상대 연대와 절대 연대(방사성 동위원소 반감기)편집자 확인

층서학은 지층의 상대적인 순서를 결정하는 원칙들을 다루는 학문이다. 이 원칙들은 니콜라우스 스테노가 17세기에 처음 제안한 기본 법칙들에 기초한다.

첫 번째 법칙은 중첩의 법칙이다. 교란되지 않은 퇴적층에서 아래에 놓인 지층은 위에 놓인 지층보다 오래되었다. 즉, 지층이 쌓이는 순서대로 시간이 흘렀음을 의미한다. 두 번째는 원래 수평성의 법칙으로, 퇴적물은 원래 거의 수평으로 쌓인다. 따라서 심하게 기울거나 접힌 지층은 퇴적 이후의 지각 변동으로 인한 것이다. 세 번째는 측방 연속의 법칙이다. 한 지층은 퇴적 당시에 측방으로 연속적으로 분포하다가 후기의 침식이나 단층 등으로 끊기게 된다.

이 외에도 중요한 원리로 교차 관계의 법칙이 있다. 지층을 자르거나 관입하는 화성암 관입체나 단층은 그 지층보다 젊다. 또한 포용물의 법칙에 따르면, 어떤 암석에 포함된 포용물(예: 자갈)은 그 암석 자체보다 나이가 많다. 이러한 법칙들을 종합적으로 적용하여 지층의 상대적인 생성 순서를 해석할 수 있다.

이러한 층서학의 법칙들은 절대 연대 측정법이 개발되기 전부터 지질학의 기초를 이루었으며, 현장에서 지층의 상대적 순서를 파악하는 데 여전히 필수적이다.

화석은 지층의 상대 연대를 결정하는 데 핵심적인 지표가 된다. 이 방법은 화석층서학의 원리에 기반을 두며, 특정 화석이 나타나고 사라지는 순서가 전 세계적으로 일정하다는 관찰에 근거한다. 특정 시기에만 살았던 표준화석을 찾아내면, 그 화석이 발견된 지층의 연대를 다른 지역의 지층과 비교하여 상대적으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 삼엽충 화석이 풍부한 지층은 고생대에 해당한다는 것을 알려준다.

화석을 이용한 연대 측정은 주로 생물층서학의 원리를 적용한다. 이는 생물 종이 시간에 따라 진화하고 변화하며, 각 시대마다 독특한 화석 조합을 남긴다는 개념이다. 지시화석은 특정 지질 시대를 매우 잘 나타내는 화석으로, 지리적 분포가 넓고 진화 속도가 빨라 시대 구분이 명확한 특징을 가진다. 아래 표는 일부 주요 화석군과 그들이 나타내는 대략적인 지질 시대를 보여준다.

이 방법의 효과는 전 세계적으로 동일한 화석 순서가 관찰된다는 사실에 있다. 영국의 한 지층에서 발견된 암모나이트 화석의 종류가 일본의 한 지층에서 발견된 것과 일치한다면, 두 지층이 대략 동일한 시기에 형성되었다고 추론할 수 있다. 따라서 화석은 지층의 상대적인 나이를 연결하는 '생물학적 시계' 역할을 한다.

그러나 화석을 이용한 상대 연대 측정에는 명확한 한계가 존재한다. 화석이 생성되기 위해서는 특별한 보존 조건이 필요하며, 모든 생물이 화석으로 남는 것은 아니다. 또한, 이 방법은 암석이나 지층의 숫자 나이(예: 몇 년 전)를 직접 알려주지 않는다. 화석층서학은 절대 연대 측정법이 개발되기 전까지 지질 시대를 구분하는 가장 중요한 도구였으며, 오늘날에도 여전히 초기 지층 대비와 광범위한 지질 시대 도표 작성의 기초를 제공한다.

