Myr)
• Seaways
• Volcanism/weathering
(Zachos et al., 2001)
Orbital scale change
(10-100 kyr)
• Quasi-periodic
• Major periodicities ~23, 41, 100 kyr
Abrupt change
(10 yr - 10 kyr)
• Sudden shifts & transients
• Catastrophes & thresholds
제4기 지질, 지형의 형성 요인
• 1. 빙하의 생성과 후퇴에 따른 빙하지형
• 2. 해수면 변화에 따른 해안 지형 변화
• 3. 급격한 기후변화에 따른 하성, 호수
사막환경 및 하안지형 변화
• 4. 지하수위 변화에 따른 동굴과 카르스트
지형 변화
해수면 변화
• Sea level Change
• Absolute sea level change, relative sea
level change
• Eustatic, Isostasy: isostatic movements
• Glacio-eustatic
• Hydro-isostasy, glacio-isostasy
• Marine transgression, regression
• Progradation, retrogradation, aggradation
해수면 변화, 해안지형 변화
• 신생대 해수면: 전지구적 해수면 변화의 일부
• LGM: 80-160m below present(상승속도:
8m/1000y), 전 빙하 용융 시: 65m 상승
• 해수면 변화 요인: tectonic, glacial, other
• 1st – 5th order cycles: 1st: 200-300 MY(2), 2nd: 1080MY(14), 3rd:1-10MY(80), 4th: 0.2-0.5MY, 5th:
10,000-100,000Y
• Hightest: 65 Ma(end of Cretaceous), Lowest:
30Ma(M. Oligocene)
해수면 변화 mechanism, scale and rate
• Seafloor spreading (500m, 1cm/1,000y),
crustal deformation (40m, 0.2cm/1000y),
glacial isostatic rebound(0.1-10m)
• Glacial accretion and wastage(150m,
8m/1000y)
• Ocean steric(thermohaline), groundwater
aquifer, lakes and reservoirs: 0.1-10m
• Sedimentation in ocean basin(1-100m,
0.2cm/1000y)
해수면 변화에 따른 해안지형 변화
• 해수면 기준 10m 상하 해안지역이 파도의
영향을 주로 받는 지역
• 해안단구의 발달: 조수의 차이에 의한
풍화작용 또는 파도의 침식을 받아
해안대지(shore platform)를 형성- 빠른
해수면 변화 시 계단식 해안대지를 형성
• 강어귀나 만 형태의 해안에서는 사주의
발달에 따른 석호, 연안사주의 형성
한반도 해안 및 해안단구
• 단구: 완만한 경사의 산사면에 대체로 평탄한
지형으로 형성
• 급경사의 단애로 인해 계단형태의 지형을 띰
• 포항에서 북쪽 방향으로의 동해안을 따라
5단까지 발달: 하부 3단은 식별이 용이하나
상부 2단은 곤란
• 제1 단구: 고도4m 정도, 중립-세립의 자갈로
구성
• 제2 단구: 고도 10-15m, 가장 뚜렷한
계단형태의 단구지형, 단구면은 해안에
평행하게 연속으로 발달, 3-5m 두께의 세립중립 자갈, 최상부는 점토층으로 피복
• 제3 단구: 고도 40m 정도, 완만한
경사면 형성, 원마도 좋은 단구층
• 제 4단구: 고도 50-60m, 완만한
경사면 으로 단구 형태 구분이 곤란,
풍화를 심하게 받은 원마도 양호한
자갈 산재, 고기 단기 위치
• 제 5 단구: 고도 70-80m, 제 4단구와
유사, 극히 일부만 보존, 원마도
양호한 자갈 산재
하안단구(river terraces)
• Unpaired terraces: rapid incision by
rapid base-level change
• Paired terraces: meander with lateral
migration and cut and fill
• 한강 하류, 홍천강에서 보고: 선사시대
유적 포함
2) Lichenometry
• Licken: fungus의 일종으로 광합성을 하는
기생식물
• 전세계적으로 13,500 종이 알려져 있음
• 적용 age range: 최대 9,000년(극지),
1,000년(온대), 통상 0-500년
• Paleoseismic application
제4기 지구환경 연구 방법
• Ice core: Greenland – GISP, GRIP,
Antarctica – Vostok(2,500m 이상, 220ka),
High mountains - Peru, Tibet, Alaska, Alps
• Terrestrial: lakes – ICDP(Baikal, Malawi,
Qinghai), caves, loess, rivers
• Deep marine: DSDP, ODP, IODP
• Polar research: soil, sediment, sea ice
Ice Core
• Greenland: first , Camp Century(1966),
Dye3(1981) and Renland(1988)
- GRIP(Greenland Ice-core Project) by European
Science Foundation: 3029m in 1992(reached
bedrock)
- GISP(Greenland Ice Sheet Project) by North
America: 3053m in 1993
• Antartica: Byrd Station(1968), Dome C(1979),
Vostok Station(1985, 2900m)
Ice mass as paleoenvironmental archives
• Annual increment: balance between
accumulation and ablation over the course of a
year – reflecting amount of winter snowfall and
degree of melting(summer temperature)
• Aerosol particles and other exotic material –
volcanic, desert sources, a variety of trace
substances, microbial or other biological
materials(pollen and fungal spores)
• Trace gases(CO2, CH4) trapped in minute air
bubbles: evidence of short- and long-term
changes in atmospheric gas composition and
stable isotopes(oxygen) – a proxy for climatic
change and a basis for correlation between
marine and terrestrial records
• Natural and artificial radioactive isotopes:
