칼륨-아르곤 연대 측정

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1. 개요
2. 원리
3. 장점 및 단점
- 3.1. 장점
- 3.2. 단점
4. 측정 방법
- 4.1. 칼륨 함량 측정
- 4.2. 아르곤 함량 측정
5. 활용 및 응용
6. 한국에서의 연구
7. 한계점 보완: 아르곤-아르곤 연대 측정법
참조

1. 개요

칼륨-아르곤 연대 측정은 암석이나 광물에 포함된 방사성 칼륨-40(⁴⁰K)의 붕괴를 통해 생성된 아르곤-40(⁴⁰Ar)의 양을 측정하여 암석의 생성 시기를 결정하는 방사성 연대 측정법이다. 칼륨-40은 약 12억 5천만 년의 반감기를 가지며, 베타 붕괴를 통해 칼슘-40(⁴⁰Ca)으로, 전자 포획을 통해 아르곤-40으로 변환된다. 이 방법은 10만 년 이상 된 지질학적 시료의 연대 측정에 주로 사용되며, 지구 자기 역전 시대 척도 개발, 고고학적 유적의 연대 측정, 화성 암석의 연대 측정 등 다양한 분야에 활용된다. 그러나 아르곤의 손실, 불균질성, 대기 중 아르곤 혼입 등의 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해 아르곤-아르곤 연대 측정법이 개발되었다.

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칼륨-아르곤 연대 측정
개요
종류	방사성 연대 측정법
측정 대상	화성암 변성암 고고학적 자료
측정 원리	칼륨-40(K-40)의 방사성 붕괴를 이용하여 아르곤-40(Ar-40)의 양을 측정하여 연대를 결정
주요 응용 분야	지질학 고고학
측정 가능 연대 범위	수천 년 전 ~ 수십억 년 전
장점	화성암 연대 측정에 유용 변성암 연대 측정에 유용 측정 가능 연대 범위가 넓음
단점	시료 준비 과정이 복잡 대기 중의 아르곤 오염에 취약 시료의 변질에 따른 오차 가능성
개발자	알프레드 O. 니어
최초 개발 시기	1940년대
발달 시기	1960년대
측정 오차	1~5% 내외
추가적인 측정	아르곤-아르곤 연대 측정법
주의사항	시료의 기원과 상태에 대한 정확한 이해 필요 등시선 연대 측정 방법과 병행하여 결과의 신뢰도 확인 필요
칼륨-아르곤 연대 측정법의 원리
칼륨-40의 붕괴	칼륨-40(K-40)은 방사성 붕괴를 통해 아르곤-40(Ar-40)과 칼슘-40(Ca-40)으로 붕괴
아르곤-40의 축적	아르곤-40(Ar-40)은 비활성 기체이므로 암석 내에 갇힘
연대 측정 방법	암석 내 칼륨-40(K-40)과 아르곤-40(Ar-40)의 비율을 측정하여 연대 계산
반감기	칼륨-40(K-40)의 반감기는 12억 5천만 년
측정 과정	암석 시료 채취 시료를 녹여 아르곤 추출 추출된 아르곤 양 측정 칼륨-40의 양 측정 연대 계산
역사
초기 연구	알프레드 O. 니어가 1930년대 후반에 칼륨-40(K-40)의 방사성 붕괴를 처음 발견 1940년대에 칼륨-아르곤 연대 측정법의 기초를 마련
발전	1950년대 후반에 측정 기술이 개선됨 1960년대에 지질학 연구에 널리 사용됨
추가 발달	1960년대 후반 아르곤-아르곤 연대 측정법 개발 1975년 측정법 개선
K-Ar 연대 측정 시스템
측정 시스템	한국기초과학지원연구원에 도입된 K-Ar 연대 측정 시스템
시스템 구성	질량 분석기와 아르곤 정제 시스템으로 구성
측정 성능	높은 정확도와 정밀도로 연대 측정 가능
응용
지질학	화성암 및 변성암의 연대 측정 지질 구조 및 지각 변동 연구 화산 활동 연대 측정 지구 연대 연구
고고학	고대 유물의 연대 측정 인류 진화 연구 고환경 연구
장점 및 단점
장점	화성암 및 변성암 연대 측정에 유용 측정 가능 연대 범위가 넓음 다른 연대 측정법과 함께 사용하여 정확도 향상 가능
단점	대기 중 아르곤 오염 가능성 방사성 붕괴 과정 중 아르곤-40(Ar-40)이 암석에서 빠져나갈 수 있음 연대 측정을 위한 시료 준비 과정이 복잡 시료의 변질에 따른 오차 가능성
추가 정보
개선된 측정법	아르곤-아르곤 연대 측정법

2. 원리

칼륨-아르곤 연대 측정법은 칼륨-40(⁴⁰K)이 아르곤-40(⁴⁰Ar)으로 방사성 붕괴하는 현상을 이용한다. ⁴⁰K는 반감기가 약 12억 년으로, ⁴⁰Ar으로 붕괴한다.^[3]

