아르곤-아르곤 연대 측정

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1. 개요
2. 방법
3. 상대 연대 측정
4. 보정
5. 적용 및 한계
6. 실제 사용 사례
7. 추가 정보
참조

1. 개요

아르곤-아르곤 연대 측정은 칼륨-아르곤 연대 측정법을 발전시킨 연대 측정 방법으로, 암석 내 칼륨-40의 붕괴를 통해 생성된 아르곤-40의 양과 중성자 조사로 생성된 아르곤-39의 비율을 이용하여 암석의 연대를 계산한다. 이 방법은 칼륨이나 아르곤의 절대적인 양을 측정할 필요가 없고, 칼륨-아르곤 연대 측정의 시료 불균질성 문제를 해결할 수 있다. 아르곤-아르곤 연대 측정은 변성암 및 화성암의 연대 측정에 주로 사용되며, 지질 단층의 이동 연대 측정에도 활용된다. 이 기술은 K-Ar 연대 측정에서 발생하는 오차를 확인하고, 결정의 개별 영역을 조사하여 서로 다른 사건 동안 형성되고 냉각되는 결정을 식별하는 데 유용하다.

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아르곤-아르곤 연대 측정
개요
방법	방사성 연대 측정
측정 대상	화성암, 변성암, 퇴적암 등
측정 가능 연대	수천 년에서 수십억 년 전
원리
기본 원리	칼륨-아르곤 연대 측정법의 개선된 형태
40Ar/39Ar 비율 측정	중성자 조사를 통해 39K을 39Ar로 변환
연대 계산	40Ar과 39Ar의 비율을 이용하여 연대 계산
장점	시료 내의 아르곤 손실에 대한 오차 보정 가능 보다 정확한 연대 측정 가능
분석 과정
시료 준비	암석 시료를 작게 분쇄
중성자 조사	원자로에서 중성자 조사
단계 가열 탈기	시료를 단계적으로 가열하여 아르곤 기체를 추출
질량 분석	추출된 아르곤 기체의 동위원소 비율 측정
연대 계산	측정된 동위원소 비율을 바탕으로 연대 계산
응용 분야
지질학	화산 활동 시기 측정 지각 운동 시기 측정 지층 연대 측정
고고학	고대 유적의 연대 측정 초기 인류 화석의 연대 측정
추가 정보
불활성 기체 질량 분석기	40Ar-39Ar 연대 측정에 사용되는 장비
하나로 원자로	연구용 원자로, 중성자 조사를 위해 사용

2. 방법

아르곤-아르곤 연대 측정(⁴⁰Ar/³⁹Ar)은 칼륨-아르곤 연대 측정(K-Ar)법을 발전시켜 정확도를 높인 연대 측정 방법이다. 칼륨-아르곤 연대 측정법에서는 암석·광물 시료에 포함된 K(칼륨)의 양을 불꽃 광도 분석 또는 원자 흡광 분석으로, 방사성 붕괴로 생성된 ⁴⁰Ar(아르곤-40)의 양을 질량 분석으로 측정하고, 그 양의 비율을 바탕으로 연대를 구한다. 반면 아르곤-아르곤 연대 측정법에서는 원자로 내에서 시료에 중성자를 조사하여 시료 중 K의 일부를 ³⁹Ar(아르곤-39)로 변환(³⁹K(n, p)³⁹Ar 반응)하고, K에서 기원한 ³⁹Ar과 방사성 붕괴로 생성된 ⁴⁰Ar의 동위원소 비율로부터 연대를 구한다.

아르곤-아르곤 연대 측정은 아르곤 동위원소 비율 측정만으로 연대를 구할 수 있기 때문에, 시료에서 가스를 부분적으로 추출하는 방법을 이용할 수 있다는 장점이 있다.

