지적여정 #1. 한반도, 화강암, 방사성 연대

‘지적여정’ 시리즈는 필자가 고등학교 수업 시간에 떠올린 의문점 등에 대하여 자체적인 자료 조사를 통하여 그 답을 찾고, 기록해두기 위해 기획되었습니다.

질문

한반도에서는 왜 화강암반의 비율이 높고, 왜 높은 화강암 비율은 높은 자연 방사선량을 지시하는가? 그리고, 탄소 연대추정법 이외에도 또 어떤 다른 방사성 동위원소의 붕괴를 이용한 연대 추정법이 존재하는가?

정대수 선생님. 일반물리학 시간 중 떠올린 질문

대답

화강암에는 방사성 동위원소가 다른 암석에 비하여 많다. 일반적인 화강암에는 흔히 아르곤-18 ($Ar-18$)으로 붕괴되는 칼륨-20 ($K-20$)의 함량이 높으며(왜냐하면, 화강암은 K-장석이라고도 불리는 정장석이 다량으로 포함된 경우가 많으므로), 대표적인 방사성 동위원소를 다량 가진 우라늄($U$)이나 토륨($Th$)의 함량도 높다. 이 때문에 화강암 지대의 자연 방사능 수치가 다른 곳보다 높게 나오는 편이다.

우리나라의 국토 대부분은 화강암과 변성암으로 구성되어, 세계적으로도 자연 방사성 수치가 높은 편에 해당한다.

우리나라의 국토 대부분이 화강암과 변성암으로 구성된 이유는 우리나라 지괴의 형성 과정에서 그 이유를 찾아볼 수 있다. 주된 이유 중 하나는 중생대 쥐라기에 일어난 대규모 습곡 운동(지각 변동)에 해당하는 대보 조산 운동(쥐라기 초기 ~ 백악기 초기, 1억 8천만년 전 ~ 1억 2천만년 전)이다. 이 대보조산운동으로 잏나여 쥐라기 이전의 지층들은 대부분 심한 변형을 받았고, 현재와 같이 복잡한 한반도의 지형 특색이 나타나게 되었다. 당시 모종의 이유로 다량의 관입 화강암이 형성되었는데, 한반도 중부의 옥천대 양쪽으로 분포하는 이들 쥐라기 화강암을 대보 화강암이라 한다. 서울의 북한산 및 도봉산 일대에서 강원도 강릉의 설악산까지 이어진 산맥을 이루는 화강암들은 모두 대보 화강암에서 유래한 것으로 알려져 있다. 대보화강암의 주성분 광물은 석영, 사장석, 알칼리장석, 흑운모, 각섬석, 백운모 등이다.

또 다른 주 이유 중 하나는 중생대 백악기부터 신생대 제3기까지 일어난 조산 운동인 불국사 조산운동(불국사 변동, 백악기 ~ 신생대 제3기, 기원전 9,700만년 전 ~ 기원전 5,700만년 전)이다. 중생대 당시, 대륙의 가장자리에 위치한 한반도의 해양판의 침강으로 인해 다수의 지질학적 변화를 겪었는데 그 중 하나가 불국사 조산운동인 것이다. 불국사 조산운동에 의해서는 한반도 곳곳에서 마그마의 관입 및 화산 분출이 발생하였는데, 이들은 주로 경주 불국사 부근과 경상 분지에서 집중적으로 발생하였다(이 때문에 이름이 ‘불국사 변동’이라고 붙었다). 이 변동으로 한반도의 여러 산맥이 형성되었으며, 경상 분지에 대부분 소규모로 분포하고 있는 불국사 화강암이 생성되었다. 이들 불국사 화강암은 경주 토함산에서 처음 발견되었으며, 경상분지 이외에도 강원도의 간성, 속초, 인제, 홍천을 연결한 지대에 분포하며, 광주, 금성, 해남을 연결하는 지대, 속리산과 문경, 제천 사이에 짧게 분포한다. 불국사 화강암류는 적어도 3회에 걸쳐 화성작용이 있었던 것으로 생각되며, 가장 대표적인 불국사 화강암체로는 흑운모 화강암이 있다. 불국사 화강암의 주성분은 석영, 알칼리장석, 사장석, 각섬석, 흑운모 등이 있다.

방사성 탄소 연대추정법의 경우는 지구 대기에서 대기 중에 존재하는 탄소-12 원자와 탄소-14 원자의 구성 비율은 우주선과 대기 분자와 충돌하면서 방출된 중성자들이 질소-14 분자와 충돌하여 끊임없이 탄소-14 원자를 생성해내기 때문에 거의 일정하다고 한다(이 비율은 대략 탄소-12 원자 1조 개에 대하여 탄소-14 원자 1개 정도가 된다). 이러한 비율은 생명체는 기체 교환을 통한 호흡을 필수적으로 하므로, 생물체 내에서도 거의 동일하다. 하지만 생물이 죽으면 더 이상 대기 중의 탄소를 흡수하지도, 배출하지도 않기 때문에, 시간이 지나면 탄소-14 원자가 베타 붕괴하여 질소-14로 붕괴된다.

이러한 방사성 탄소 연대 측정법의 경우는 고고학에서 주로 이용되는 것으로, 주로 생물체나 유기적 사료의 연대 측정에 줄곧 이용된다.

방사성 동위원소를 이용한 연대 추정법의 경우는 반감기가 긴 장반감기 동위원소나 반감기가 짧은 단반감기 동위 원소를 이용한다. 장반감기 동위원소 핵종으로는 우라늄 계열의 $U$, $Th$, $Rb$, $Sm$, $Lu$, $Re$, $La$, $Os$, $Pt$, $Pa$ 등이 있으며, 단반감기 핵종으로는 $C-14$ , $Be-10$, $129-I$, $Cl-36$ 등이 있다.

장반감기 핵종의 경우는 보통 지질학에서 오래된 암석 시료의 연대 측정에 주로 이용된다(반감기가 기니까). 현재 지질학에서 많이 이용되는 동위원소는 $U-Pb$, $Rb-Sr$, $K-Ar$, $Sm-Nd$, $Re-Os$, $Lu-Hf$ 등의 동위 원소가 있다. 반면에 단반감기 핵종인 $C-14$의 경우는 고고학이나 제4기 지질학에서 널리 이용되는 편이다.

결론

1. 화강암반에서 자연 방사능이 높게 검출되는 이유는?

일반적인 화강암은 방사성 동위원소에 해당하는 칼륨($K$), 우라늄($U$), 토륨($Th$) 등을 보다 높은 비율로 포함하고 있어 자연 방사능이 다른 암석들에 비하여 높게 검출된다.

2. 한반도에서 화강암반이 다량으로 넓게 분포하는 이유는?

한반도는 중생대의 주요 지각변동인 대보조산운동과 불국사 조산운동을 겪으면서 다량의 화성암이 관입하였으며, 이 때문에 현재 한반도에서 화강암반이 다량으로, 넓게 분포하고 있다.

3. 탄소 연대추정법 이외의 다른 방사성 동위원소 연대추정법으로는?

탄소-14의 경우는 반감기가 5730년으로 짧은 단반감기 핵종에 속하여 제4기 이상의 지질학에서는 지층의 연대추정에 사용하기 힘듦. 따라서 보다 반감기가 긴 장반감기 핵종에 속하는 U-Pb, Rb-Sr, K-Ar, Sm-Nd, Re-Os, Lu-Hf의 동위원소법을 활용하여 긴 연대를 추정함.

참고 자료

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