암석이 용융된 상태(마그마)에서는 기체 상태인 ⁴⁰Ar이 빠져나가지만,^[19] 암석이나 광물이 식어 고체가 되면 ⁴⁰Ar은 더 이상 방출되지 않고 광물의 결정 격자 속에 갇히게 된다.^[19] 화산 분화 등으로 지표면에서 마그마가 식어 고체가 된 시점부터 ⁴⁰Ar이 다시 누적되기 시작한다.^[19]

이후 누적된 ⁴⁰Ar의 양을 측정하고, 붕괴하는 ⁴⁰K의 양과 비교하여 마그마가 응고된 후부터 현재까지 경과된 시간을 추정할 수 있다.^[19]

2. 1. 칼륨-40의 붕괴

칼륨-40(⁴⁰K)은 자연에 존재하는 칼륨의 동위원소 중 하나로, 전체 칼륨의 약 0.012%를 차지한다.^[20] ⁴⁰K는 불안정하여 방사성 붕괴를 통해 안정한 동위원소로 변환된다. 반감기는 약 12억 5천만 년이다.^[3]⁴⁰K 붕괴의 약 89%는 베타 붕괴를 통해 칼슘-40(⁴⁰Ca)으로 전환된다.(⁴⁰K → ⁴⁰Ca + β^-)^[16]^[21] ⁴⁰K 붕괴의 약 11%는 전자 포획 또는 양전자 방출을 통해 아르곤-40(⁴⁰Ar)으로 전환된다.(⁴⁰K + e^- → ⁴⁰Ar + γ)^[16]^[21]

구체적인 붕괴 방식은 다음과 같다.^[16]

Electron capture^영어: {}^{40}K{} +\mathit{e}^- -> {}^{40}Ar\ + \gamma
Beta decay^영어: {}^{40}{K} -> {}^{40}Ca\ + \beta^-

칼륨-40이 아르곤-40으로 붕괴하는 것은 항상 일어나지만, 암석이 용융되면 기체인 아르곤-40은 마그마를 벗어나게 된다. 암석이나 광물이 식어 고체가 되면 아르곤은 더 이상 방출되지 않고 광물의 결정 격자 속에 갇히게 된다. 화산 분화 등으로 지표면에서 마그마가 식어 고체가 된 때부터 아르곤-40이 다시 누적되는데, 이 양을 칼륨-40의 양과 비교함으로써 마그마가 응고된 때로부터 현재까지 경과된 시간을 추정할 수 있다.^[19]

2. 2. 아르곤-40의 축적

칼륨-40(⁴⁰K)은 반감기 12억 년을 가지고 아르곤-40(⁴⁰Ar)으로 붕괴한다. 암석이 용융된 상태(마그마)에서는 기체 상태인 ⁴⁰Ar이 빠져나가지만,^[19] 암석이나 광물이 식어 고체가 되면 아르곤은 더 이상 방출되지 않고 광물의 결정 격자 속에 갇히게 된다.^[19] 화산 분화 등으로 지표면에서 마그마가 식어 고체가 된 시점부터 ⁴⁰Ar이 다시 축적되는데, 이 양을 ⁴⁰K의 양과 비교하여 마그마가 응고된 때로부터 현재까지 경과된 시간을 추정할 수 있다.^[19]

: ⁴⁰K (반감기 12억년) → ⁴⁰Ar (안정)

아르곤은 비활성 기체이므로 대부분 암석 샘플에서 미량 성분이며, 결정 격자에서 다른 원자와 결합하지 않는다. ⁴⁰K이 ⁴⁰Ar으로 붕괴될 때, 그 원자는 일반적으로 광물 결정 내 다른 원자들 사이의 공간보다 크기 때문에 격자 내에 갇히게 된다. 하지만 압력이나 온도 변화와 같은 조건이 충족되면 주변 영역으로 빠져나갈 수 있다. 대부분의 결정이 녹으면 ⁴⁰Ar 원자는 용융 마그마를 통해 확산되어 빠져나갈 수 있다. 마그마에서 빠져나가지 못한 아르곤은 마그마가 다시 고체 암석으로 식을 때 결정 내에 다시 갇힐 수 있다. 마그마가 재결정화된 후, 더 많은 ⁴⁰K이 붕괴되고 ⁴⁰Ar은 다시 축적되어 광물 결정에 갇히게 된다. ⁴⁰Ar 원자의 양을 측정하여 암석 샘플이 고화된 이후 경과된 시간을 계산하는 데 사용된다.

1955년에 등장^[13]한 방법으로, 마그마에 포함되어 있는 방사성 원소인 ⁴⁰K는 약 13억 년의 반감기를 가지고 방사성 붕괴하여 약 11%는 ⁴⁰Ar이라는 다른 원소로 변한다.^[16]

방사성 붕괴에 의한 칼륨-40의 감소량(혹은 아르곤-40의 증가량)은 다음 방정식으로 나타낼 수 있다.

t = \frac{t_\frac{1}{2}}{\ln(2)} \ln\left(\frac{K_f + \frac{Ar_f}{0.109}}{K_f}\right)

이 방정식을 통해 마그마가 결정화된 시점부터 현재까지 얼마나 ⁴⁰Ar이 증가했는지를 예측할 수 있다. 이것과 관측된 ⁴⁰Ar의 양을 비교하면, 마그마가 고화된 이후부터 현재까지의 경과 시간을 알 수 있다.

