태안 마도3호선 잔존과 퇴적물 물성의 연계성

1. 서 론

난파선이 해저에 잔존하는데 있어서 해류와 조류 등 유수의 작용에 직접적인 영향을 받을 뿐 아니라 해저를 구성하는 퇴적물 조성에도 지대한 영향을 받는다. 특히 우리나라의 난파선의 경우 대부분 서해 갯벌에 묻혀 있는 상태로 발견 되었는데, 이는 퇴적물의 물성과 환경이 난파선의 잔존에 있어서 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

국내외에서 난파선 주위의 퇴적환경과 재질에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있다. Grosso [1]는 난파선 Swift가 위치한 주변 지역을 대상으로 해양생물과 퇴적환경이 목재유물의 상태 변화와 잔존가능성에 미치는 영향에 대해 연구하였으며, Larcombe et al. [2]는 호주 Great Barrier Reef에 위치한 난파선인 Pandora가 조류에 의한 퇴적작용에 의해 매몰되는 과정을 알아보았다. Björdal and Nillsson [3]은 해양퇴적물 내에서 나무편의 부식과정에 대한 장기적인 연구를 수행하였는데, 이들은 다양한 종류의 나무편을 다양한 심도에 매몰시켜 6, 12, 24, 36개월 마다 육안과 현미경 검사를 통해 매몰 깊이가 깊어질수록 부패가 적게 나타나는 것을 확인하였다. 국내에서는 Park [4]은 다양한 나무 편의 물성연구와 목재선박의 침몰조건, 퇴적물의 유무에 따른 잔존조건 등의 연구를 수행하였다.

또한, 퇴적물에 따른 난파선의 잔존 가능성에 대해서도 연구가 되어졌는데, Gregory [5]에 퇴적물 물성에 따라 수중유물 및 난파선의 보존가능성에 대한 등급을 매겨 맵핑하는 연구를 수행하였다.

이밖에도 수중문화재 탐사를 위한 퇴적물 물성분석 연구도 진행되고 있는데, Kim et al. [6]은 퇴적물의 물성분석 연구를 통해 수중문화재 탐사에 사용되는 장비의 적절한 운용법에 대해 연구했으며, Ko et al. [7]는 진도 해역의 퇴적물 물성 분석을 통한 수중문화재 탐사기법 기초연구를 수행하였다.

앞선 연구에서는 퇴적물 물성과 환경이 난파선 잔존에 많은 영향을 주는데도 불구하고 실제 난파선 잔존지역에 대한 퇴적물 물성에 대한 연구는 거의 진행되지 않았다.

본 연구에서는 퇴적물 물성과 환경이 난파선의 잔존에 미치는 영향을 알아보기 위해 충남 태안 신진도리 해상에 위치한 태안 마도3호선 주변 지역의 퇴적물을 채취하고 전밀도, 함수비, 공극률, 전단강도, 초음파속도, 입도분석, 퇴적률분석, 탄소연대측정 등을 수행하였으며, 이를 통해 태안 마도3호선 잔존과 퇴적물 물성의 연계성에 대해 알아보고자 한다.

2. 시료위치 및 해양환경

2.1 시료위치

퇴적물 시료를 채취한 위치는 Figure 1과 같으며 빨간색 사각형은 태안 마도3호선의 위치이다. 시료는 코어시료 3개 표층시료 6개를 채취하였다. 코어시료의 경우 진동식 시추기를 이용하여 채취하였으며, 표층시료의 경우 그랩 채취기를 이용하여 채취하였다.

Figure 1:

Samples location (Daum Map)

3. 퇴적물 분석 결과

3.1 주상시료의 퇴적상 분포

VC01 주상시료의 퇴적상 분석을 위해 절개된 코어 단면을 정리하여 입도, 퇴적구조 및 구성 물질 등을 관찰, 기재하여 Figure 2와 같이 퇴적주상도를 작성했다. 전체적으로 VC01은 퇴적구조의 발달이 불량한 괴상의 이질 퇴적층으로 구성되나, 약 150 ㎝ 심도를 경계로 약간의 퇴적상 차이가 인지된다.

