고지자기학
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1. 개요
고지자기학은 과거 지구 자기장의 기록을 연구하는 학문이다. 암석에 기록된 자성을 분석하여 지구 자기장의 변화, 대륙 이동, 지질 시대의 연구에 활용된다. 윌리엄 길버트의 연구를 시작으로 20세기 초 데이비드, 브뤼네 등의 연구를 통해 많은 암석이 지구 자기장과 반평행하게 자화된다는 사실이 밝혀졌고, 마쓰야마 모토노리는 지구 자기장의 역전을 발견했다. 고지자기 연구는 열잔류자화, 퇴적잔류자화 등 다양한 자화 현상을 이용하며, 대륙 이동설과 판구조론을 뒷받침하는 증거를 제공한다. 또한, 자기 역전 층서학은 화석의 연대 측정에도 활용되며, 고고자기학을 통해 고대 유물의 연대를 추정하는데도 사용된다.
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| 고지자기학 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 개요 | |
| 분야 | 지구물리학 |
| 연구 대상 | 지구 자기장의 역사 |
| 주요 목적 | 지구 자기장의 과거 변화 연구 지구과학적 현상 해석 |
| 연구 방법 | |
| 기본 원리 | 암석 내 자성 광물의 잔류 자화 측정 |
| 주요 측정 대상 | 퇴적암 화성암 |
| 측정 분석 | 암석의 잔류 자화 방향과 세기 분석 |
| 고지자기학의 응용 | |
| 응용 분야 | 판 구조론 연구 지각 변동 연구 지구 자기장 역전 연구 과거 대륙 분포 복원 |
| 관련 용어 | |
| 관련 용어 | 지자기 잔류 자기 자화 지구 자기장 |
2. 고지자기 역사
자성은 선사 시대부터 알려져 있었지만, 지구 자기장에 대한 과학적 연구는 비교적 늦게 시작되었다. 4세기에 지구 자기장의 수평 방향이, 1791년에는 자기장의 강도가 측정되었다. 윌리엄 길버트는 'de Magnegte'라는 책에서 지구가 거대한 자석이라고 주장했는데, 이는 현대 지구 자기장 이론의 기반이 되었다.[19][20]
지구 자기장은 자기 북극과 자기 남극을 가지고 있으며, 이는 지구 중심에 놓인 거대한 막대자석으로 설명할 수 있다. 베게너가 주장한 대륙 이동설은 대륙 이동의 원동력과 시간 경과에 따른 대륙 이동 움직임을 재구성하지 못해 인정받지 못하였는데, 고지자기 연구를 통해 밝힌 지자기 북극의 겉보기 이동 경로가 베게너가 주장했던 원시 대륙의 모양과 같다는 점이 밝혀졌다. 즉, 지자기 북극의 겉보기 이동은 하나로 붙어 있던 대륙이 지질 시대 동안 분리되어 멀어져 간 결과이므로 대륙이동설의 근거가 된다.[18]
18세기 초, 나침반 바늘이 강하게 자화된 암석 노두 근처에서 편향되는 현상이 관찰되었다. 1797년, 알렉산더 폰 훔볼트는 이러한 자화를 낙뢰의 영향으로 설명했다. 실제로 낙뢰는 지표면 암석을 자화시키는 경우가 많다.[2][14] 19세기의 암석 자화 방향 연구를 통해 일부 용암이 지구 자기장과 평행하게 자화된다는 사실이 밝혀졌다. 20세기 초, 데이비드, 베르나르 브뤼네, 폴 루이 메르깡통 등의 연구를 통해 많은 암석이 지구 자기장과 반평행하게 자화된다는 사실이 밝혀졌다. 1920년대 후반, 일본 지구물리학자 마쓰야마 모토노리는 지구 자기장이 플라이스토세 중기에 역전되었음을 발견했으며, 이는 현재 브뤼네-마쓰야마 역전으로 알려져 있다.[3]
1956년, 영국 물리학자 P.M.S. 블래킷은 민감한 무정위 자력계를 발명하여 고지자기 연구에 큰 발전을 가져왔다. 그는 이 자력계를 통해 지구 자기장과 지구 자전의 관련성을 검증하려 했으나, 결국 이 이론은 기각되었다. 하지만 무정위 자력계는 고지자기 연구의 기본 도구가 되었고, 대륙 이동설을 뒷받침하는 증거를 찾는 데 활용되었다.
