중앙 유럽으로 부터 작성된 12,460년의 Hohenheim 참나무와 소나무 연륜연대기

Radiocarbon, Vol 46, Nr 3, 2004, p 1111-1122

중앙 유럽으로 부터 작성된 12,460년의 Hohenheim 참나무와 소나무 연륜연대기

 - 유일한 일년단위의 방사성탄소연대측정을 위한 보정과 고환경 복원

The 12,460-year Heohenheim oak and pine tree-ring chronology from central  Europe

 - A unique annual record for radiocarbon calibration and paleoenvironment reconstructions

저자. Michael Friedich 외

새로운 홀로세 참나무 연대기 (Holocen oak chronology )

중앙 유럽의 큰 강에 퇴적된 4기층에서 발견된 아화석 목재으로부터 가장 긴 연대기가 작성되었다. 남부 독일의 자갈 채취장에서 드러난 참나무들(Quercus robur, Quercus petraea)과 구주적송(Pinus sylvestris)을 주로 수집하였다. 두 속(genera)은 수천년이 넘는 시간동안에 혐기성 조건에서 보존되도록 돕는 저항이 있는 심재을 형성한다. 이 나무들은 하천 활동에 의해서 침식과 매장되는 과거 강가주변 숲의 잔재들이다. 이것들은 그자리에서 드물게 발견되지만, 뿌리와 가지의 자국과 함께 수간의 대부분이 좋은 상태는 나무들이  먼거리를 넘어서 이동하지 않고 퇴적물에 빠르게 매장되었음을 보여준다. 그러므로 수분들의 임분은 낮은 하안단구에 국소적으로 있을 수 있다.

 

 

 

아화석 참나무들의 개별 수령은 대단히 짧다. 이것은 모든 샘플들의 평균 수령이 단지 176년(최대 수령은 575년)이다. 샘플의 수령이 약 97%가 300년보다 작다. 이 사실은 대규모 침식과 연관된 홍수가 자주 발생하는 것과 관련이 있다. 다른 한편으로는 특히 홀로세 중기에 범람원(강이 범람하면 물에 잠기는 평지)의 생장하기 좋은 조건은 매년 엄청난 생장 결과를  주어졌다.( 1m보다 더 큰 수간 직경를 가진 나무) 이와 같은 대부분 수목들은 침식을 통하여 잠재적인 생물학적 수령보다 일찍 고사되거나 자체 무게때문에 쓰러졌다.

수목 샘플들들의 밀도는 시계열적으로 홀로세동안의 나무외 보존과 다양한 침강의 결과가 기록된 변동을  보여준다(figure 3). 이 강 침전물에서 수집한 아화석 참나무 수량의 변동은 시간에 따른 하천시스템의 수문학적 체계에서의 변화를 반영한다. 수목의 수량이 통계학적  유효성이 충분히 높다면, 변동 밀도는 홀로세 기간동안 강유역의 고생태적, 지형학적 변화에 더하여 퇴적 비율을 추론하는데 사용되어 질 수 있다. 

HOC(홀로세 참나무 연대기)의 현재 현황은 7000개 이상의 참나무수목들이 포함되어 있다. 1년마다 나무의 평균 중복수는 매년 108개이다. 우리는 연대기 길이의 96%가 20개 이상의 연륜연대가 부여된 수목들로 구성된 것을 발견하였다. 역사시대(AD 500 이후)동안에 우리는 현생목 연대기와 아화석 참나무 연대기를 연결하기 위하여 많은 생재, 건축물의 부재들과  고고학 발굴지의 목재들을 사용하였다. 독일 중남부의 마인강에서만 3000개 이상의 샘플수집과 30년 지속된 현장조사 이후에도, 할슈타트기(Hallstatt period, 2600-2300 BP, BC 600-300)에는 여전히 매우 낮은 나무의 중복수를 갖는 기간이 존재한다. 다행스럽게도 나무 중북의 변동은 강유역마다 동시 발생하지 않는다. 그래서 우리의 연구는 성공적으로 결합시킨 다른지역 참나무연대기들 높은 중복수와 연속된 연륜연대기를 얻기 위한 중요한 요소중의 하나였다(Figure 3). 반면에 독일과 스위스의 선사시대 유적에서 참나무 수집한 이전의 Hohenheim 참나무 연대기(Spurk et al. 1998;Becker 1993)들은 할슈타트기 공백(Hallstatt gap)을 연결시키고 연대기의 선사시대를 강화하는데 사용되어졌다. 최근 선사시대 연대기는 오직 하천유역의 아화석 참나무를 기반으로 한다.