2. 3. 연대 측정 공식

암석 내 ⁴⁰Ar^영어의 양과 ⁴⁰K^영어의 양을 측정하여 다음 공식을 통해 암석의 연대(T)를 계산할 수 있다.^[17]

:

T = \frac{1}{\lambda_{total}} \cdot \ln(\frac{^{40}Ar^*}{^{40}K} \cdot \frac{\lambda_{total}}{\lambda_{ec}} + 1)

$^{40}Ar^*$ 는 칼륨-40의 방사성 붕괴에 의해 만들어지는 아르곤-40을 의미한다.
$\lambda_{total}$ 은 ⁴⁰K^영어의 전체 붕괴 상수이다.
$\lambda_{ec}$ 는 전자 포획에 의한 붕괴 상수이다.

이때 ⁴⁰Ar^*는 방사성 붕괴로 생성된 ⁴⁰Ar^영어의 양이다.⁴⁰K^영어 (반감기 12억년) 중 89.52%는 베타 붕괴를 통해 칼슘-40이 되고 나머지 10.48%만이 전자 포획과 양전자 방출(β⁺ 또는 양의 베타 붕괴)을 통해 ⁴⁰Ar^영어이 된다.^[21]⁴⁰K^영어 중에서 ⁴⁰Ar^영어으로 붕괴되는 양은

\frac{\lambda_{ec}}{\lambda_{total}}

(

\lambda_{total} = \lambda_{ec} + \lambda_{\beta}

) 로 나타낼 수 있다.^[17]

다른 표현식으로는 다음과 같다.^[16]

:

t = \frac{t_\frac{1}{2}}{\ln(2)} \ln\left(\frac{K_f + \frac{Ar_f}{0.109}}{K_f}\right)

''t''는 경과된 시간
''t''_1/2는 ⁴⁰K^영어의 반감기
K_f는 시료에 남아 있는 ⁴⁰K^영어의 양
Ar_f는 시료에서 발견된 ⁴⁰Ar^영어의 양

여기서 계수 0.109는 ⁴⁰K^영어 중 ⁴⁰Ca^영어으로 붕괴된 측정되지 않은 부분을 보정한다.

2. 4. 기본 가정

칼륨-아르곤 연대 측정(K-Ar 연대 측정) 방법으로 계산된 연대가 암석의 실제 나이를 나타내려면, 다음과 같은 가정이 필요하다.^[4]

모핵종인 ⁴⁰K^영어는 물리적 상태와 관계없이 일정한 속도로 붕괴하며, 압력이나 온도의 영향을 받지 않는다. 이는 방사성 붕괴를 이용한 모든 연대 측정 방법에 공통적으로 적용되는 중요한 가정이다. ⁴⁰K^영어의 전자 포획 붕괴 상수 변화가 고압에서 발생할 수 있다는 이론적 계산이 있지만, 지구 정도 크기의 천체 내부 압력에서는 그 영향이 무시할 만하다.^[1]
자연계에서 ⁴⁰K^영어/³⁹K^영어 비율은 일정하므로, ⁴⁰K^영어는 직접 측정되지 않고 전체 칼륨의 0.0117%로 가정한다. 냉각 시점에 다른 과정이 없다면, 지구 시료에서는 이 가정이 매우 잘 들어맞는다.^[5]
시료에서 측정된 방사성 기원의 아르곤(⁴⁰Ar^영어)은 암석이 결정화되거나 재결정화된 이후 ⁴⁰K^영어의 붕괴로 생성되었다. 이 가정이 위배되는 경우는 드물지 않다. 외부 ⁴⁰Ar^영어이 포함된 예로는 기존의 ⁴⁰Ar^영어을 완전히 제거하지 못한 차가운 유리질 심해 현무암^[6]과 오래된 외부 암석(xenolith) 물질에 의한 마그마 오염이 있다. Ar-Ar 연대 측정 방법은 외부 아르곤의 존재를 측정하기 위해 개발되었다.
대기 중 비방사성 ⁴⁰Ar^영어 흡수에 의한 시료 오염을 피해야 한다. ⁴⁰Ar^영어이 ³⁶Ar^영어보다 295.5배 많은 공기 중 존재량을 ⁴⁰Ar^영어_측정값에서 빼서 보정할 수 있다. (⁴⁰Ar^영어_붕괴 = ⁴⁰Ar^영어_측정값 − 295.5 × ³⁶Ar^영어_측정값)
시료는 연대 측정 대상 사건 이후 폐쇄계를 유지해야 한다. 즉, ⁴⁰K^영어의 방사성 붕괴 외에 ⁴⁰K^영어 또는 ⁴⁰Ar^영어의 손실이나 증가가 없어야 한다. 이 가정을 벗어나는 경우는 복잡한 지질학적 역사를 가진 지역에서 흔하지만, 열적 역사를 밝히는 유용한 정보를 제공하기도 한다. 알려진 연령 시료에서 ⁴⁰Ar^영어 부족은 해당 지역의 열적 역사에서 완전하거나 부분적인 용융을 나타낼 수 있다. 약간 다른 열적 역사를 가진 여러 지역 시료를 채취하면 지질학적 특징의 연대 측정 신뢰도를 높일 수 있다.^[7]

불꽃 광도계와 질량 분석법은 모두 파괴적 분석이므로, 사용된 시료 일부가 전체 시료를 대표하는지 확인해야 한다. Ar-Ar 연대 측정은 시료의 동일 부분에서 동위원소 비율을 비교하여 이 문제를 피하는 유사한 기술이다.