방사성 붕괴는 불안정한 원자핵이 방사선을 방출하면서 안정한 원자핵으로 변하는 현상이다. 이 과정에서 원소의 종류가 바뀌기도 한다. 불안정한 원자핵, 즉 방사성 동위원소는 특정한 확률로 붕괴하며, 그 속도는 외부 조건(온도, 압력, 화학적 환경)에 영향을 받지 않는 고유한 물리적 상수이다.

반감기는 특정 방사성 동위원소의 원자 수가 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 의미한다. 이는 지수함수적으로 감소하는 붕괴 과정을 특징짓는 핵심 개념이다. 예를 들어, 어떤 샘플의 탄소-14 원자가 100개 있고 그 반감기가 5,730년이라면, 5,730년 후에는 약 50개, 다시 5,730년 후(총 11,460년)에는 약 25개로 줄어든다. 반감기는 동위원소마다 천차만별이며, 짧게는 수 초에서 길게는 수십억 년에 이른다.

절대 연대 측정은 이 원리를 바탕으로 한다. 암석이나 광물이 형성될 때(예: 화성암이 굳을 때) 시스템이 "초기화"되어 모원소만 포함된 상태로 출발한다고 가정한다. 시간이 흐르면서 모원소는 붕괴하여 딸원소를 축적한다. 따라서 현재 샘플에 존재하는 모원소와 딸원소의 비율을 정밀하게 측정하면, 그 암석이 형성된 이후 경과한 시간을 계산할 수 있다[1].

방사성 동위원소 연대 측정법은 모원소의 방사성 붕괴를 통해 딸원소가 축적되는 비율을 측정하여 절대 연대를 구하는 방법이다. 이 방법에 사용되는 동위원소는 그 반감기에 따라 측정 가능한 연대 범위가 크게 달라진다. 짧은 반감기의 동위원소는 비교적 최근의 시료를, 긴 반감기의 동위원소는 매우 오래된 시료의 연대를 측정하는 데 적합하다.

주요 방사성 동위원소와 그 특성은 다음과 같다.

이 중 탄소-14 측정법은 고고학과 제4기 지질학에서 가장 널리 사용된다. 반면, 칼륨-아르곤 연대 측정법과 우라늄-납 연대 측정법은 수억 년에서 수십억 년에 이르는 지질 시대의 암석 연대를 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다. 특히 우라늄-납 법은 저어콘과 같은 내구성 강한 광물에서 매우 정밀한 연대를 제공할 수 있다.

각 동위원소 쌍은 특정 암석이나 광물에 포함되어야 하며, 측정 과정에서 딸원소의 손실이나 외부 유입이 없어야 정확한 결과를 얻을 수 있다. 따라서 적절한 동위원소의 선택은 시료의 종류와 예상 연대에 따라 달라진다.

탄소-14 연대 측정법은 방사성 동위원소를 이용한 절대 연대 측정법 중 가장 널리 알려진 방법이다. 이 방법은 약 5만 8천 년 이내의 비교적 젊은 유기물의 연대를 측정하는 데 주로 사용된다. 측정 대상은 목탄, 나무, 뼈, 조개껍데기 등 탄소를 포함한 모든 유기물 잔해이다.

이 방법의 원리는 대기 중의 탄소-14 농도가 일정하다는 가정과 방사성 붕괴의 법칙에 기초한다. 대기 상층에서 우주선과 질소 원자의 상호작용으로 생성된 방사성 탄소-14는 이산화탄소 형태로 식물의 광합성을 통해 생물권으로 들어간다. 동물은 이 식물을 먹이로 삼음으로써 체내에 탄소-14를 축적한다. 생물이 살아있는 동안에는 대기와의 교환을 통해 체내 탄소-14 농도가 일정하게 유지되지만, 사망하면 새로운 탄소-14의 공급이 중단되고 기존의 탄소-14만이 방사성 붕괴를 시작한다. 탄소-14의 반감기는 약 5,730년이다. 따라서 시료에 남아있는 탄소-14의 양을 측정하여 초기 농도 대비 현재 농도의 비율을 계산하면, 사망한 시점으로부터의 시간을 추정할 수 있다.