Influence of cockchafer predation on the oak chronologies 

참나무 연대기의 왕풍뎅이 포식의 영향

해충은 연륜생장에 강한 영향을 미칠 수 있고 다른 환경영향요소보다 연륜생장에 더 중요 할 수도 있다. 참나무에서는 연륜폭에 매우 규칙적인 변화가 가끔씩 관찰되었고, 연륜패턴을 확실히 동시 발생하는 것에 대해서는 상당히 어려움으로 이어졌다. 어느정도까지 이것들은 참나무가 다양한 해충(특히 왕풍뎅이)이 불러일으키기 때문이다. 유럽에는 현재 2 종류의 왕풍뎅이가 존재한다. 집중적인 해충 관리하기 전에는 왕풍뎅이의 규척적인 변화가 중앙 유럽내에서 일어났다. 3-5년 간격의 기후 조건과 지역 상황에 의하여 상당한 수의 수목생장의 갑작스런 중지의 결과로 참나무가 봄에 고사되어졌다. 해부학적으로 피해는 3-5년 간격으로 좁은 연륜이 분명하게 나타났다. 목재해부학적 특징들은 이와 같은 고사년을 분명하게 식별하도록 가능하게 한다. 딱정벌레의 거듭되는 재출연한 이래로, 이와 같은 영향은  연륜내의 신호로써 특징이될 수 있다. 이 결과는 강한 여향을 받은 수목들이 극심하게 비슷한 연륜곡선을 만드는 것이며, 이 수목들이 수령이 다름에도 불구하고. 이런 이유로 확실한 연륜연대학적 연대부여가 가능할수 있다.

연륜시리즈에 영향을 식별하기 위해서, 우리는  통계적인 부호검정 방법을 사용하여 자연적인 연륜시리즈와 비교하여 인조 시퀸시(artificial sequences)를 만들었다. 게다가 참나무 목재에서 해부학적인 특징으로 고사된 연도를 검출하는데 도움이 된다. 이러한 해부학적 특징은 대규모의 고사 조절실험에 의해서 현생 참나무에서도 입증되었다. 대다수의 참나무들은 왕풍뎅이에 의한 영향이 지역 사이에 달랐다. 마인강을 따라 자라는 참나무들은 Danube의 참나무보다 영향이 더 적었다. 그리고  독일의 동부 강유역에선는 30% 이상의 왕풍뎅이 공격으로 부터 피해입었다. Hohenheim연륜연대기를 만들고 확인할때, 우리는 참나무 연륜패턴을 체계적으로 확인하고, 왕풍뎅이 공격으로 주기적인 형향을 보이는 모든 연륜패턴을 제거하였다.

Hohenheim 참나무 연대기의 수정은 높은 질의 연대기를 얻었고, 연대기의 부분적으로 많은 수의 수목들이 크게 줄어들었음에도 불구하고, 마인강의 참나무연대기는 거의 변화없이 남아인는데 반하여. Hohenheim 연구실의 이용가능한 막대한 수의 수목들에 의하여,  연대구간을 통해서  높은 중복된 수목들이 남아 있어서 홀로세 참나무 연대기를 만들었다(figure 3). 