Figure 2:

Sedimentary column map and facies analysis of VC01

3.2 주상시료의 밀도

주상시료의 깊이에 따른 퇴적물의 밀도를 측정한 결과 Figure 3(a)와 같은 결과가 나왔다. 전밀도는 VC01에서 1.55~1.73ｇ/㎤의 범위를 보이며, 0~50 ㎝ 구간까지는 감소했다가, 50~100 ㎝ 구간에서는 증가했으며, 100∼150 ㎝구간에서는 다시 감소하였으며, 그 이하에서는 약간 증가하는 경향을 보이다 350 ㎝에서 감소한다. VC02에서는 1.63∼1.87 ｇ/㎤ 의 범위를 가지며, 0∼50 ㎝에서 밀도가 크게 증가하였다가 100 ㎝ 구간에서 감소하였다. 100~150 ㎝구간에서 밀도가 증가하였으며 일정하게 유지되다 250 ㎝구간에서 감소했다가 300 ㎝구간에서 다시 증가한다. VC03에서는 1.60~1.82 ｇ/㎤ 의 범위를 보이며, 0∼50 ㎝ 구간까지는 증가했다가, 50∼150 ㎝ 구간에서는 감소하는 경향을 보이며 200 ㎝에서 다시 증가하였다가 250 ㎝구간에서 감소하였으며 그 이하에선 증가하는 경향을 보인다. VC01의 평균 전밀도는 1.66 ｇ/㎤ 이며, VC02는 1.69 ｇ/㎤, VC03는 1.71ｇ/㎤ 의 값을 가진다.

Figure 3:

(a)Bulk density of core sample, (b)Ultrasonic of core sample, (c)Water content of core sample, (d)Porosity of core sample, (e)Shear strength of core sample

3.7 시료의 입도분포

퇴적물의 입도분석 결과를 Gravel, Sand, Mud로 분류한 후(Figure 4, Figure 5) Folk’s 분류법으로 표시하였다(Figure 6, Figure 7). 또한 입도분석 결과를 이용하여 평균입도, 분급, 왜도, 첨도를 산출하여 표층시료는 Table 1에 주상시료는 Figure 8에 나타내었다. Figure 4는 주상시료의 입도분석 결과로 대부분의 퇴적물이 점토 또는 모래질 점토로 구성되어 있으며, Figure 5는 표층시료의 입도분석 결과로 대부분의 퇴적물이 점토질 모래로 또는 모래질 점토로 구성되어 있는 것으로 확인되었다. 표층퇴적물의 통계학적 분석결과 평균 입도는 3.654~4.510Φ로 극세립사 (very fine sand)~조립실트 (coarse silt)에 해당하며, 분급은 1.207~1.812Φ로 불량분급 (Poorly sorted)이며, 왜도는 0.474~0.648로 매우 세립한 왜도 (Strongly fine skewed)로 나타났으며, 첨도는 1.392~1.651로 뾰족한 첨도 (Leptokurtic)~매우 뾰족한 첨도 (Very leptokurtic)에 해당한다. 이상을 종합해 볼 때 연구지역을 덮고 있는 두께 약 3.5 m의 상부퇴적물은 주로 중립실트(Medium silt)로 구성되어 있으며, 분급은 불량 분급을 보인다. 양의 왜도를 보이며, 뾰족한 첨도를 보인다.

Figure 4:

Grain-size distribution of core sample

Figure 5:

Grain-size distribution of surface samples

Figure 6:

Triangular composition used the Folk’s classification of the sediment cores

Figure 7:

Triangular composition used the Folk’s classification of the grap sample

Table 1:

Statistical analysis of the grap sample

Figure 8:

Statistical analysis of the sediment core

퇴적물에 대한 통계학적 분석결과 VC01의 평균입도는 5.424~5.751 Φ 로 중립실트 층을 보이며, 분급은 1.593~1.897 Φ로 불량분급에 해당한다. 왜도는 0.279 ~ 0.367로 세립한 왜도(Fine skewed)~매우 세립한 왜도에 해당하며, 첨도의 경우 1.378~1.451로 뾰족한 첨도로 나타났다.

VC02의 평균입도는 4.355~5.630 Φ로 표층에서는 조립실트를 보이며, 그 이하에서는 평균적으로 중립실트층을 보였다. 분급은 1.536~1.822 Φ로 불량분급에 해당하며, 왜도는 0.255~0.535로 세립한 왜도~매우 세립한 왜도이며, 첨도의 경우 1.384~1.500으로 뾰족한 첨도로 나타났다.

VC03의 평균입도는 5.444~5.956 Φ로 중립실트층을 보이며, 분급은 1.526~1.700Φ로 불량분급이고, 왜도는 0.294~0.380으로 세립한 왜도~매우 세립한 왜도(로 나타났다. 첨도의 경우 1.355~1.433로 뾰족한 첨도로 나타났다.

3.8 주상시료의 납 동위 원소 분석

주상시료 VC01을 사용하여 퇴적률 분석을 실시하였다. 상부 50㎝ 구간에 대해 약 5㎝ 간격으로 퇴적물을 채취하여 알파선분광분석법에 의한 ²¹⁰Pb 총 방사능을 측정하였다. 측정은 한국기초과학지원연구원 환경과학연구부에 의해 수행되었다. 주상시료 VC01의 깊이에 따른 ²¹⁰Pb 총 방사능의 분석 결과는 Figure 9에 나타내었다.