이 방법의 정확도를 높이기 위해서는 몇 가지 보정이 필요하다. 과거 대기 중 탄소-14 농도는 지자기의 변화나 탄소 순환 등에 의해 변동했을 수 있다. 따라서 측정된 방사성 탄소 연대는 연륜 연대학이나 층서학 등 다른 방법으로 얻은 데이터와 교차 검증하여 보정된 달력 연대로 변환한다. 이러한 보정 곡선을 통해 고고학 유적의 연대나 지질학적 사건의 시기를 보다 정확하게 결정할 수 있다.

칼륨-아르곤 연대 측정법은 칼륨-40(K-40)이 아르곤-40(Ar-40)으로 붕괴하는 과정을 이용하여 암석의 형성 시기를 측정하는 방사성 동위원소 연대 측정 기법이다. 이 방법은 특히 화성암과 변성암과 같이 고온에서 형성되어 아르곤 가스를 처음에는 보유하지 못했던 암석의 연대 측정에 유용하다. 암석이 응고하거나 변성 작용을 받을 때, 기존에 존재하던 아르곤 가스는 모두 방출된다. 이후 암석이 냉각되어 폐쇄계가 되면, 새롭게 칼륨-40이 붕괴하여 생성된 아르곤-40이 암석 내에 축적되기 시작한다. 따라서 현재 암석 샘플에 존재하는 아르곤-40의 양을 측정하고, 이를 원래의 칼륨-40 양(현재의 칼륨-40과 아르곤-40의 합으로 계산됨)과 비교하면 암석이 냉각된 이후의 시간을 계산할 수 있다.

이 방법의 핵심은 칼륨-40의 매우 긴 반감기이다. 칼륨-40은 약 12.5억 년의 반감기를 가지며, 두 가지 경로로 붕괴한다. 약 89%의 확률로 전자 포획을 통해 아르곤-40으로 변하고, 약 11%의 확률로 베타 붕괴를 통해 칼슘-40으로 변한다. 연대 측정에는 일반적으로 아르곤-40으로의 붕괴 경로만을 활용한다. 측정 과정은 정밀한 질량 분석기를 사용하여 암석 샘플 내의 아르곤-40과 안정 동위원소인 아르곤-36의 비율을 분석하는 방식으로 이루어진다. 아르곤-36은 대기 기원으로, 이를 통해 샘플에 포함된 대기 중 아르곤의 오염 정도를 보정할 수 있다.

칼륨-아르곤법은 측정 가능한 연대 범위가 매우 넓다는 장점을 가진다. 수십만 년 전부터 수십억 년 전에 이르는 광범위한 지질 시대를 커버할 수 있어, 고생대, 중생대, 신생대의 화성암 연대 측정에 널리 적용된다. 특히 화산암의 연대를 측정하여 그 사이에 끼어 있는 퇴적암 층이나 화석의 상대적 연대에 절대적인 시간 척도를 부여하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 이 방법은 샘플이 완전한 폐쇄계를 유지해야 하며, 후기의 열적 사건이나 풍화 작용으로 인해 아르곤 가스가 유실되면 측정된 연대가 실제보다 젊게 나올 수 있다는 한계가 있다. 이러한 문제를 보완하기 위해, 레이저 가열 등을 이용해 샘플 내의 아르곤을 단계적으로 추출하여 분석하는 아르곤-아르곤 연대 측정법이 발전하기도 했다.

우라늄-납 연대 측정법은 지질학에서 가장 오래되고 신뢰할 수 있는 절대 연대 측정 방법 중 하나이다. 이 방법은 우라늄-238이 납-206으로, 그리고 우라늄-235가 납-207으로 붕괴하는 두 가지 독립적인 방사성 붕괴 계열을 동시에 활용한다. 각각의 반감기는 매우 길어, 우라늄-238은 약 45억 년, 우라늄-235는 약 7억 년이다. 이렇게 서로 다른 두 개의 붕괴 계열을 비교 분석함으로써 하나의 샘플에 대해 두 개의 연대를 얻을 수 있으며, 이는 방법의 신뢰성을 크게 높인다.