IntCal98에서는 방사성탄소연대 데이터 세트로 부터 해충의 피해 수목들의 데이타들이 제거 되었다. 우리는 조심스럽게 다시 수목들을 확인하고 황풍뎅이의 시그날을 걸러내므로써 새로운 연대기들에 크로스데이팅(Crossdating)을 하였다. 그래서 우리는 IntCal04 보정곡선 데이터 세트에서 이러한 수목들의 C14 데이터를 재도입할 수 있었고, 영향이 없는 새로운 수목들로부터 얻은 연대에 의해 조정하고 보완하였다.

The preboreal pine chronology (PPC)

Preboreal(130300~9000년전) 소나무 연대기

빙하기 후기와 초기 홀로세, 중앙 유럽의 한계 임목 자생지는 소나무가 지배적이였다. Boreal 시대(9000~7500년전)에는 혼합낙엽림지대의 확대는 지중해와 흑해의 보호지역으로부터 약 10,450년전에 독일 남부 강유역에 낙엽수종들이 들어올때 소나무들은 급격히 감소하는 야기시켰다. 가장 오래된 연륜연대학적 연대가 부여된 참나무들은 라인강 주변에서는 기원전 8,480년부터, 마인강유역에서는 기원전 8,239년, Danube강 유역에서는 8,196년에 자라기 시작했다. 가장 근대의 연대가 부여된 소나무는 Danube강에서 기원전 7,942년에 고사되었다. 강유역에서 소나무와 참나무가 동시 우세한시기가 짧음에도 불구하고, 중요한 중첩이 가능하기 위해 충분히 길었다. 이 중첩은 홀로세 연륜연대기들이 소나무-자작나무가 우세한 숲이 있는 빙하기 후기까지 확장할 수 있는 기회를 제공하였다. 소나무는 긴 연대기를 제작하는데 가장 적절한 수종이다. 목재는 물로 채워진 지층에 퇴적되었더라도 분해에 저항성이 있다. 그러나 참나무 연대기 작성과 달리, 소나무 연대기 작성은 실연륜(missing ring)이 나타나는 소나무의 경향에 의해서 복잡하다. 이런 이유때문에, 소나무연대기는 실연륜 문제를 없애기 위한 중첩이 높은 수준으로 요구된다. 분리된 지역으로부터  독립적인 연대기를 이용함으로게 더 도움이 된다. 1970년대 이래로, Hohenheim 연구실의 연구자들은 독일의 강들의 자갈 채취장에서 참나무처럼 구주적송(Pinus sylverstris)를 수집하였다. 반면 마인강의 자갈채취장에서는 가장 많은 수의 홀로세 참나무를 수집했고, 소나무들은 오진 라인강과 Danube강에서만 발견되어졌다.  스위스에 위치한 Avenches(strasser et al. 1999), Ollon(Hurni et al. 1999), 그리고 Zurich(Kaiser 1993)에서 발견한 소나무로부터 PPC 구주적송 연대기 가장 이른시기연대에 상당한 기여를 하였다.

Dendrochronological Linkage of the Preboreal pine with the Holocene Oak chronology

Preboreal 구주적송과 홀로세 참나무 연대기의 연륜여대학적 연결

1998년까지, PPC 구주적송 연대기는 홀로세 참나무 연대기에 대하여 유동연대기였다(Kromer and Spurker 1998; Spurk et al 1998). 연륜연대학적 일치작업은 어려울 것이라고 예상되어졌다. 왜냐하면 그것은 다른 강유역에서 자란 다른 2가지 수종을 포함하기 때문이었다. PPC 구주적송 연대기의 최내각부분(어린부분)의 세밀한 재분석과 홀로세 참나무 연대기의 확장이 통계적으로 유효한 연륜연대학적 교차비교분석(Crossdating)이 되어졌다(figure 5)(Fredrich et al. 1999). 높은 빈도 일년단위의 상관관계와 장기간의 경향이 놀랄만하게 잘 일치한다. 수종간의 교차비교의 일치정도는 영국의 북부지방의 아화석 소나무와 참나무 비교와 맞먹었다(Chambers et al. 1997). 그리고 독일 남부지방의 현생 소나무와 참나무의 상호 일치도와도 맞멎었다. 흥미롭게도 연륜연대학적 생육연대 부여는 공개된 IntCal98을 사용한 위글매치 방사성탄소연대(14C Wiggle-match)에 대해서도 오직 8년의 차이만 있습니다.