independent means of dating ice cores
Polar research
• 지구환경변화에 민감하게 반응하는 지역
• 과거 지구 고기후, 고해양 변동기록을 초고해상도(ultrahigh resolution)로 복원 가능
• 연구대상:
- 남북극해 해양퇴적층 시추자료를 이용한 고해양학적
자료 분석 – 안정동위원소를 포함한 지화학적 분석, 규질
미화석, 퇴적물 기원, 퇴적상 분석을 통한 glaciomarine을
포함한 퇴적환경 복원
- 호수 시추 퇴적층 및 토양을 이용한 분석: 미화석 및
glaciolacustrine 퇴적과정 및 퇴적상 분석, tephra 층서
연구, 토양 기원 및 patterned ground 연구
- 해빙(sea ice) 변화 monitoring 연구: 위성 자료 활용 10년
단위, 50년 단위 변화 추적 및 규조 연니층과 대비
동굴생성물을 이용한 고기후 연구
• 1960 초반 이후 동굴생성물(aragonite, calcite)를 이용한
고기후 연구 증가: O18/O16, 미량원소, 성장띠 두께,
luminescence, 화분, 진드기 분석
• 현재까지의 연구: 석순을 주 연구대상으로 하나, 그 외 종유석,
유석, 종유관 대상으로도 실시함
• 해외 연구사례: Holocene Vendo Cave (Lachniet et al., 2004),
중국 Hulu Cave, Dongge cave (Wang et al, 2001, Cheng et
al., 2006)
• 장점:
- Th230/U234을 이용한 정확한 연대측정 가능
- 여러 대륙에 걸쳐 석회동굴 발달되어 있어 다양한 자료 획득
가능
- 고해상도 지화학 분석을 통해 연간, 계절간 변화 추정 가능
- 생성 후 속성작용에 의한 변질 정도가 낮음
Cave Deposits
• U-Th dateable
• d18O link to oceans, ice
(Wang et al., 2001)
Loess(wind-blown sediments)
• Silt size: evidence of cyclical climatic change
reflecting cold stages(interspersed w/ episodes
of soil formation during warm stages
• Accumulated in marines and ice cores
• Covers 10% of earth’s land surface: ‘Loess
Plateau’ of North China (100-300m thick,
275,600km2), central Asia, central Europe as a
discontinuous belt from northern France to
Ukraine, Great Plains of N.A., Pampas of
Argentina & Uruguay
• High carbonate content up to 40%, clay
minerals, heavy minerals
• Second order loess bed with pedogenic features
• Coarse grain size (reflected in low magnetic
sigals), geochemical(Si, Ca, Fe, K, Mn) and soilmicromorphological evidence of arid phase
• Increased influx of loess(lower magnetic
susceptibility): dominant winter monsoon
• Pedogenic development reflects an intense
summer monsoon
Deep sea sediments
• Undisturbed terrigenous from lands and biogenic
sediments(ooze) of calcareous, siliceous
skeletal remains of micro-organisms
• Terrigenous sources: wind-blown, ice-rafted
debris(IRD, Heinrich layers, up to 40% of
sediments of Quaternary cold stages),
submarine volcanoes, meteorites
• Heinrich layers: episodic deposition of IRD in
North Atlantic(45N) from icebergs drifting
eastwards from margins of Laurentide ice sheet.
• Marine ooze: fine grained, dominated by
biogenic material consisting of carbonaceous
and siliceous micro-organisms, characteristic of
interglacial, warmer stages.
• Recording ocean circulation, ocean water
temperatures, and by implication, air
temperatures throughout Quaternary.
• Chemical(Al, Ca, Ba, Cd, U, Mg, Fe) and
isotope(Carbon, Oxygen, U) data of marine
organisms: reflects ocean circulation, nutrient
supply, water temperature, and detailed
evidence for environmental change during the
last 2 Ma
• D18O/16O: dependent on two main factors –
temperature and isotopic composition of sea
water during secretion
• Isotopic fractionation of temperature in marine
carbonate fossils: 0.23 per mil per 1 degree
• Standard samples for D18O/16O: PDB
(belemnite carbonate shell from Cretaceous
Peedee Formation of South Carolina) for
carbonate and SMOW(Standard Mean Ocean
Water) for water, ice, and snow
• 0 per mil: surface ocean water, -10: low latitude
regions, -20 – 30: 50-60N, -60: polar ice sheet
• Isotopic differences between interglacial and
glacial stages: 0.47 ~1.37 per mil (max. -0.9 ~ 2,4)
• Some ocean surface of glacial stage from
planktonic in deep-sea sediment core: 1~1.5 per
mil positive than at the present
• Benthic: more positive: range +2.5 ~ + 5.0 per
mil