Figure 9:

Distribution of total radioactivity 210Pb according

코어 퇴적물의 ²¹⁰Pb 총 방사능은 전체적으로 14.6~23.6mBq/g의 범위를 보이며 최하부 시료에서 가장 작고 중하부의 35㎝ 깊이에서 가장 크게 나타난다. 일반적으로 퇴적층의 ²¹⁰Pb 총 방사능은 깊이에 따라 감소하는 경향을 보이며 이러한 깊이에 따라 감소하는 함수식을 이용하여 퇴적률을 계산한다. 그러나 주상시료 VC01의 ²¹⁰Pb 총 방사능의 분포는 대체로 깊이에 따라 다소 혼란스런 분포를 보여준다. 표층으로부터 깊이 25 ㎝까지는 약 20 mBq/g 내외를 유지하다가 30~45 ㎝까지는 이보다 약간 높은 약 23 mBq/g 내외를 보인다. 최하부에서는 급감하여 최소에 이른다.

깊이에 따라 ²¹⁰Pb의 감소 경향이 나타나지 않는 주된 요인은 퇴적물 교란에 있다. 퇴적상에서 관찰된 바와 같이 전체적으로 코어 퇴적물은 생물교란 작용의 영향이 크게 나타나며, 특히 최상부 구간에서 보다 현저하게 관찰되고 있다. 부분적으로 잔존하고 있는 서관구조에서 보듯이, 생물교란 작용은 저서생물에 의한 것으로 판단된다.

한편 깊이 16 ㎝를 지나면서 감소 경향을 보이나 30~45㎝ 구간에서는 총 방사능이 다시 증가하여 대체로 일정하게 유지되고 있다. 상부에 비해 다시 증가되는 경향의 원인을 정확하게 파악할 수 없으나 교란에 의한 것은 분명하다. 특히, 이 구간은 상부와 총 방사능 값의 차이가 크게 나타나고, 깊이 15 ㎝에서 25 ㎝를 거쳐 50 ㎝로 이어지는 감소 경향선에서 벗어나 있다(Figure 9). 따라서, 30~45 ㎝ 구간을 제외하고 깊이 15 ㎝ 이하에서 인지되는 ²¹⁰Pb 총 방사능의 감소경향성을 기초로 퇴적률을 산정하였다.

16~55 ㎝ 구간의 ²¹⁰Pb의 log 값과 깊이에 대한 회귀직선식은 식 (1)과 같이 표시된다.

$\[ \mathrm{l}\mathrm{n}{\left({}^{210}Pb\right)}_z=3.228-0.011z \]$

(1)

퇴적률 계산식에 따라 최종 산정된 퇴적률은 2.84 ㎝/year이다.

4. 고 찰

태안 마도3호선이 발견된 지역 인근의 퇴적물 물성 분석결과 태안 마도3호선이 매몰되어 있는 깊이 150 cm 하부에서는 퇴적물 물성변화가 크게 나타나고 있지 않다. 이는 태안 마도3호선이 침몰될 당시 비슷한 물성을 가지는 퇴적물이 계속하여 유입되었음을 나타낸다. 태안 마도 3호선이 위치하고 있는 깊이 150~300 cm 퇴적물의 평균 물성은 전밀도 1.69 ｇ/㎤, 초음파 속도는 1.70 ㎞/ｓ, 함수율 36.8%, 공극률 61.6%, 전단강도 81.78 ㎪ 등으로 나타난다. 전밀도와 초음파 속도, 공극률의 경우 일반적인 해양퇴적물의 물성과 유사하나 함수율은 낮은 편이다. Florian [9]에 따르면 함수율은 해양유물의 품질저하에 많은 영향을 주는데, 이 지역의 낮은 함수율이 태안 마도3호선 잔존하는데 기여한 것으로 보인다.

전단강도의 경우, Gregory [5]의 분류에 따르면 Firm Clay 로 분류되는데, 이는 지내력(bearing capacity)이 낮은 편으로 퇴적물이 수중에서 비교적 쉽게 이동하여 유물이나 난파선을 빠르게 감쌀 수 있어 보존에 유리한 환경을 가진 것으로 보인다.