알프레드 베게너는 1915년에 대륙이 한때 하나로 연결되어 있었고 그 이후로 분리되어 이동했다는 대륙 이동설을 주장했다.[4] 그러나 당시에는 대륙 이동의 메커니즘이 알려지지 않았고, 시간에 따른 대륙의 이동을 재구성할 방법이 없었기 때문에 큰 지지를 받지 못했다. 키스 런콘[5]과 에드워드 어빙[6]은 유럽과 북미의 겉보기 극 이동 경로를 연구하여 대륙 이동설을 뒷받침하는 증거를 제시했다. 이들은 2억 년 전까지 대륙이 붙어 있었다고 가정하면 겉보기 극 이동 경로가 일치한다는 사실을 발견했다. 1963년, 몰리, 바인, 매튜스는 해양 자기 이상이 해저 확장의 증거임을 밝혀냈다.
3. 고지자기 연구
고지자기학은 여러 규모에서 연구된다.
3. 1. 지자기 역전
지구의 자기장 극성은 주기적으로 역전된다. 즉 북자극이 남자극이 되고 남자극이 북자극으로 바뀌는데, 이렇게 극성이 역전될 때 형성된 암석은 기존 방향의 반대 극성으로 자화된다. 현재와 같은 자성을 보이면 정자기, 역전되어 반대된 자성을 보이면 역자기라고 표현한다.[1] 정자기는 현재 지구 자기장과 같은 방향을 나타내고, 역자기는 그 반대 방향을 나타낸다. 고지자기 역전 주기는 아직 명확하게 밝혀지지 않았으며, 불규칙한 간격으로 일어나고 있다.[1]
right
용암과 퇴적물로부터 특정 지역의 한 시기에 자화된 정상극성 또는 역전극성을 가지는 암석의 자기장이 다른 지역에서 발견된 동시대 암석의 자기장과 일치하는 것은 지구 자기장이 실제로 역전되었음을 밝히는 증거가 되었다.[1] 자기 역전의 개념이 확립된 이후, 방사성 연대 측정 기술을 이용하여 여러 용암과 퇴적물의 자기극을 측정하였고, 지자기 시간 척도를 확립할 수 있었다.[1]
3. 2. 열잔류자화
현무암과 같은 화성암의 산화철 티타늄 광물은 암석이 퀴리 온도를 지나 냉각될 때 지구 자기장의 방향을 보존한다. 자철석의 퀴리 온도는 약 580°C이며, 대부분의 현무암과 반려암은 900°C 이하에서 결정화된다. 광물 알갱이는 지구 자기장에 맞춰 물리적으로 회전하지 않고, 자기장의 방향을 기록한다. 이렇게 보존된 기록은 열잔류자화(TRM)라고 불린다.
결정화 후 화성암이 냉각되면서 복잡한 산화 반응이 일어날 수 있기 때문에 지구 자기장의 방향이 항상 정확하게 기록되는 것은 아니며, 기록이 반드시 유지되는 것도 아니다. 그럼에도 불구하고, 그 기록은 판구조론과 관련된 해저 확산 이론의 발전에 중요할 만큼 바다 지각의 기저부에 잘 보존되어 있다.
TRM은 또한 제도용 가마, 난로, 불에 탄 어도비 건물에도 기록될 수 있다.[7] 고고학 유물에 기록된 열잔류자화를 연구하는 분야를 고고자기학 연대 측정이라고 한다.