3. 장점 및 단점

칼륨-아르곤 연대 측정법은 10만 년 이상 된 광물과 암석의 연대 측정에 적합하며, 지구 자기 역전 시대 척도 개발에 중요한 역할을 했다.^[2] 칼륨은 지각에 풍부하여 다양한 암석과 광물에 적용 가능하며, 올두바이 협곡과 같은 고고학 유적지의 연대 측정에도 사용되었다.^[8]

하지만 이 측정법에는 몇 가지 단점이 있다. 광물이 풍화되거나 재가열되면 아르곤이 손실될 수 있고, 외부 결정 혼입으로 인한 재결정으로 과잉 아르곤이 함유될 수 있다.^[17] 이는 실제 연령보다 더 오래된 연령을 나타낼 수 있다.^[23]^[24]^[25]^[26] 또한, 칼륨과 아르곤을 분리 측정하므로 시료의 불균질성 문제가 발생할 수 있다.^[27]

실제로 대한민국 옥동 단층 부근 장산 규암층의 K-Ar 연대 측정에서 과잉 아르곤 문제가 발생한 사례가 있다.^[17]

대기 중 아르곤 혼입^[14]이나 시료 변질도 오차를 발생시킨다. 예를 들어 장석류가 약한 열수 변질을 받으면 칼륨이 감소하여 실제 연대보다 오래된 연대가 나올 수 있다.^[15]

이러한 단점을 보완하기 위해 Ar-Ar 연대 측정법이 개발되었다.^[16]

3. 1. 장점

Potassium|칼륨^영어-40의 긴 반감기 덕분에 이 측정법은 10만 년 이상 된 광물과 암석의 연대 측정에 가장 적합하다.^[2] 더 짧은 시간 척도에서는 정확하게 측정할 수 있을 만큼 충분한 Argon|아르곤^영어-40이 축적될 시간이 없을 가능성이 높다. 칼륨-아르곤 연대 측정법은 지구 자기 역전 시대 척도의 개발에 중요한 역할을 했다.^[2]

칼륨은 지각에 풍부하게 존재하는 원소이므로, 다양한 종류의 암석과 광물에 적용 가능하다. 지질학적 응용 분야에서 가장 유용하게 사용되지만, 고고학에서도 중요한 역할을 한다. 한 예시로 올두바이 협곡의 고고학적 퇴적층 위아래의 용암 흐름을 연대 측정하여 퇴적층의 연대를 추정하는데 사용되었다.^[8] 또한 화산 활동의 역사가 있는 동아프리카의 다른 초기 유적지 (예: 에티오피아 하다르)에서도 필수적이었다.^[8]

3. 2. 단점

칼륨-아르곤 연대 측정(K-Ar 연대 측정)에는 몇 가지 한계와 문제점이 있다.

아르곤 손실 및 과잉 문제: 광물 시료가 풍화되거나 재가열되면 아르곤이 손실될 수 있다. 또한 외부 결정 혼입으로 인한 재결정 작용이 발생할 수 있으며, 특히 과잉 아르곤 함유로 인해 실제 연령보다 더 오래된 연령이 나올 수 있다.^[23]^[24]^[25]^[26]
시료 불균질성 문제: 칼륨 및 아르곤 분리 측정으로 인해 시료의 불균질성 문제가 발생할 수 있다.^[27]

실제로 대한민국 옥동 단층에 의해 잘린 장산 규암층의 K-Ar 연대 측정에서 과잉 아르곤 문제가 발생한 적이 있다.^[17] 김명정과 박계헌(2018)은 옥동 단층대 하부 장산 규암층 내 견운모 석영 편암의 K-Ar 연령 분석 자료에 대해 다음과 같이 설명하였다.

견운모는 칼륨 함량이 낮고, 석영이 상당량 포함되어 있다. 석영은 칼륨을 높은 농도로 갖지 않는 광물이기 때문에 적은 양의 과잉 아르곤도 칼륨-아르곤 연대 측정에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 분석된 암석 표품에 함유된 석영은 상당량의 과잉 아르곤을 포함하는 것으로 추정되며, 장산층 연령을 한정하는 근거로 활용하는 것은 부적절하다.^[17]

이 외에도 K-Ar 연대 측정이 암석의 실제 나이를 나타내려면 다음과 같은 가정이 만족되어야 한다.

