지자기와 역전 시간 척도

- 지자기극의 시간 척도

지구는 하나의 거대한 자석과 같아서 모든 것을 투과하는 하나의 보이지 않는 자기장을 가진다. 지구 자기장의 특성 때문에 암석의 자성을 이용하여 아주 정확한 대비를 하거나 다른 자료와 연관하여 연대측정에 이용할 수 있다. 만약 작은 자석이 지구 자기장에서 자유롭게 움질일 수 있도록 한다면, 자석은 그 축이 지구 자북을 가리키도록 움직이게 될 것이다. 이 현상은 지구 모든 곳에서 일어난다. 어떤 암석들은 이런 식으로 배열되어 영구적으로 자화되고 자유로이 움직이는 자석은 자북을 가리킨다. 이런 특성은 다음과 같은 연대 측정방법으로 유용하게 사용된다.

 

· 암석의 자화

자철석과 어떤 다른 철을 함유한 광물들은 영구적으로 자화될 수 있다. 이 성질은 핵 주위를 공정하는 궤도의 전자가 하나의 매우 작은 원자 자기장을 형성하기 때문에 생긴다. 영구자석이 될 수 있는 광물에서 원자 자석들은 서로 평행하게 정렬되어 서로를 강화시킨다. 반면 비자성 철광물에서의 원자 자석은 임의의 방향으로 배열된다.

큐리온도라 불리는 온도 이상에서는 원자가 열적으로 동요되어 영구자석이 불가능해진다. 자철석의 큐리온도는 약 580℃ 정도이며 이 온도 이상에서는 모든 철 원자의 자기장은 임의의 방향으로 배열되어 서로 상쇄되어 없어진다. 한편 큐리온도 이하에서는 인접된 철 원자의 자기장이 서로 강화된다. 외부 자기장이 존재할 때는 외부자장과 평행한 모든 자기장의 영역은 인근의 평행하지 않은 영역을 그 만큼 더 차지하여 커지게 되며 따라서 평행한 영역은 빠른 속도로 우세하게 되어 결과적으로 영구자석이 된다.

모든 광물은 700℃ 이상에서 결정화 된다. 이 온도는 어떠한 자성 광물의 큐리온도보다 높다. 결정화된 용암은 계속에서 식으면서 자철석의 큐리온도인 580℃ 이하로 떨어질 것이다. 온도가 큐리온도 이하로 떨어질 대 암석 속의 모든 자철석 입자는 지구 자기장과 같은 극성의 매우 작은 영구자석이 된다. 용암내에 갇혀 있는 자철석 입자는 자유로운 자석막대가 움직이는 방법처럼 스스로 이동하고 재배열 하지는 못한다. 그러므로 이 용암이 존재하는 한, 즉 풍화나 변성작용으로 파괴되기 전까지는 이것이 큐리온도를 지났던 시점에서의 지구 자기장의 기록을 그대로 보존하고 있을 것이다.

퇴적암 역시 퇴적하되는 동안 자성 입자의 재배열을 통해 자석은 미약하지만 영구 자화 될 수 있다. 쇄설성 퇴적 입자들이 호수물 또는 바닷물을 통해 쌓이거나 심지어 공기 중에서 먼지 입자들이 쌓임에 따라 어떤 자성입자든지 자유로이 움직이는 자석과 같이 행동하여 지구자장의 자력선에 평행하게 정렬된다. 일단 그 입자들이 퇴적암에 갇히면 그 암석들은 약한 영구 자석이 된다.

 

· 자극-역전 시간 척도

20세기 초 수행된 용암의 자성연구에서 어떤 암석들은 극성이 역전되어 있는 것이 발견되었다. 즉, 어떤 용암은 지자기를 측정하면 남극의 방향이 오늘날 지자기의 자북을 가리키거나 또는 그 반대 양상을 보여준다. 왜 지구의 자기극이 역전되었는지는 아직도 정확히 이해되지 않고 있지만, 이러한 지자기 역전 현상은 또 하나의 매우 유용한 연대측정 기법으로 이용될 수 있다. 용암의 나이는 방사성 연대 측정법 특히 40K/40Ar의 방법으로 정확히 측정할 수 있다. 언제 지자기의 극이 역전되었는지는 수백만년 동안에 걸쳐 분출된 두꺼운 용암층에서 방사능 연대 측정과 고지자기 극의 측정의 복합분석으로 가능하였다. 주라기부터 현재까지의 모든 고지자기의 변화의 자세한 기록들은 합성되어 있으며, 그 이전의 역전에 관한 정보를 얻기 위해 현재 연구 중이다.

현재와 같은 정상 방향이 우세한 기간 혹은 역전 방향이 우세한 기간이 구분되는데 이러한 단위 기간을 자기시대라 부른다. 네 개의 가장 최근의 자기시대는 자성 연구에 공헌이 큰 과학자의 이름, 즉 브룬스, 마쯔야마, 가우스, 길버트를 따라 명명되었다.

지질시간 측정을 위해서 지자기 역전을 이용하는 것은 다른 연대측정 방법과 다르다. 하나의 지자기 역전은 그 암석 내의 또 다른 지자기역전과 비슷하다. 지자기 역전의 증거가 일련의 암석들에서 발견되었을 때 실제로 이것이 많은 역전 중 어느 것에 해당되는 것인지를 아는 것이 문제이므로 다른 정보가 더 필요하다. 현재부터 연속적인 지자기 역전의 기록이 발견될 때는 단순히 과거로 거슬러 세어 가면 된다.

퇴적암의 자성은 매우 민감하고 중요한 연대측정 기술로 인정받아 왔다. 화석이 존재할 때 대략적인 나이는 퇴적암에 주어지고, 대략적인 그 나이를 알고 있을 때 지질학자는 지자기 역전을 이용해서 좀 더 정확한 나이를 측정할 수 있다. 해저바닥에서 채취된 퇴적 코아의 나이는 화석과 지지가의 역전의 조합을 이용해서 매우 정확히 분석할 수 있다. 측정법은 매우 정확해서 지자기 역전은 세계의 해양에서 퇴적물이 쌓이는 속도를 측정하는 매우 정확한 방법이다.

 

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