이 방법은 주로 화성암이나 변성암에 포함된 저어콘과 같은 내구성 높은 광물을 분석 대상으로 한다. 저어콘은 결정화될 때 우라늄을 쉽게 포함하지만, 초기 납은 거의 포함하지 않는 특징이 있다. 따라서 측정된 납은 거의 모두 방사성 붕괴에 의해 생성된 방생 납으로 간주할 수 있다. 분석은 질량 분석계를 사용하여 샘플 내 우라늄 동위원소와 납 동위원소의 정확한 비율을 측정하는 방식으로 이루어진다.

두 붕괴 계열에서 계산된 연대가 일치하면(일명 "일치곡선" 상에 위치하면) 그 결과는 매우 정확한 것으로 간주된다. 이 방법은 수억 년에서 수십억 년에 이르는 매우 오래된 암석의 연대를 측정하는 데 적합하다. 따라서 지구 최초의 대륙지각 형성 시기, 선캄브리아 시대 암석의 연대, 그리고 태양계의 기원을 연구하는 데 필수적인 도구로 사용된다.

상대 연대 측정법은 주로 층서학의 법칙과 화석을 활용하여, 암석이나 지층의 선후 관계를 결정한다. 이 방법은 정확한 숫자 연대를 제공하지 않으며, "A 지층이 B 지층보다 오래되었다"와 같은 상대적인 순서만을 알려준다. 따라서 측정 범위는 특정 지질 시대의 시작과 끝을 정확히 규정할 수 없으며, 정확도는 지층의 보존 상태와 화석 기록의 완전성에 크게 의존한다. 지층이 뒤집히거나 단층으로 절단된 경우 오류가 발생할 수 있다.

반면, 절대 연대 측정법은 방사성 동위원소의 반감기를 이용하여 연대를 숫자(예: 6500만 년 전)로 표현한다. 각 동위원소는 고유한 측정 범위를 가진다. 예를 들어, 탄소-14 연대 측정법은 비교적 짧은 반감기(약 5730년)로 인해 최대 5만~6만 년 정도의 비교적 젊은 유기물에만 적용 가능하다. 반면, 우라늄-납 연대 측정법은 수십억 년에 이르는 매우 긴 반감기를 가지므로 지구 최초의 암석이나 운석의 연대를 측정하는 데 사용된다.

절대 연대 측정의 정확도는 사용된 동위원소 계의 특성, 시료의 순도, 실험 장비의 정밀도, 그리고 초기 조건에 대한 가정의 타당성에 따라 달라진다. 일반적으로 측정 연대가 길수록 절대적인 오차 범위는 커지지만, 상대 오차(백분율)는 일정한 경향을 보인다. 상대 연대와 절대 연대 측정법은 서로의 한계를 보완하며, 지질 시대 표를 작성하는 데 함께 활용된다.

상대 연대 측정법은 주로 퇴적암과 그 속에 포함된 화석에 적용된다. 이 방법은 암석층의 상하 관계나 화석의 출현 순서를 통해 상대적인 나이를 결정하므로, 특정 시점의 절대적인 연대를 알려주지는 않는다. 따라서 지층의 상대적인 순서를 파악하는 데는 탁월하지만, 해당 지층이 정확히 몇 년 전에 형성되었는지, 또는 지질 사건들 사이의 시간 간격이 얼마나 되는지에 대한 정보는 제공하지 못한다. 또한, 화석이 전혀 발견되지 않는 암석이나, 화성암이나 변성암과 같이 화석을 포함하지 않는 암석에는 직접 적용하기 어렵다.