모핵종인 ⁴⁰K는 물리적 상태와 관계없이 일정한 속도로 붕괴하며 압력이나 온도 차이의 영향을 받지 않는다.
자연계에서 ⁴⁰K/³⁹K 비율은 일정하다.
시료에서 측정된 방사성 아르곤은 암석이 결정화되거나 재결정화된 이후 ⁴⁰K의 붕괴에 의해 생성되었다.
대기로부터 비방사성 ⁴⁰Ar의 흡수에 의한 시료 오염을 피해야 한다.
시료는 연대 측정 대상 사건 이후 ⁴⁰K 또는 ⁴⁰Ar의 손실이나 증가가 없는 폐쇄계를 유지해야 한다.

불꽃 광도계와 질량 분석법은 모두 파괴적 분석이므로, 사용된 시료 일부가 전체 시료를 대표하는지 확인해야 한다.

대기 중 아르곤 혼입^[14]이나 시료 변질은 실제 연대와 겉보기 연대에 오차를 발생시킨다. 예를 들어, 시료가 장석류인 경우, 탄산염화, 견운모화, 점토화 등의 약한 열수 변질을 받으면 칼륨이 감소하여 실제 연대보다 오래된 연대가 나올 수 있다.^[15]

이러한 단점을 보완하기 위해 Ar-Ar 연대 측정법이 개발되었다.^[16]

4. 측정 방법

칼륨-아르곤(K-Ar) 연대 측정법은 암석 내 방사성 동위원소인 칼륨-40(⁴⁰K)이 아르곤-40(⁴⁰Ar)으로 붕괴하는 현상을 이용한다. ⁴⁰Ar은 비활성 기체이므로 암석 생성 시에는 대부분 빠져나가지만, 암석이 굳은 후 ⁴⁰K 붕괴로 생성된 ⁴⁰Ar은 암석 내에 갇히게 된다. 따라서 암석 내 ⁴⁰Ar의 양을 측정하면 암석 생성 후 경과 시간을 계산할 수 있다.

K-Ar 연대 측정을 위해서는 암석 시료를 채취, 분쇄 후 불꽃 광도법이나 원자 흡수 분광법으로 칼륨 함량을, 질량 분석법으로 아르곤 양을 측정한다.

K-Ar 연대 측정값이 암석의 실제 나이를 나타내려면 다음 가정이 참이어야 한다.^[4]

⁴⁰K는 압력, 온도와 관계없이 일정한 속도로 붕괴한다. (모든 방사성 연대 측정법의 주요 가정)^[1]
자연 상태에서 ⁴⁰K/³⁹K 비율은 일정하다.^[5]
측정된 ⁴⁰Ar은 암석 결정화 이후 ⁴⁰K 붕괴로 생성되었다. (외부 ⁴⁰Ar 혼입 예시: 심해 현무암^[6], 오래된 크세노리스)
대기 중 비방사성 ⁴⁰Ar 유입을 주의해야 한다. (⁴⁰Ar_측정값에서 공기 중 ⁴⁰Ar 양(³⁶Ar의 295.5배)을 빼서 보정)
시료는 ⁴⁰K, ⁴⁰Ar 손실/증가 없이 폐쇄계를 유지해야 한다. (열적 역사에 따라 정보 제공 가능^[7])

Ar-Ar 연대 측정은 시료 동일 부분에서 동위원소 비율을 비교하여 이 문제를 해결한다.

4. 1. 칼륨 함량 측정

칼륨은 자연적으로 3가지 동위원소, 즉 ³⁹K (93.2581%), ⁴⁰K (0.0117%), ⁴¹K (6.7302%)로 존재한다. 이 중 ³⁹K와 ⁴¹K는 안정적이며, ⁴⁰K는 방사성을 띠며 1.248 × 10⁹년의 반감기를 가지고 ⁴⁰Ca과 ⁴⁰Ar으로 붕괴한다.^[3]

암석이나 광물 내 ⁴⁰K의 양을 측정하기 위해, 일반적으로 ³⁹K의 양을 측정하고 여기에 ⁴⁰K/³⁹K 동위원소 비율 (0.0117%/93.2581%)을 곱한다. 시료 내 칼륨 함량은 불꽃 광도법 또는 원자 흡수 분광법으로 정량 분석한다.

4. 2. 아르곤 함량 측정

시료를 진공 상태에서 가열하여 기화시킬 때 방출되는 기체의 질량 분석법을 통해 아르곤(Ar)의 양을 측정한다. 칼륨은 불꽃 광도법 또는 원자 흡수 분광법으로 정량화한다.^[3]

의 양은 직접 측정하는 대신, 더 일반적인 을 측정하고 그 양에 /의 비율(0.0117%/93.2581%)을 곱하여 계산한다.^[3]

총 아르곤 중 대기에서 유입된 아르곤의 양을 평가하기 위해 의 양도 함께 측정한다. 대기 중 의 양은 보다 295.5배 많으므로, 다음 식을 통해 붕괴로 생성된 의 양을 보정한다: .^[4]