2. 1. 측정 원리

아르곤-아르곤 연대 측정은 칼륨-아르곤 연대 측정의 원리와 거의 같다. 암석이 형성된 후 암석 내부의 칼륨-40은 방사성 붕괴를 통해 아르곤-40으로 변한다. 이 과정을 이용해 시료 내 아르곤-40과 칼륨-40의 양을 구해 암석의 연대를 계산한다.^[5]

:

t = \frac{1}{\lambda} \ln (1 + \frac{\lambda}{\lambda_e + \lambda_e^'} \cdot \frac{40Ar}{40K})

(

\lambda

: 칼륨-40의 전체 붕괴상수,

\lambda_e

: 칼륨-40이 아르곤-40으로 붕괴할 때의 붕괴 상수,

\lambda_e^'

: 칼륨-40이 칼슘-40으로 붕괴할 때의 붕괴상수)

아르곤-아르곤 연대 측정을 위해 시료를 중성자 빔에 노출시키면 시료 내의 ³⁹K 핵은 아래 반응에 의해 중성자와 반응하여 ³⁹Ar을 만들고 한 개의 양성자를 방출한다. 아래 식으로부터 ³⁹Ar이 생성되기 위해서는 1.2 MeV 이상의 에너지를 갖는 속중성자가 필요하다.^[6]

:³⁹₁₉K + ¹₀n → ³⁹₁₈Ar + ¹₀H + Q

중성자 조사(照射)를 통해 생성되는 ³⁹Ar_K의 양은 중성자 조사 시간, 중성자속의 세기와 반응 단면적의 함수로서 다음의 식으로 계산된다.^[7]

:

39Ar_K = 39K \cdot {\Delta} \int {\phi}(E){\sigma}(E)dE

(

{\Delta}

: 중성자 조사 시간,

{\phi}(E)

: 에너지 E에서의 중성자속의 강도(Neutron Flux),

{\sigma}(E)

: 에너지 E에서의 중성자 흡수단면적(neutron capture cross section))

위의 두 식을 결합하면 아래와 같은 아르곤-아르곤 연대 측정 기본식이 얻어진다.

:

\frac{40Ar}{39Ar_K} = \frac{40K}{39K} \cdot \frac{\lambda_e + \lambda_e^'}{\lambda} \cdot \frac{1}{\Delta} \cdot \frac{e^{\lambda t}}{\int {\phi}(E){\sigma}(E)dE}

K-Ar 연대를 잘 알고 있는 물질을 미지의 시료와 같이 중성자에 조사시킨 후 아르곤의 동위원소비를 구하여 아래 식에 정의된 J Factor를 얻을 수 있다.

:

J = \frac{40K}{39K} \cdot \frac{\lambda}{\lambda_e + \lambda_e^'} \cdot {\Delta}T \cdot \int {\phi}(E){\sigma}(E)dE

J Factor가 계산되면 미지의 시료에 대한 아르곤-아르곤 연대는 다음 식에 의해 계산된다. 아르곤-아르곤 연대 측정은 아르곤 동위 원소 비율만 알면 연대를 계산할 수 있어 칼륨이나 아르곤의 절대적 양을 구할 필요 없고 칼륨-아르곤 연대 측정에서 문제가 되는 시료의 불균질성 문제도 해결할 수 있다.

:

t =  \frac{1}{\lambda} \cdot \ln (1 + J \cdot \frac{40Ar}{39Ar_K})

2. 2. 측정 과정

시료는 일반적으로 분쇄되고, 분석을 위해 광물의 단결정 또는 암석 파편을 손으로 선택한다. 그런 다음 중성자-양성자 반응(n,p 반응)인 ³⁹K(n,p)³⁹Ar을 통해 ³⁹K에서 ³⁹Ar을 생성하도록 조사(照射)한다. 그 후 레이저 또는 저항로를 사용하여 고진공 질량 분석기에서 시료의 가스를 제거한다. 가열하면 광물(또는 광물들)의 결정 구조가 분해되고 시료가 녹으면서 포획된 기체가 방출된다. 기체에는 이산화 탄소, 물, 질소와 같은 대기 기체와 지질 시대에 걸쳐 일반적인 방사성 붕괴로 생성된 아르곤 및 헬륨과 같은 방사성 기체가 포함될 수 있다. ⁴⁰Ar*의 풍부도는 시료의 나이에 따라 증가하지만, 증가율은 ⁴⁰K의 반감기(12억 4800만 년)에 따라 지수적으로 감소한다.