3. 3. 퇴적잔류자화
침전물에 있는 자기 알갱이들은 침전 중이나 침전 직후에 지구 자기장과 정렬할 수 있는데, 이것은 퇴적잔류자화(DRM)라고 알려져 있다. 알갱이가 침전될 때 자화가 획득되면 퇴적 잔류 자화(dDRM)가 되고, 침전 직후에 획득되면 후퇴적 잔류자화(pDRM)가 된다.[9]
자화 획득 시의 수평면을 독립적으로 추정할 수 있으면, 잔류 자화의 방향으로부터 자화 획득 시의 복각과 편각을 얻을 수 있다. 자화 획득 시의 편각으로부터 극의 방향을, 복각으로부터 위도와 지자기의 극성을 알 수 있다. 또한 이들로부터 극에 대한 상대 운동량을 기술할 수 있다. 잔류 자화의 강도는 기본적으로 자화 획득 시의 자장 강도에 비례하지만(자장 강도 이외에도 기여하는 조건이 많다), 적절한 조건이 갖춰지면 잔류 자화를 획득한 시대·장소의 지구 자장 강도와 그 변화를 얻을 수 있다. 지구 자장이 지축에 평행한 지심쌍극자가 만드는 자장에 근사할 수 있다는 가정 하에, 잔류 자화 획득 시의 복각과 맞춰 당시의 지심쌍극자 모멘트의 강도를 추정할 수 있다.
3. 4. 화학잔류자화
화학 반응 중에 자성 알갱이가 성장하면서 형성 당시 자기장의 방향을 기록하는데, 이 자기장은 화학잔류자화(CRM)에 의해 기록된다고 한다.[10] 화학잔류자화의 일반적인 형태는 또 다른 산화 철인 광물 적철석에 의해 유지된다.[10] 적철석은 자철석을 포함한 암석의 다른 미네랄의 화학적 산화 반응을 통해 형성된다.[10] 적색층과 쇄설성 퇴적암(예: 사암)이 붉은색을 띠는 것은 퇴적암 발생 시 형성된 적철석 때문이다.[10] 적색층의 CRM 사인은 상당히 유용할 수 있으며 지자기층서학 연구에서 일반적인 표적이 된다.[10]
3. 5. 등온잔류자화
일정한 온도에서 얻어지는 잔류자기를 등온잔류자화(IRM, isothermal remanent magnetization)라고 한다. 이러한 종류의 잔류자기는 고지자기학에는 유용하지 않지만, 낙뢰로 인해 얻어질 수 있다. 낙뢰에 의한 잔류자화는 높은 세기와 수 센티미터 단위의 급격한 방향 변화로 구분할 수 있다.[11][10]
IRM은 종종 강철 코어 배럴의 자기장에 의해 드릴 코어에 유도된다. 이러한 오염 물질은 일반적으로 배럴과 평행하며, 대부분은 약 400 °C까지 가열하거나 작은 교류 자기장에서 감자하여 제거할 수 있다. 실험실에서는 다양한 세기의 자기장을 가하여 IRM을 유도하며, 이는 암석자기의 여러 목적으로 사용된다.
3. 6. 점성 잔류 자화
점성 잔류 자화는 강자성 물질이 일정 시간 동안 자기장의 영향을 받아 획득하는 잔류 자기를 의미한다. 암석에서 나타나는 이 잔류 자기는 일반적으로 현재 지구 자기장의 방향으로 정렬된다.[1] 암석의 전체 자화 중 점성 잔류 자화가 차지하는 비율은 암석 내 자성 광물의 종류에 따라 달라진다.[1]
자화 획득 당시의 수평면을 독립적으로 추정할 수 있다면, 잔류 자화 방향으로부터 자화 획득 시의 복각과 편각을 알아낼 수 있다.[1] 자화 획득 시의 편각을 통해 극의 방향을, 복각을 통해 위도와 지자기 극성을 파악할 수 있다.[1] 또한, 이를 통해 극에 대한 상대적인 운동량을 기술할 수 있다.[1]
잔류 자화의 강도는 기본적으로 자화 획득 당시의 자기장 강도에 비례한다.[1] (물론 자기장 강도 외에도 영향을 주는 요인이 많다)[1] 따라서 적절한 조건이 갖춰진다면, 잔류 자화를 획득한 시대와 장소에서의 지구 자기장 강도와 그 변화를 추정할 수 있다.[1] 지구 자기장이 지축에 평행한 지심 쌍극자가 만드는 자기장에 가깝다는 가정 하에, 잔류 자화 획득 시의 복각을 이용하여 당시 지심 쌍극자 모멘트의 강도를 추정할 수 있다.[1]
4. 고지자기 시술
2억 년 전보다 오래된 고지자기 데이터를 얻기 위해 과학자들은 육지에서 자철석을 함유한 샘플을 채취한다. 고지자기학자들은 암석층이 노출된 노두를 선호하며, 도로 절개면은 편리한 인공 노두의 역할을 한다.[12]
샘플링의 주요 목표는 두 가지이다.[13]
1. 정확한 방향을 가진 샘플 확보
2. 통계적 불확실성 감소
정확한 방향의 샘플을 얻기 위해 다이아몬드 비트가 장착된 암석 코어링 드릴을 사용한다. 드릴은 암석 주위에 원통형 공간을 만들고, 이 공간에 나침반과 경사계가 부착된 파이프를 삽입하여 방향을 측정한다. 이 장치를 제거하기 전에 샘플에 표시를 하고, 샘플이 분리된 후에는 표시를 더 명확하게 한다.[13]
