기타 방사성(방사성 탄소) 지질연대 측정법

많은 자연 방사성 동위원소가 방사성 연대측정에 쓰일 수 있으나 지질학에서는 주로 6개의 동위원소가 사용된다. 즉 두 개의 우라늄 방사성 동위원소와 토륨, 칼륨, 루비듐, 탄소의 방사성 동위원소가 주가 된다. 이런 동위원소들은 다양한 암석 및 광물 환경에서 널리 산출되고 도한 매우 폭넓은 반감기를 가지기 때문에 많은 지질학적 물질들은 이 동위원소들을 이용하면 그 연대측정이 가능하다(표8.2)

동위원소			모원자의 반감기	유효 연대측정범위	연대측정이 가능한 광물과 다른물질
모원자	붕괴조직	자원자
우라늄-238 우라늄-235 토륨-232	α+β-붕괴α+β-붕괴 α+β-붕괴	납-206 납-207 납-208	45억 7억1천만 140억	천만-46억 천만-46억 천만-46억	저어콘과 우라니나이트 저어콘과 우라니나이트 저어콘과 우라니나이트
칼륨-40	β- 포획 β- 붕괴	아르곤-40 칼슘-40	13억	5만-46억	백운모 흑운모 각섬석 화산암 전암
루비듐-87	β- 붕괴	스트론튬 -87	4백 70억	천만-46억	백운모 흑운모 각섬석 변성암 또 화성암 전암
탄소-14	β- 붕괴	질소-14	5.730±30	백-7만	나무, 숯, 토탄, 곡식 알갱이 그 밖의 식물질 동물의 뼈, 조직 그 밖의 동물질 천, 조개껍데기 종유석 지하수 바닷물 빙하

-방사성 탄소 연대측정

표8.2에 기술된 방사성 연대 측정 방법들 중에서 방사성 탄소로 알려진 14C를 이용하는 방법은 다음 두 가지의 특징을 가진다. 첫째 14C 의 반감기가40K, 87Rb, 토륨과 우라늄의 동위원소의 반감기보다 짧고 둘째 14C의 방사성 붕괴에 의해 생성되는 자원자14N은 연대 측정하는 표본 내에 존재하는 다른 14N과 구분이 불가능하다.

우주선에 기인하는 중성자와 14N의 충돌에 의하여 지속적으로 방사성 탄소를 생성시킨다(그림8.14). 반감기가 5730년인 14C는 β- 붕괴에 의해 14N으로 되돌아간다. 14C는 12C와 13C와 혼합되어 수권과 생물권의 대기권으로 빠르게 확산되는데 반감기에 비해 혼합되고 교환되는 속도가 빨라서 14C의 비는 대기권에서 거의 일정하다. 생성률이 일정한 자연 탄소의 방사능은 생성률이 붕괴율과 균형을 이루기 때문에 계속 일정하게 유지될 것이다.

생물은 살아있는 동안 대기에서 계속적으로 탄소를 흡수하기 때문에 14C의 균형된 비를 유지한다. 그러나 일단 죽으면 음식섭취, 광합성, 호흡 등의 생명현상들이 중단되기 때문에 그 균형이 깨지게 된다. 즉, 죽은 조직 내의 14C는 방사능 붕괴에 의해 계속해서 줄어든다. 주어진 표품에 대한 방사성 탄소 연대측정 분석은 표품에 포함된 14C의 방사성 정도만을 규명하는데 이 분석법은 방사성 붕괴 결과 방출된 입자를 측정하는 것이다. 앞에서 설명한 바와 같이 자원소14N은 유출 또는 대기 오염 때문에 측정할 수 없다.

방사성 탄소는 화석 나무, 숯, 이탄, 뼈, 껍질 등을 연대 측정하여 유기물에 적용할 수 있다는 점과 또한 그 반감기가 짧기 때문에 선사시대의 유적물과 최근에 멸종한 동물에 대한 연대측정에 매우 유용한 것으로 밝혀졌다. 이러한 점에서 방사성 탄소 연대측정은 고고학에서 매우 중요하고 또한 지사학에서 가장 최근의 시대 특히 최근의 빙하기의 연구에 유용하다. 예를 들면, 최근 거대한 빙판의 이동에 밀려 암설에 묻혀 퇴적된 나무들에 대한 연대측정을 한 결과 그 얼음은 약 18000~21000년 전에 오하이오-인디애나-일리노이를 거쳐 큰 범위로 진행하였음을 보여준다. 또한 그린랜드를 거쳐 큰 범위로 진행하였음을 보여준다. 또한 그린랜드의 대륙빙하와 같은 젊은 얼음에 대한 직접적인 연대측정도 가능하다. 얼음이 형성될 대 기포들이 얼음 안에 포획되는데 그 기포에 들어있는 이산화탄소를 실험실에서 유리시켜 분석하면 얼음의 연대에 대한 정보를 알 수 있다.