절대 연대 측정법은 방사성 동위원소를 포함하는 광물을 분석 대상으로 한다. 이 방법은 화성암의 결정 시기나 변성암의 변성 시기를 직접 측정하는 데 가장 효과적이다. 그러나 모든 암석이 적합한 측정 대상은 아니다. 예를 들어, 퇴적암은 기원이 된 암석의 파편들이 퇴적되어 만들어진 것이므로, 방사성 동위원소 연대 측정을 통해 얻는 연대는 퇴적 시기가 아닌, 그 구성 물질의 원래 암석이 형성된 시기를 의미한다. 또한, 측정에 사용되는 동위원소의 반감기에 따라 측정 가능한 연대 범위가 엄격하게 제한된다.

두 방법은 서로의 한계를 보완하며 활용된다. 상대 연대법으로 지층의 순서를 확립한 후, 그 사이에 끼어 있는 화산암 층 등에 절대 연대 측정법을 적용하면, 전체 지층층서에 절대적인 시간 척도를 부여할 수 있다. 반대로, 절대 연대 측정법으로 얻은 연대 데이터는 전 세계적으로 발견되는 특정 표준화석의 출현 시기를 규정하는 기준이 되어, 상대 연대 측정의 정확도를 높이는 데 기여한다.

지질 시대 표는 지구 역사를 시간 순서대로 구분하고 체계화한 표이다. 이 표는 상대 연대와 절대 연대 측정법을 결합하여 작성된다. 초기에는 층서학의 법칙과 표준 화석을 통해 암석층의 상대적 순서를 확립하는 것이 첫 단계였다. 이후 방사성 동위원소 연대 측정법이 발전하면서 각 지층과 화석이 위치한 구간에 절대적인 숫자 연대(예: 몇 백만 년 전)를 부여할 수 있게 되었다.

주요 지질 시대 구분은 가장 큰 단위인 선캄브리아 시대, 고생대, 중생대, 신생대로 이루어진다. 각 시대는 다시 여러 기로 세분화된다. 예를 들어, 중생대는 트라이아스기, 쥐라기, 백악기로 나뉜다. 각 시대와 기의 경계는 전 지구적으로 나타나는 주요 지질 사건이나 대멸종 사건을 기준으로 설정되는 경우가 많다.

표를 작성할 때는 다음과 같은 정보가 포함된다.

이 표는 계속해서 새로운 연구 데이터로 정밀화되고 수정된다. 특히 절대 연대 측정 기술의 발전과 새로운 화석 발견은 시대 경계의 정확한 연대를 조정하거나 시대 구분 자체를 재정의하는 계기가 되기도 한다. 따라서 지질 시대 표는 고정된 것이 아니라, 과학적 합의에 따라 진화하는 작업 결과물이다.

지질 시대 표는 상대 연대와 절대 연대 측정법을 결합하여 작성되었다. 예를 들어, 캄브리아기의 시작은 약 5억 4100만 년 전으로 정의되는데, 이는 절대 연대 측정법으로 결정된 연대가 화석을 이용한 상대 연대 대비에 적용된 결과이다.

구체적인 적용 사례로는 공룡의 멸종 시기를 규명하는 과정을 들 수 있다. 백악기와 팔레오기의 경계층인 K-Pg 경계에서 이리듐이 풍부한 점토층이 전 세계적으로 발견되었다. 이 층의 절대 연대를 우라늄-납 연대 측정법 등으로 측정한 결과, 대략 6600만 년 전에 해당하는 것으로 확인되었다[4]. 이 절대 연대는 해당 지층 위아래에 있는 화석들의 상대적 순서를 확정하는 기준점 역할을 한다.

또 다른 사례는 인류의 진화 과정을 추적하는 것이다. 아프리카의 오스트랄로피테쿠스 화석이 발견된 지층의 연대는 주로 칼륨-아르곤 연대 측정법을 사용하여 측정한다. 예를 들어, 루시로 알려진 표본은 약 320만 년 전의 화산재층 사이에 위치해 있었고, 이 화산재층의 연대 측정을 통해 그 생존 시기를 절대적으로 규명할 수 있었다.