2. 3. 연대 방정식

시료의 연대는 다음 연대 방정식으로 나타낸다.^[5]

:

t=\frac{1}{\lambda} \ln (J \times R+1)

여기서 λ는 ⁴⁰K의 방사성 붕괴 상수(약 5.5 x 10⁻¹⁰ 년⁻¹, 반감기는 약 12억 5천만 년에 해당)이고, J는 J-인자(조사 과정과 관련된 매개변수), R은 ⁴⁰Ar*/³⁹Ar 비율이다. J-인자는 조사 과정 동안 중성자 폭격의 플루언스와 관련이 있다. 중성자 입자의 밀도가 높을수록 ³⁹K 원자가 ³⁹Ar로 전환되는 비율이 높아진다.

3. 상대 연대 측정

⁴⁰Ar/³⁹Ar 방법은 상대 연대만을 측정한다. ⁴⁰Ar/³⁹Ar 기법으로 연대를 계산하려면, 미지 시료와 함께 알려진 연대의 표준 시료를 조사하여 J 인자를 결정해야 한다. 이 (주)표준은 ⁴⁰Ar/³⁹Ar로 결정될 수 없으므로, 다른 연대 측정 방법으로 먼저 결정되어야 한다. 주 표준의 연대 측정에 가장 일반적으로 사용되는 방법은 기존 K/Ar 기법이다.^[1] 사용된 표준을 보정하는 또 다른 방법은 천문학적 조정(또는 궤도 조정)이며, 약간 다른 연대를 얻는다.^[2]

4. 보정

아르곤-아르곤 연대 측정은 다른 연대 측정 방법과 약간의 불일치가 있었다.^[3] Kuiper 등의 연구에 따르면 0.65%의 보정이 필요하다고 보고되었다.^[4] 따라서 이전에 6500만 년 전 또는 6550만 년 전으로 추정되었던 백악기-고제3기 멸종(공룡이 멸종된 시기)은 6600만-6610만 년 전으로 더 정확하게 측정된다.

5. 적용 및 한계

아르곤-아르곤(Ar-Ar^영어) 연대 측정은 주로 변성암 및 화성암 광물의 연대 측정에 사용된다. 이 방법은 일반적으로 광물이 폐쇄 온도를 지날 때 냉각된 시점을 반영한다. 광물마다 폐쇄 온도가 다른데, 흑운모는 약 300°C, 백운모는 약 400°C, 각섬석은 약 550°C이다. 따라서 암석이 이러한 폐쇄 온도 이하로 냉각된 후 모든 ⁴⁰Ar을 보유하고 있으며, 분석 과정에서 적절하게 샘플링되었다는 가정을 전제로 한다.

Ar-Ar^영어 연대 측정은 K-Ar 연대 측정에서 발생하는 오차를 확인할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 칼륨 함량을 별도로 측정할 필요가 없으며, 최신 분석 방법을 통해 결정의 개별 영역을 조사하여 서로 다른 사건 동안 형성되고 냉각된 결정을 식별할 수 있다.

6. 실제 사용 사례

조형성 외(2011)는 부산광역시에 분포하는 다대포층 기저의 데사이트질 기반암과 상부를 덮는 현무암질 안산암의 시료를 채취하여 아르곤-아르곤 연대 측정(⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대측정)을 실시하였다. 분지의 기반암인 데사이트는 다소 불확실한 약 94 Ma, 다대포층을 덮는 현무암질 안산암은 약 69 Ma의 연대가 구해졌다. 데사이트질 기반암의 연대 측정 결과가 신뢰할 만한 수준은 되지 못해 현재로서는 다대포층이 94 Ma 이후에 퇴적이 시작되었다고 단정할 수 없으나, 현무암질 안산암이 상부 다대포층을 직접 덮는 것으로 보아 다대포층은 69 Ma 직전까지 퇴적이 계속된 것으로 판단된다. 조형성 등은 이 결과를 바탕으로 다대포층이 하양층군 칠곡층에 대비될 가능성은 매우 희박하며 경상 누층군 진동층 상부 또는 고성층에 대비될 가능성이 높고, 앞서 김인수가 발견한 역자화 성분은 하양층군 함안층 및 칠곡층의 바렘절(Barremian) 시기의 역자화 성분이 아니라 상파뉴절(Campanian) 시기에 해당되는 역자화 성분으로 해석하였다.^[8]