 

538년이 중첩되며 두 연대기의 교차-일치도는 유효하다. T(BP)값은 4.3이고 G값(sign test, 부호 검정)은 55%로써 유사성을 나타낸다.

Linkage of the Two parts of the PPC 

PPC 구주적송의 두 파트의 연결

1998년에 발표된 PPC 연대기는 고정밀 방사성탄소 위글매칭법에 의해서 2개 부분의 연대기가 연결되어졌고, "잠정연대(Tentative)" 연륜연대학적 생육연대가 부여되었다(Spurk et al. 1998; Kromer and Spurk 1998). 독일 남부지방으로부터 최근에 수집된 막대한 수의 소나무들을 추가하고 기존의 연대기를 재수정함으로써, 우리는 PPC의 2 부분을 확장하고 향상할수 있었다. 그리고 우리는 믿을 수 있고 통계적으로 유효한 연륜연대학적 생육연도 부여하게 이르렀다(figure 6). 새로운 생육연도 부여 결과는 발표된 데이터에 대하여 더 오래된 PPC 연대기의 11,250 BP 이전의 70년이 옮겨지게 되었다. 참나무-소나무 연결의 8년 이동이 포함하여, 연결된 PPC 연대기는 11,941 BP(9992 BC)년에 시작하게 되었다.

Extensions of the Preboreal pine chronology (PPC)

PPC 구주적송 연대기의 확장

새로운 샘플링 전략을 이용한 대규모 현장조사와 유동연대기를 제공받는 다른 연구실과의 강한 협조가 PPC 연대기를 홀로세 마지막과 신드리아스기로 더 올라갈 수있게 확장할 수 있게되었다.

 - Danube 강유역의 Burlafingen 지역에서 수집한 수목들로 연대기의 최외각부분을 9891BP로 17년 더 확장시켰다.

 - Danube 강의 작은 지류인 Gunz강의 Breitenthal지역의 44개 소나무로 277년의 연대기를 작성하고, 이것은 PPC 연대기를 11,993 BP까지 확장시키고 강화시켰다(figure 7).

 - 확장된 PPC 연대기 그 다음에 스위스의  Aveches로 부터 20개 소나무로 만들어진 유동연대기와 일치된다. 이것은 415년 연대기로써 12,057 BP 까지 확장시킨다(figure 7). 
   게다가 스위스의 Ollon 지역의 잎갈나무로 부터 얻은 363년 연대기가 Avenches 연대기, PPC 연대기와 일치하여 12,142 BP까지 더 뒤로 확장되어졌다.

 

 - 독일의 동부지방인 Cottus의 갈탄지역에서 발굴된 신드리아스기 아화석 소나무숲으로 부터 28개의 소나무를 사용하여 398년의 유동연대기가 작성되었고,
   PPC 연대기와 연결되어져 12,325 BP 까지 더 확장되어졌다(figure 8).

 - 최종적으로, 스위스의 Zurich의 2개의 소나무로 부터 215년의 유동연대기가 제공받으므로 Cottbus 연대기와 일치할 수 있었고 그러므로 12,410 BP 까지 확장된 새로운 PPC 연대를 작성하였다(figure 8).
   다른 지역으로 부터 두 연대기가 오직 적은 수 나무로부터 의존하여 중첩되므로,  우리가 두 시리즈의 방사성탄소연대 위글매치법을 통하여 확인할 수 있는 확실한 시각적인 연결을 발견하였을지라도,
   이 연결은 아직 "잠정적인"으로 남아있다.