방사성 동위원소 연대 측정의 정확도는 여러 가지 요인에 의해 영향을 받는다. 가장 중요한 오차 요인 중 하나는 방사성 동위원소의 방사성 붕괴가 일정한 속도로 일어난다는 가정 자체에 대한 위반 가능성이다. 방사성 붕괴율은 일반적으로 매우 안정적이지만, 극단적인 물리적 조건 하에서는 이론적으로 변할 수 있다. 그러나 대부분의 지질학적 환경에서는 이러한 영향이 무시할 수 있을 정도로 작다.

실질적인 오차는 주로 샘플의 방생성 또는 방연성 조건과 관련된다. 방생성 조건이란 측정 대상인 동위원소 계열이 생성된 이후에 외부로부터의 추가적인 유입이나 유출이 전혀 없었음을 의미한다. 만약 샘플이 열이나 압력, 유체의 흐름에 노출되어 모원소나 자원소가 시스템 밖으로 이동했다면, 측정된 연대는 신뢰할 수 없게 된다. 예를 들어, 칼륨-아르곤 연대 측정법에서 아르곤은 기체이기 쉽기 때문에 열사변성 작용을 받은 암석에서는 쉽게 유실될 수 있다.

또 다른 주요 오차 요인은 초기 동위원소 비율에 대한 불확실성이다. 많은 연대 측정법은 샘플이 형성될 당시의 자원소 농도가 0이었다고 가정한다. 만약 초기에 이미 일부 자원소가 존재했다면, 측정된 연대는 실제보다 오래된 것으로 계산된다. 이를 보정하기 위해 동위원소 비를 이용한 등시선 방법이 종종 사용된다. 또한, 샘플이 대기나 지하수와 같은 외부 물질로부터 오염되었다면, 이는 모원소나 자원소의 비율을 크게 왜곡시킬 수 있다.

측정 과정 자체에서도 오차가 발생할 수 있다. 실험실에서의 질량 분석 정밀도, 사용된 방사성 붕괴 상수 값의 불확실성, 그리고 반감기 값의 정확도 모두 최종 연대 값의 신뢰 구간에 영향을 미친다. 따라서 보고되는 절대 연대는 보통 '±' 기호와 함께 오차 범위를 명시한다[6].

샘플링은 연대 측정의 신뢰성을 결정하는 첫 단계이다. 오염되지 않은 대표적인 샘플을 채취하는 것이 필수적이다. 예를 들어 탄소-14 연대 측정법을 위해 유기물 샘플을 채취할 때는 현대의 뿌리나 탄소가 풍부한 지하수와의 접촉을 피해야 한다. 화성암의 연대를 측정할 때는 풍화나 변질이 일어나지 않은 신선한 코어 샘플을 선정한다. 부적절한 샘플링은 이후의 모든 분석 과정을 무의미하게 만들 수 있다.

측정된 데이터는 다양한 보정 과정을 거쳐야 한다. 탄소-14 연대 측정법의 경우, 대기 중 방사성 탄소 농도가 과거에 일정하지 않았기 때문에, 연륜연대학이나 산호, 동굴 퇴적물 등의 데이터를 이용한 보정 곡선(예: IntCal20[7])에 대입하여 보정된 연대를 얻는다. 칼륨-아르곤 연대 측정법에서는 샘플 형성 이후 아르곤 가스가 누출되지 않았는지 확인하고, 필요시 등시선 법을 이용해 보정한다.

따라서 최종 보고되는 절대 연대는 단순한 측정값이 아니라, 샘플의 지질학적 맥락과 실험실 간 교차 검증, 그리고 적절한 보정 절차를 모두 고려한 종합적인 해석의 결과이다. 이러한 과정을 통해 상대 연대와의 비교 및 지질 시대 표 정립에 기여할 수 있는 신뢰할 수 있는 데이터가 도출된다.