5. 응용 분야
고지자기 증거는 전환 및 극 이동 데이터와 함께 1960년대와 1970년대에 대륙 이동설과 판구조론을 확인하는 데 중요한 역할을 했다.[14] 고지자기 증거는 암석과 지질 작용의 연대를 추정하고, 지각 일부의 변형 역사를 재구성하는 데에도 사용된다.
역전 자기층서학은 화석과 호미닌(사람족) 유적이 있는 지역의 연대를 추정하는 데 자주 활용된다.[15] 반대로, 알려진 연대의 화석이 있는 경우, 고지자기 데이터를 통해 화석이 퇴적된 위도를 추정할 수 있다. 이러한 고위도는 퇴적 당시의 지질 환경에 대한 정보를 제공한다.
고지자기 연구는 지구 연대 측정 방법과 결합하여 암석의 절대 연대를 결정한다. 현무암과 같은 화성암의 경우, 일반적으로 칼륨-아르곤 연대 측정과 아르곤-아르곤 연대 측정이 사용된다.
뉴질랜드의 과학자들은 마오리족의 전통 요리 방식인 항이를 연구하여 지구 자기장의 변화를 밝혀냈다.
6. 주의점
초기에는 화성암에만 적용할 수 있었다. 그러나 1950년대에 자력계의 감도가 크게 향상되어 퇴적암에도 사용할 수 있게 되었다. 또한, 해상 지자기 관측을 통해 심해저(거의 대부분이 현무암이다)의 자화를 추정할 수 있게 되었다.[1]
정확히 알 수 있는 것은 극이 아니라 자극이다. 그러나 과거에도 자극과 극은 크게 다르지 않다고 생각되며, 수천 년 이상의 시간 척도로 평균을 내면 자극 분포의 중심은 극과 일치한다고 생각된다.[1]
자화 획득 당시의 복각과 편각을 얻으려면 당시의 수평면을 추정해야 한다.[1]
참조
[1]
서적
This dynamic earth: the story of plate tectonics (online edition version 1.20)
U.S. Geological Survey
2016-11-06
[2]
학술지
Ueber die merkwürdige magnetische Polarität einer Gebirgskuppe von Serpentinstein
https://books.google[...]
1797
[3]
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[4]
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Vieweg
1915
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학술지
Paleomagnetic and palaeoclimatological aspects of polar wandering
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학술지
Speleology and magnetobiostratigraphic chronology of the GD 2 locality of the Gondolin hominin-bearing paleocave deposits, North West Province, South Africa
[8]
뉴스
Maori stones hold magnetic clues
https://www.bbc.co.u[...]
2012-12-07
[9]
웹사이트
Detrital Remanent Magnetization (DRM)
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웹사이트
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참고문헌
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참고문헌
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참고문헌
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참고문헌
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학술지
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WIKIPEDIA Paleomagnetism
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