 

지금까지, 515개의 소나무로 일치시키므로 2520년간의 연대기를 작성하였고 이를 PPC로 이름을 붙였다. 새로운 PPC의 중요 샘플은 Danube 지역의 소나무들로 구축하였다. 오래된 끝부분에서는, 스위스와 독일 동부지역의 나무로 부터 상당한 기여로 만들어졌다. 다른 지역의 연륜연대기들 사이에 좋은 일치는 독일 동부지역부터 스위스까지의 넓은 지역에서 중앙 유럽 소나무연대기(PPC)를 만들기 위해 지역적 연대기들을 종합할수 있게 허락되었다. PPC 연대기의 중첩은 강의 수문학적 시스텀의 변화를 나타낸 변동을 보여주지만, 일년에 81개의 수목까지 그리고 평균 30개의 수목으로 만들어진 PPC 연대기는 충분히 중첩되었고 믿을 수 있는 연대기이다. 새로운 PPC 연대기는 절대 홀로세 참나무 연대기와 연결되어졌고 절대적으로 12,410 BP(10,461 BC)까지 시대를 뒤로 절대연도를 확장시켰다.

신드라이아스기와 Preboreal의 변환시기가 구주적송연대기의 11,590 BP(9641 BC)에서 관찰되었다. 그래서 절대 연륜연대기는 현재 홀로세 전체와 드리아스기 820년을 포함하고 있다. 전체 범위는 12,460년으로 기원전 10,461년부터 AD 2000년까지이다.

 

결론 및 전망

Conclusion and prospects

우리는 Hohenheim대학교에서 만든 중앙 유럽의 참나무와 구주적송이 결합된 연륜연대기를 확장과 수정(revision)을 보여주었다. 이 연대기는 홀로세 방사성탄소연대 보정곡선의 중추가 되었다. 홀로세 참나무 연대기(HOC)는 새롭게 추가된 수목되므로 10,429 BP(기원전 8480)에서 시작하며 더욱 강화되었다. 참나무에 영향을 미친 왕풍뎅이(Cockchafer)의 포식을 식별하고 그것들을 연대기에서 제거하였다. 이전 유동 Preboreal 소나무 연대기는 참나무 연대기와 절대연대가 연륜연대학적으로 일치하였다. 게다가 2개의 PPC 연대기가 연륜연대학적으로 연결되어졌다. 참나무와 구주적송의 연결이 8년 이동한것을 포함하여, PPC 연대기(pre-11,250 BP)의 오래된 부분이 1998년에 발표된 데이터(Spurk et al. 1998)보다 더 과거로 70년 옮겨졌다. 독일 남부지방의 PPC 연대기는 현재 11,993~9891 BP까지  총 2103년을 포함하고 있다. 더욱이, PPC연대기는 스위스의 Zurich과 Avenches 그리고  독일 동부의 Cottbus의 신드리아스기 숲으로 부터 얻은 새로운 구주적송 연대기에 의해서 유효하게 확장되었다. 절대연도가 부여된 연륜연대기는 현재 12,410 cal BP에서 시작한다. 그러므로 연륜을 기초로 한 방사성탄소연대 보정곡선은 현재 신드리아스기의 중반까지 이르게 되었다. 신드리아스기와 Preboreal의 변환 시기로 기대되는 때는 11,590 BP에 갑자기 증가하는 구주적송의 연륜폭으로 식별되었고, 절대연도가 부여된 연륜연대기는 홀로세 전체와 신드리아스기의 820년을 포함한다. Hohenheim 연대기는 거의 12,500년의 일년단위의 시계열을 제공하고, 현실적으로 후빙기 초기까지 확장할수 있는 현실적인 가능성을 가진다.

