칼륨-아르곤(40K/40Ar) 지질연대측정

광물들의 연대가 어떻게 측정되는지 자연방사성 동위원소의 하나인 40K의 예를 살펴보자. 칼륨은 39K

, 40K, 41K의 세 개의 자연동위원소를 갖는다. 이 중에서 오직 하나의 원소, 즉 40K만이 방사성이고 그 반감기는 13억년 이다. 40K의 붕괴는 두 개의 서로 다른 붕괴과정이 일어난다는 점에서 흥미롭다. 먼저 40K원자의 12%는 β입자의 포획으로 기체 아르곤의 동위원소인 40Ar으로 변하며 나머지 88%는 β입자의 방출로 40Ca로 변한다. 이를 방정식으로 표현하면 다음과 같다.

40K + 전자 → 40Ar

그리고

40K → 40Ca + β-

여기서 중요한 것은 40K 원자가 40Ar 원자로 변하는 비율은 항상 12%이며 이 비율은 물리적이나 화학적인 조건에 영향을 받지 않는다는 점이다.

칼륨을 함유한 광물이 마그마에서 결정화될 때 또는 변성암 내에서 성장할 때 결정구조 내에 어느 정도의 40K를 포함하게 된다. 광물이 형성되는 순간부터 자원자 40Ar과 40Ca 들은 모원자 40K와 같이 결정구조에 포획되어 광물내에 축적되기 시작한다. 40Ar과 40Ca의 자원자의 비는 항상 같기 때문에 40K가 얼마나 많이 붕괴되었는지 알기 위해서는 2개의 자원자 40Ar와 40Ca 중에서 하나만 측정하면 된다. 그러나 이 때 아르곤이 매우 특징적인 원자 특성을 가지므로 40Ar을 사용하는 것이 더 정확하다.

40Ar이 40Ca보다 더 많이 이용되는 이유가 또 하나 있다. 아르곤의 전자 에어지 준위는 꽉채워져 있어서 아르곤원자는 화학결합을 쉽게 하지 않는다. 따라서 40Ar원자들은 광물 내에서 화학적으로 결합되어 있지 않다. 즉, 그들은 결정격자에 의해서 포획은 되어 있지만 결합을 형성하지 않는다. 포획은 저온에서만 가능하므로 고온에서는 아르곤이 빠르게 광물 밖으로 빠져 나간다. 저온에서는 아르곤은 빠져나가지 못하고 남게 된다. 그러므로 광물에 들어있는 아르곤 함량을 측정할 때 측정되는 것은 광물이 아르곤을 포획하고 보존하기 시작한 이후 동안 축적된 40Ar이라 할 수 있다. 그러므로 비록 어떤 40Ar이 광물이 결정화될 때 존재했더라도, 칼륨이 포함된 광물은 마그마의 온도가 포획 온도에 비해 훨씬 높아 이전에 존재했던 아르곤은 전혀 포함하고 있지 않다. 유문암이나 안산암 같은 분출 화성암의 칼륨을 가진 광물에 들어있는 40Ar원자는 모두 40K의 붕괴에 의해 생겼고 포획 온도 이하로 냉각된 이후에 축적되었을 것이다. 분출 화성암은 매우 빨리 식기 때문에 포획 시간과 분출 시간은 본질적으로 같다고 할 수 있다.

따라서 분출 화성암이 분화된 절대시간을 알기 위해서는 칼륨을 가진 광물을 선택하여 포획된 40Ar의 양과 남아있는 모원소 40K의 양을 측정하기만 하면 된다. 그리고 40K의 반감기가 알려져 있으므로 '광물이 자체 내장된 방사성 시게에 기록된 시간'을 뜻하는 방사성 연대를 계산하는 것은 간단한 작업이다. 구체적인 계산의 예는 40K/40Ar 연대계산을 보라.

 

-40K/40Ar 연대측정의 응용성

40K/를 이용한 연대측정은 칼륨을 주 원소로 포함하고 있는 광물에만 국한되지 않고 작은 양의 칼륨을 가진 광물에서도 이용 될 수 있다. 그러므로 각섬석(칼슘-철-마그네슘 규산염광물)은 일반적으로 이온의 치환작용으로 작은 양의 칼륨이 포함되어 있어 40K/40Ar연대 측정에 사용될 수 있다.

화산암과 화쇄암의 경우 고화와 냉각이 급히 진행됨으로 40K/40Ar연대측정이 가장 효과적으로 적용된다. 따라서 암석의 고화 연수는 기본적으로 그 암석의 포획 연수와 같다. 아르곤 분석은 그 기법이 아주 정밀하고 또한 결정화 될 때 최초의 아르곤에 의한 오염이 별 문제가 되지 않으므로 이 방법은 20000년 정도의 젊은 화산암에서도 사용될 수 있다.

이런 이유로 40K/40Ar연대 측정은 지질학뿐 아니라 고고학의 연구에도 매우 유용한 것으로 인정받고 있다.

 

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