마찬가지로 방사성 탄소 연대측정은 오하이오를 횡단하여 최근 빙하가 이동한 속도, 전 세계에서 빙하가 녹는 동안 땅을 기준으로 해수가 증가한 속도, 심해수 순환의 평균속도, 해변을 해수면위로 들어 올리는 지각의 국부적인 융기속도, 심지어 화산활동의 빈도와 같은 지질과정의 진행속도를 충분히 제공해 준다. 방사성 탄소연대측정법이 다른 방법들과 연결하여 지질학적 문제를 풀어가는 예로서 에세이: 하와이가 빙하로 덮였던 시기는?을 참조하시오

그림 8.14 방사성 탄소 방사성 탄소의 생성과 붕괴. A. 14N원자의 핵이 대기 중으로 우주선에 폭발에 의해 생성된 중성자를 얻고, 양성자를 버리므로 14N이 14C로 변한다. B. 14C원자의 핵이 방사성을 띈다. β-붕괴에 의해 14C가 14N으로 돌아간다.

-절대시간과 지질시간 척도

20세기의 과학자들은 지질학적 관계와 방사성 연대측정을 서로 조합하여 절대 시간의 척도를 19세기에 연구 완성 되었던 지질주상도에 맞출 수 있었다. 그 척도는 계속 정확한 값으로 수정되고 있으며 그림 8.10에 주어진 값들은 현재로서는 가장 최상의 것이다. 앞으로의 연구는 이 값들을 더 정확하게 해 줄 것이다.

층의 순서를 상대연령으로 분류하여 확립된 지질주상도가 방사성 연대 측정법에 의해 더욱 명확해졌다는 사실은 19세기 지질학자들의 업적에 대한 방사성 연대측정법의 큰 공헌이라 할 수 있다. 또한 지구의 나이를 1억년이라고 계산한 켈빈 경이 얼마나 틀렸는지를 보여준 것도 흥미롭다.

그림8.10에 제시된 최초의 기록은 골격을 가진 화석이 전혀 없는 선캄브리아 시대의 화성암과 퇴적암의 복합체에서 나오는데 거기에서 얻어진 자료에 대한 방사성연대 측정결과 가장 젊은 것은 약 6억년, 가장 오래된 것은 약 40억년이다. 따라서 지질주상도에 나타난 선캄브리아 시대는 적어도 34억년(40억년~6억년) 동안 계속 되었으며 이는 최소한 현생누대의 다섯 배쯤에 해당된다.

선캄브리아 시대의 암석이 약 40억년 되었다고 할 때, 지구 역사가 시작된 시점은 그보다 훨씬 더 이전으로 돌아가야 한다. 방사성 연대측정으로 볼 때 가장 오래된 암석은 오스트레일리아의 쇄설성 퇴적암이 가진 하나의 광물입자로 41억년으로 분석되었다. 캐나다의 한 화강암도 약 40억년 정도의 나이로 분석되었는데 이러한 고 화강암의 존재는 지각이 40억년 전에 존재했다는 것을 입증하고 있으며, 41억 년 전의 퇴적입자의 존재는 암석윤회가 그 당시에도 진행되고 있었음을 입증한다. 더 나아가 대륙 지각이 매우 오래 전부터 있었다는 확신은 남아메리카의 또 다른 선캄브리아 시대의 36억년 된 화강암에서도 알 수 있다. 비록 이 고 화강암자체는 화성암이지만 규암의 포획암을 함유하고 있다. 규암은 화강암질 마그마에 의해 포획되기 전에는 사암층의 ㅜ분이었음에 틀림없고 그 이전에는 성긴모래층의 부분이었음에 틀림없다. 석영 모래 입자는 더욱 더 이른 시기에 어떤 화성암의 침식과 풍화작용으로 생성되었을 것이다. 그러므로 암석 윤회는 화강암질 마그마가 고화되기 훨씬 이전에도 현재와 같이 진행되었음에 틀림없다. 그러므로 우리가 지질주상도를 통해 과거를 돌아볼 수만 있다면 암석윤회의 증거를 찾을 수 있고, 물에 의해 운반되었음에 틀림없는 옛날의 퇴적암을 볼 때 퇴적암이 퇴적될 당시 수권에 있었음을 알 수 있다.

옛날의 암석은 모두 소위 시생누대의 것이다. 하디안누대는 얼마나 오랫동안 존재했고, 그러므로 얼마나 우리 지구가 오래 되었는가? 지구는 달과 다른 행성, 운석(지구에 떨어지는 작은 독립된 암체)과 같은 시기에 생성되었음을 제시하는 명확한 증거가 존재한다. 다양한 방사성연대 측정방법들 특히 Rb/Sr과 U/Pb 방법을 통해서 운석과 우주 비행사가 가져온 '달 먼지'의 나이는 46억년으로 측정할 수 있었다. 따라서 지구와 태양계의 다른 모든 행성과 운석은 약 46억년 전에 형성된 것으로 믿어진다.

 

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