5. 활용 및 응용

칼륨-아르곤 연대 측정(K-Ar 연대 측정)은 Potassium|칼륨^영어-40(}이 Argon|아르곤^영어-40(})으로 붕괴하는 현상을 이용하여 10만 년 이상 된 광물과 암석의 연대를 측정하는 방법이다. 은 비활성 기체이므로 대부분 암석에 미량으로 존재하며, 결정 격자 내 다른 원자와 결합하지 않는다. 이 으로 붕괴될 때, 아르곤 원자는 광물 결정 내에 갇히지만, 압력이나 온도 변화 등의 조건에 따라 빠져나갈 수 있다. 용융된 마그마에서는 원자가 빠져나가지만, 마그마가 굳어 암석이 되면 다시 결정 내에 갇히게 된다. 따라서 원자의 양을 측정하면 암석이 고화된 이후의 시간을 계산할 수 있다.^[3]

칼슘-40()은 지각에 풍부하여 연대 측정에 유용하지 않다. K-Ar 연대 측정법은 지구 자기 역전 시대 척도 개발에 중요한 역할을 했으며,^[2] 고고학에서는 올두바이 협곡과 같은 초기 유적지의 연대를 추정하는 데 사용되었다.^[8] 또한, 점토 광물 다이아제네시스 연대 측정에도 활용된다.^[9]

2013년, 화성 탐사 로버 큐리오시티는 K-Ar 연대 측정법을 사용하여 화성 표면의 암석 연대를 측정했는데, 이는 다른 행성 암석을 광물 성분으로 연대 측정한 최초의 사례이다.^[11]^[12]

5. 1. 지질학

아르곤은 비활성 기체이기 때문에 대부분의 암석 샘플에서 미량 성분이다. 아르곤은 결정 격자에서 다른 원자와 결합하지 않는다. Potassium|칼륨^영어-40()이 Argon|아르곤^영어-40()으로 붕괴될 때, 그 원자는 일반적으로 광물 결정 내 다른 원자들 사이의 공간보다 크기 때문에 격자 내에 갇히게 된다. 하지만 압력이나 온도 변화와 같은 적절한 조건이 충족되면 주변 영역으로 빠져나갈 수 있다. 대부분의 결정이 녹고 원자가 더 이상 갇히지 않기 때문에 원자는 용융 마그마를 통해 확산되어 빠져나갈 수 있다. 마그마에서 빠져나가지 못한 혼입 아르곤은 마그마가 다시 고체 암석으로 식을 때 결정 내에 다시 갇힐 수 있다. 마그마의 재결정화 후, 더 많은 이 붕괴되고 은 혼입된 아르곤 원자와 함께 다시 축적되어 광물 결정에 갇히게 된다. 원자의 양을 측정하여 암석 샘플이 고화된 이후 경과된 시간을 계산하는 데 사용된다.^[3]

Calcium|칼슘^영어-40()이 선호되는 딸 핵종임에도 불구하고, 칼슘이 지각에 매우 풍부하고 이 가장 풍부한 동위원소이기 때문에 연대 측정에 거의 유용하지 않다. 따라서 원래 존재하는 칼슘의 양은 알 수 없으며 방사성 붕괴에 의해 생성되는 미세한 증가량의 측정을 방해할 만큼 충분히 변할 수 있다.

의 긴 반감기 때문에 이 기법은 10만 년 이상 된 광물과 암석의 연대 측정에 가장 적합하다. 더 짧은 시간 척도의 경우, 정확하게 측정할 수 있을 만큼 충분한 이 축적될 시간이 없을 가능성이 높다. K–Ar 연대 측정법은 지구 자기 역전 시대 척도의 개발에 중요한 역할을 했다.^[2] 지질학적 응용 분야에서 가장 유용하게 사용되지만, 고고학에서도 중요한 역할을 한다. 한 고고학적 응용 사례는 올두바이 협곡의 고고학적 퇴적층 위아래의 용암 흐름을 연대 측정하여 퇴적층의 연대를 추정하는 것이다.^[8] 또한 화산 활동의 역사가 있는 동아프리카의 다른 초기 유적지, 예를 들어 에티오피아 하다르에서도 필수적이었다.^[8] K–Ar 방법은 점토 광물 다이아제네시스의 연대 측정에도 계속 유용하게 사용된다.^[9] 2017년에는 풍화에 의해 형성된 일라이트의 성공적인 연대 측정이 보고되었다.^[10] 이 발견은 간접적으로 일라이트를 채취한 노르웨이 서부의 스트랜드플랫 연대 측정으로 이어졌다.^[10] 점토 광물은 두께가 2μm 미만으로 얇아 Ar–Ar 분석을 위해 쉽게 조사할 수 없다. 아르곤이 결정 격자에서 재결합하기 때문이다.