주상시료 입도분석 결과, 퇴적층은 주로 점토(M) 또는 모래질 점토(sM)와 같은 작은 입자로 구성되어 있어 파도나 조류 등에 이해 쉽게 운반되어 퇴적될 수 있었을 뿐만 아니라, 산소 침투로 인한 목재의 부패를 억제할 수 있었던 것으로 보인다. Gregory [5]는 입도분석 결과를 이용하여 유물의 보존가능 등급을 1~19 등급으로 구분한 바 있다. 여기서 1등급은 보존에 매우 유리한 환경을, 19등급은 매우 불리한 환경을 의미한다. 입도분석 결과를 이용해 이 지역의 보존가능 등급을 매길 경우, 표층은 점토질 모래(mS)로 3등급이며, 태안 마도 3호선이 위치한 깊이 150 cm 이하는 점토(M) 또는 모래질 점토(sM)로 1~2 등급으로 분류되어, 태안 마도 3호선이 비교적 온전한 상태로 잔존한 것으로 생각된다.

납 동위 원소 분석은 ²¹⁰Pb의 양이 감소하는 경향의 기울기를 이용하여 퇴적률을 분석한다. 하지만 50 cm 아래의 깊이에서는 ²¹⁰Pb의 양이 일반적으로 일정하게 유지되어 퇴적률을 구하는 데 사용하지 않는다. 납 동위 원소 분석을 통해 얻은 VC01의 표층 퇴적률은 2.84 ㎝/year이다. Sakellariou et al. [10]은 0.1 ㎝/year 이상을 빠른 퇴적률으로 보고 있으며, Youn and Kim [11]에 의하면 서해 중앙부 해역의 퇴적률을 0.21 ~ 0.68 ㎝/year로 보고한 바 있다. 따라서 VC01의 표층 퇴적률을 다른 지역의 퇴적률과 비교해 볼 때 매우 빠른 퇴적률이라고 볼 수 있다. 또한, Park [5]에 의하면 퇴적층이 쌓이지 않은 침몰목선은 100년 정도 지나면 완전히 소멸되는 것으로 추정하몄으며, 목선이 잔존하기 위해서는 수십 년 안에 퇴적층으로 피복되어야 한다고 보고 있다. 그러므로 태안 마도3호선의 잔존 상태를 보아 이 지역은 과거에도 빠르게 퇴적된 것으로 보인다.

납 동위 원소 분석과 탄소연대 측정 결과를 비교해 볼 때, ²¹⁰Pb의 양이 깊이 증가에 따라 일률적인 감소경향을 보이지 않고, 150 cm 깊이의 조개시료에 대한 탄소연대가 배의 침몰 시대인 고려시대보다 훨씬 이전시대로 나온 점을 고려해 볼 때, 이 지역의 퇴적물은 조류, 파랑, 저서생물 등 해양환경에 의해 심하게 교란된 것으로 판단된다.

5. 결 론

태안 마도3호선의 잔존과 퇴적물 물성과의 연계성을 알아보기 위해 태안 마도3호선이 발견된 지역 주변을 진동식 시추기로 깊이 3 m까지 시추하여 해저 퇴적물을 채취하였으며, 이를 이용하여 퇴적물의 전밀도, 초음파 속도, 함수율, 공극률, 전단강도, 입도분석, 퇴적률 분석 및 탄소연대 등을 측정하였다.

퇴적물 물성 측정 결과, 깊이에 따라 전밀도와 초음파 속도, 전단강도는 커지는 경향을 보였으며, 공극률과 함수율은 작아지는 경향을 보였다.

본 지역 퇴적물의 물성 중 태안 마도3호선의 잔존에 영향을 미치는 요인으로 ① 낮은 함수율(36.8%), ② Firm Clay로 분류되는 비교적 낮은 전단강도(81.78 kPa), 그리고 ③ 보존가능 등급 1~2등급인 점토(M) 또는 모래질 점토(sM)로 구성된 입도분포 등을 들 수 있다. 이러한 특성은 퇴적물이 파도나 조류에 의해 쉽게 이동 가능하며, 산소침투가 어려워 유물이나 난파선이 잔존하기에 좋은 환경이 만들어져 태안 마도3호선이 비교적 온전하게 잔존한 것으로 보인다.

퇴적물 물성분석 연구는 난파선과 같은 수중유물이 있을 것으로 예상되는 지역에 수중유물의 잔존 가능성을 추측하는 데 어느 정도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대되나, 퇴적물의 물성만으로 수중 유물의 잔존 여부를 파악하는 데에는 한계가 있다. 수중유물이 잔존하기 위한 충분한 조건을 알아보기 위해서는 퇴적물의 물성뿐만 아니라, 해양환경의 물리적, 화학적, 생물학적 연구와 함께 수중유물 재질 자체에 대한 특성도 연구할 필요가 있다.

국내에서 수중유물이나 난파선 등 많은 수중발굴이 이루어지고 있으나 발굴현장의 해양환경에 대한 연구는 부족한 실정이므로 앞으로 이에 대한 개선이 필요할 것으로 보인다.

Acknowledgments

본 연구는 해양문화재연구소의 수중문화재 탐사기법 개발연구(4차년도)로 수행된 연구결과이다.

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