스위스와 독일의 Bølling-Allerød 아간빙기(Bølling-Allerød interstadial)에서 엄청나게 많은 수의 아화석 소나무들을 발견함으로 방사성탄소연대로 12,300-10,650 BP을 포함하는 약 1600년으로 2개의 유동 구주적송 연대기를 만들 수 있었다. 최근에, 신드리아스기(young dryas)에 남아 있는  공백이 단지 약 200년(200 14C yr)이다. 신드리아스기의 공백을 연결할 수 있는 중개와 절대연대가 부여된 연륜연대의 확장 그리고 그 결과에 따른 Bølling-Allerød 아간빙기까지의 연륜을 기반으로 한 방사성탄소연대 보정곡선 확장이 가까운 미래에 실현가능한 것으로 보인다.

용어설명

방사성탄소연대

방사성탄소는 동위원소 14C는 반감기 5568년(화학자 리비가 처음 밝힌 값으로 현재 캠프릿지 반감기로 알려진 5730년보다는 덜 정확)을 가지는 원리를 이용하여 남아있는 14C의 농도를 이용하여 연대를 알아가는 방법이다. 

BP연대

방사성탄소연대측정은 AD 1950년을 '0'BP로 정함, BP는 Before Present의 약자

이는 대기권의 방사성 탄소의 농도가 1950년이후 핵 실험, 화석연료 사용과 지구의 지자기 변동으로 인하여 농도 변화가 생김

방사성탄소연대의 연륜연대보정

1950년대 후반, 네덜란드의 Hessel de Vries는 방사성탄소연대와 연륜(나이테)의 탄소연대 결과가 차이가 있는 것을 확인하고, 방사성탄소의 함량이 일정하지 않았음을 알고 정확히 일년단위로 생장하는 수목의 나이테를 이용하여 일년단위 방사성탄소 측정을 하여 보정곡선을 만들어 현재 방사성탄소연대 측정 후 이 보정곡선으로 절대연도를 부여한다.

홀로세

신생대 제4기 플라이스토세 다음으로 약 10000년 전부터 현재까지의 기간을 말하며, 충적세 또는 현세라고도 부른다. 지질시대의 마지막 시대 구분으로 플라이스토세 빙하가 물러나기 시작하는 시기로서 인류 문명의 시기 또는 이 기간에 쌓인 암석과 퇴적물들을 의미하기도 한다. 홀로세에 들어오면서 기후는 더욱 더워졌으며, 그에 따라 해빙이 일어나면서 해수면이 상승했다. 홀로세 중기가 해수면상승의 극한이었으며, 그 이후에는 작은 기복을 나타내면서 기후가 한랭하게 되었으며 해수면도 강하했다. 이 해수면 변화에 대응해서 홀로세의 충적층은 해침의 이질층과 그 위·아래의 사질층의 세 부분으로 나뉜다.(지구과학사전, 2009, 북스힐)

신드리아스기 (신드라이아스기, 영거 드리아스기, Young Dryas)

알레뢰드(Allerod)기에 연속되고, 선보레알(Preboreal)기에 선행하는 약 1만 1,000~1만 300년 전 만빙기 최후의 시기를 말한다. 주로 유럽에서 사용되며, 덴마크의 화분대 III에 해당된다. 알레뢰드기에 비해 연평균 기온은 2~6℃ 정도가 낮아, 중부 유럽에서는 현재보다 6~8℃가 낮고, 7월의 평균기온은 약 10℃인 것으로 밝혀졌다.(자연지리학사전, 2006)

북서 유럽대륙의 제4기 층서(네덜란드-스칸디나비아 반도 일대)는 신드라이아스기(young Dryas)-고드라이아스기(Old Dryas)-알러뢰드기(Allerod)-바이크젤(Weichselian)-에미안(Eemian)-잘리안(Saalian)-홀스타인니안(Holstanian)-엘스테리안(Elsterian)-크로메리안(Cromerian)으로 구분된다. (고고학사전, 2001.12, 국립문화재연구소)

 

출처: http://www.skepticalscience.com/print.php?n=1345

문서이력

- 2015. 01. 05 1차 작성

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