2013년, 화성 탐사 로버 큐리오시티는 K–Ar 방법을 사용하여 화성 표면의 암석을 연대 측정했다. 다른 행성에 있는 암석을 그 광물 성분으로 연대 측정한 최초의 사례이다.^[11]^[12]

5. 2. 고고학

칼륨-아르곤 연대 측정(K-Ar 연대 측정)은 지구 자기 역전 시대 척도 개발에 중요한 역할을 했다.^[2] 지질학적 응용 분야에서 가장 유용하게 사용되지만, 고고학에서도 중요한 역할을 한다. K-Ar 연대 측정은 올두바이 협곡의 고고학적 퇴적층 위아래의 용암 흐름을 연대 측정하여 퇴적층의 연대를 추정하는 데 사용되었으며,^[8] 화산 활동의 역사가 있는 동아프리카의 다른 초기 유적지, 예를 들어 에티오피아 하다르에서도 필수적이었다.^[8] K-Ar 방법은 점토 광물 다이아제네시스의 연대 측정에도 계속 유용하게 사용된다.^[9] 2017년에는 풍화에 의해 형성된 일라이트의 성공적인 연대 측정이 보고되었으며,^[10] 이 발견은 간접적으로 일라이트를 채취한 노르웨이 서부의 스트랜드플랫 연대 측정으로 이어졌다.^[10]

2013년, 화성 탐사 로버 큐리오시티는 K-Ar 방법을 사용하여 화성 표면의 암석을 연대 측정했는데, 이는 다른 행성에 있는 암석을 그 광물 성분으로 연대 측정한 최초의 사례이다.^[11]^[12]

5. 3. 기타

칼륨은 자연적으로 3가지 동위원소, 즉 칼륨-39(93.2581%), 칼륨-40(0.0117%), 칼륨-41(6.7302%)를 가지고 있다. 이 중 칼륨-39와 칼륨-41은 안정적이다. 칼륨-40은 방사성을 띠며, 1.248 × 10^9년의 반감기를 거쳐 칼슘-40과 아르곤-40으로 붕괴된다. 붕괴의 89.3%는 전자 방출(베타 붕괴)을 통해 안정적인 칼슘-40으로 전환되고, 나머지 10.7%는 전자 포획을 통해 안정적인 아르곤-40으로 전환된다.^[3]

아르곤은 비활성 기체이므로 대부분의 암석 샘플에서 미량 성분으로 존재하며, 결정 격자에서 다른 원자와 결합하지 않는다. 칼륨-40이 아르곤-40으로 붕괴될 때, 생성된 아르곤 원자는 광물 결정 내에 갇히게 된다. 그러나 압력이나 온도 변화와 같은 조건이 충족되면 빠져나갈 수 있다. 용융 마그마에서는 아르곤-40 원자가 확산되어 빠져나가지만, 마그마가 다시 고체 암석으로 식으면 결정 내에 다시 갇히게 된다. 이러한 아르곤-40 원자의 양을 측정하여 암석 샘플이 고화된 이후 경과된 시간을 계산할 수 있다.

칼슘-40은 지각에 매우 풍부하고 가장 풍부한 동위원소이기 때문에 연대 측정에 유용하지 않다. 반면, 칼륨-40의 긴 반감기 덕분에 이 기법은 10만 년 이상 된 광물과 암석의 연대 측정에 적합하다. K-Ar 연대 측정법은 지구 자기 역전 시대 척도 개발에 중요한 역할을 했으며,^[2] 고고학에서도 올두바이 협곡과 같은 초기 유적지의 연대 추정에 활용되었다.^[8] 또한 점토 광물 다이아제네시스의 연대 측정에도 유용하게 사용된다.^[9]

2013년, 화성 탐사 로버 큐리오시티는 K-Ar 방법을 사용하여 화성 표면의 암석을 연대 측정했는데, 이는 다른 행성에 있는 암석을 그 광물 성분으로 연대 측정한 최초의 사례이다.^[11]^[12]

6. 한국에서의 연구

한국기초과학지원연구원은 대한민국에서 유일하게 K-Ar 연대 측정 장비를 보유하고 있으며, 1997년부터 광물 및 암석의 K-Ar 연대 측정을 수행하고 있다.^[17] 한국기초과학지원연구원의 K-Ar 연대 측정 시스템은 흑연 전기로, 가스 정제 장치, 불활성 기체 질량 분석기, 자료 수집 장치 등으로 구성된다. 전기로(爐)는 흑연 발열체와 탄탈럼 튜브로 구성되며 시료는 1450°C의 온도에서 10분간 가열된다.^[17]

K-Ar 연대 측정은 한반도의 지질학적 연대 및 지질 구조 해석에 기여해 왔다. 그러나, 옥동 단층과 장산 규암층의 K-Ar 연령 측정과 관련하여, 과잉 아르곤 문제로 인해 측정 결과 해석에 논란이 발생한 사례가 있다.

조선 누층군 장산층(장산 규암층)은 일반적으로 캄브리아기로 인정받고 있지만, 그 지질시대에 대한 논란이 존재한다. 윤현수(1983)는 영월군 옥동 지역에서 옥동 단층에 발달한 견운모 석영편암 시료로부터 235±5 Ma, 266±5 Ma, 그리고 562±5 Ma의 3개 K-Ar 연령을 보고하였으며,^[28] 이를 근거로 이용일 외(2016)는 장산 규암층이 선캄브리아기의 지층이라고 주장하였다.^[29]

김명정과 박계헌(2018)은 이용일 외(2016)의 "태백산분지에 분포하는 장산층의 퇴적시기 및 암석 특성 재고찰" 논문^[17]에서 인용된, 옥동 단층대를 따라 발달한 하부 장산 규암층 내 견운모 석영 편암의 K-Ar 연령이 옥동 단층의 활동 시기와 옥동 단층이 절단하는 장산층의 퇴적시기를 한정하는데 활용될 수 있다는 점에 주목하고, 보고된 연령 분석 자료의 신뢰도와 지질학적 의미에 대해 다음과 같이 설명하였다.