7. 추가 정보

아르곤-아르곤 연대 측정법에는 간섭 반응, 반동 효과, 데이터 표시 방법 등 여러 추가적인 고려 사항들이 존재한다.

'''간섭 반응'''은 중성자 조사 과정에서 칼륨이나 칼슘과 같은 다른 원소들이 아르곤 동위원소를 생성하는 현상을 말한다. 이러한 간섭 반응은 연대 측정 결과에 오차를 유발할 수 있으므로, 보정이 필요하다.^[1] 예를 들어, 칼슘은 중성자와 반응하여 $^{36}$Ar을 생성할 수 있는데, 이는 대기 중 $^{36}$Ar과 구분하기 어렵다.^[1] 따라서, 칼슘 함량이 높은 시료의 경우, 간섭 반응을 고려하여 연대 측정 결과를 보정해야 한다.

'''반동 효과'''는 $^{39}$Ar 원자가 중성자와의 충돌로 인해 원래 위치에서 벗어나는 현상을 의미한다. 이는 특히 미세한 광물 결정에서 중요하게 고려해야 할 요소이다.^[1] 반동 효과로 인해 $^{39}$Ar이 결정 외부로 방출되거나, 결정 내 다른 위치로 이동할 수 있으며, 이는 연대 측정 결과에 오차를 유발한다.

'''데이터 표시 방법'''은 아르곤-아르곤 연대 측정 결과를 나타내는 방법으로, 일반적으로 연대 스펙트럼(age spectrum) 또는 등시선(isochron) 그림을 사용한다.^[1] 연대 스펙트럼은 각 가열 단계에서 방출된 $^{39}$Ar의 양과 연대를 함께 표시하는 그래프이며, 등시선 그림은 $^{40}$Ar/$^{36}$Ar 대 $^{39}$Ar/$^{36}$Ar 비율을 그래프로 나타낸 것이다. 이러한 그림들을 통해 연대 측정 결과의 신뢰성을 평가하고, 시료의 열 역사를 추론할 수 있다.

참조

_[1] 웹사이트 New Mexico Geochronology Research Laboratory: K/Ar and ⁴⁰Ar/³⁹Ar Methods http://geoinfo.nmt.e[...] New Mexico Bureau of Geology and Mineral Resources 2008-09-16
_[2] 저널 ⁴⁰Ar/³⁹Ar ages of tephras intercalated in astronomically tuned Neogene sedimentary sequences in the eastern Mediterranean http://www.geo.uu.nl[...] 2004
_[3] 저널 Absolute Ages Aren't Exactly 1998
_[4] 저널 Synchronizing Rock Clocks of Earth History 2008
_[5] 저널인용 하나로 원자로와 불활성기체 질량분석기를 이용한 40Ar-39Ar 연대측정 https://scienceon.ki[...] 2001
_[6] 서적 Geochronology and thermochronology by the ⁴⁰Ar/³⁹Ar method Oxford Univ. Press 1999
_[7] 저널 The argon-40/argon-39 method for potassium-argon age determination 1968
_[8] 저널인용 부산시 백악기 다대포분지 내 화산암류의 암석기재와 ⁴⁰Ar/³⁹Ar 연대 : 다대포층의 퇴적시기와 대비 (Petrography and 40Ar/39Ar ages of volcanic rocks in the Cretaceous Dadaepo Basin, Busan: Accumulation time and correlation of the Dadaepo Formation) https://www.dbpia.co[...] 2011-02

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