견운모는 최후의 단층 활동 시기에 생성되었다고 하더라도 분석된 연령값은 단층 운동의 시기를 나타내는 것으로 보기 어렵다. '견운모 농집부분'으로 기술된 표품의 경우 칼륨 함량이 1.44%로 매우 낮은데, 이는 다른 광물에 비해 매우 낮은 값이다. 암석 자체가 견운모 석영편암이기 때문에 견운모가 아닌 석영이 상당량 포함되어 있다. 석영은 원래 칼륨을 높은 농도로 갖는 광물이 아니기 때문에 비교적 적은 양의 과잉 아르곤의 존재도 칼륨-아르곤 연대 측정에 심각한 영향을 줄 수 있다는 점에서 문제가 된다. 상대적으로 오래된 연령을 나타내는 석영이 포함되어 있기 때문에 실제 단층 활동 시기는 이보다 매우 젊은 시기일 것으로 추정된다. 정확한 단층 활동 시기를 구하기 위해서는 석영의 함량도 계산해야 한다.

따라서, 분석된 암석 표품에 함유된 석영은 상당량의 과잉 아르곤을 포함하는 것으로 추정되기 때문에 장산층의 연령을 한정하는 근거로 활용하는 것은 부적절하며, 윤현수(1983)가 제시한 K-Ar 연령을 옥동 단층의 활동 시기로 해석하거나 이에 근거하여 옥동 단층이 절단하는 장산층의 연령을 선캄브리아기로 해석하는 것은 적절하지 않다.^[17]

7. 한계점 보완: 아르곤-아르곤 연대 측정법

칼륨-아르곤 연대 측정법은 대기 중 아르곤이 섞여 들어가거나 시료가 변질되어 실제 연대와 겉보기 연대에 오차가 생길 수 있다. 예를 들어 시료가 장석류인 경우, 탄산염화, 견운모화, 점토화 등 약한 열수 변질을 거치면 칼륨이 줄어들어 실제 연대보다 더 오래된 연대가 나올 수 있다.^[15]

이러한 단점을 보완하기 위해 아르곤-아르곤 연대 측정법이 개발되었다.^[16]

참조

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_[3] 보고서 ENSDF decay data in the MIRD format for ⁴⁰Ar https://www.nndc.bnl[...] National Nuclear Data Center 2019-12-29
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_[6] 문서 ⁴⁰Ar* means radiogenic argon
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_[10] 저널 The inheritance of a Mesozoic landscape in western Scandinavia 2017
_[11] 웹사이트 NASA Curiosity: First Mars Age Measurement and Human Exploration Help http://www.jpl.nasa.[...] Jet Propulsion Laboratory 2013-12-09
_[12] 웹사이트 Martian rock-dating technique could point to signs of life in space https://www.uq.edu.a[...] University of Queensland 2013-12-13
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_[15] 저널 足尾流紋岩質火砕岩類のジルコンU-Pb 年代と全岩K-Ar年代
_[16] 간행물 極微量の岩石鉱物試料の地質年代測定精密な時間軸を入れた火山活動史の解明へ向けて https://www.aist.go.[...] 産業技術総合研究所 2006
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_[18] 저널 한국기초과학지원연구원에 도입된 K-Ar 연대 측정시스템: 개요 및 성능 (New K-Ar dating system in Korea Basic Science Institute: Summary and Performance) https://scienceon.ki[...] 2001
_[19] 서적 제4기 지질시대 연대측정방법 Quaternary Dating Methods 문우사 2016
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_[25] 저널 The source and significance of argon isotopes in fluid inclusions from areas of mineralization https://www.scienced[...] 1986-09
_[26] 저널 옥동단층대 석영편암의 K-Ar 연령에 대한 검토: 장산층의 선캠브리아기 퇴적에 대한 확실한 증거로 활용 가능한가? (A review on the K-Ar Ages of Quartz Schist in the Okdong Fault Zone: Robust Enough for the Evidence for the Precambrian Deposition of the Jangsan Formation?) https://scienceon.ki[...] 2018
_[27] 서적 Potassium-argon dating;: Principles, techniques, and applications to geochronology https://archive.org/[...] W. H. Freeman 1969
_[28] 저널 K-Ar ages of micas from Precambrian and Phanerozoic rocks in the northeastern part of Republic of Korea https://www.e-period[...] 1983
_[29] 저널 Depositional age and petrological characteristics of the Jangsan Formation in the Taebaeksan Basin, Korea-revisited (태백산분지에 분포하는 장산층의 퇴적시기 및 암석 특성 재고찰) https://www.dbpia.co[...] 2016-02

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