나뭇잎 교과서

지층과 연령

절벽에 드러난 지층은 순서가 기록된 책과 같습니다. 이 절에서는 두 가지를 묻습니다. 무엇이 먼저 생겼는지는 어떻게 알까, 그리고 몇 년 전인지는 어떻게 알까.

본문

지층과 연령

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절벽에 드러난 지층을 보면 아래층이 먼저 쌓였을 것이라고 짐작할 수 있다. 하지만 그것만으로는 각 층이 몇 년 전에 쌓였는지 알 수 없다. 지질학자들은 어떤 암석이 "약 1억 년 전에 굳었다"고 숫자로 말한다. 시계도 달력도 없던 시대의 나이를 어떻게 숫자로 알아낼까?

그림 1. 방사성 동위 원소(모원소)는 반감기마다 절반씩 자원소로 바뀐다. 모원소와 자원소의 비율을 재면 몇 번의 반감기가 지났는지, 곧 암석의 나이를 알 수 있다.
먼저 알아야 할 것퇴적암이 만들어지는 과정(중학교), 원자핵과 동위 원소(통합과학), 지수와 로그.

2.1.1상대 연령

지층과 암석의 생성 순서만 따지는 것을 상대 연령이라 한다. 몇 가지 원리를 쓰면 순서를 정할 수 있다. 지층이 뒤집히지 않았다면 아래층이 먼저 쌓였다(지층 누중의 법칙). 퇴적물은 처음에 수평으로 쌓인다(수평 퇴적의 원리). 어떤 지층을 뚫고 들어온 화성암은 그 지층보다 나중에 생겼다(관입의 법칙). 지층이 쌓이다가 오랫동안 끊긴 흔적을 부정합이라 하며, 그 위아래에는 긴 시간 차이가 있다.

멀리 떨어진 두 지역의 지층은 같은 시대에만 살았던 생물의 화석, 곧 표준 화석이나 화산재층 같은 열쇠층으로 이어 맞춘다. 이를 지층 대비라 한다. 그런데 상대 연령만으로는 두 사건 사이에 얼마나 긴 시간이 흘렀는지 알 수 없다.

2.1.2절대 연령과 반감기

화성암 속 광물이 굳을 때에는 우라늄, 칼륨 같은 방사성 원소가 들어가지만 그 자원소는 거의 들어가지 않는다. 그 뒤 방사성 원소는 일정한 비율로 붕괴하여 자원소로 바뀐다. 이 붕괴 속도는 온도나 압력에 따라 변하지 않으므로, 광물 속 모원소와 자원소의 양을 재면 광물이 굳은 뒤 흐른 시간을 계산할 수 있다.

정의 2.1.1 반감기와 절대 연령

방사성 동위 원소의 양이 처음의 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 반감기 \(T\)라 한다. 시간 \(t\)가 지난 뒤 남은 모원소의 양은 \[N = N_0\left(\frac{1}{2}\right)^{t/T}\] 이다. 이렇게 숫자로 구한 나이를 절대 연령이라 한다.

그림 1에서 지난 반감기의 수를 늘려 보자. 1번이면 모원소와 자원소가 반씩, 2번이면 모원소 25%와 자원소 75%가 된다. 모원소와 자원소의 비가 \(1 : 3\)이면 반감기가 2번 지난 것이다. 오래된 암석에는 반감기가 긴 원소를, 젊은 유기물에는 반감기가 짧은 원소를 쓴다.1

모원소 → 자원소반감기주로 쓰는 대상 우라늄-238 → 납-206약 45억 년아주 오래된 암석 칼륨-40 → 아르곤-40약 13억 년화산암 탄소-14 → 질소-14약 5730년5만 년 안의 유기물
그림 2. 측정하려는 나이에 맞는 반감기를 가진 동위 원소를 골라 쓴다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.2

어떤 화강암 속 광물에서 칼륨-40과 그 자원소 아르곤-40의 원자 수 비가 \(1 : 3\)으로 측정되었다. 칼륨-40의 반감기를 13억 년으로 하고, 광물이 굳을 때 아르곤-40이 없었다고 할 때 이 화강암의 절대 연령을 구하여라.

처음 칼륨-40의 양을 4라 하면, 지금 칼륨-40은 1, 아르곤-40은 3이다. 남은 모원소가 처음의 \(\tfrac{1}{4} = \left(\tfrac{1}{2}\right)^2\)이므로 반감기가 2번 지났다.

따라서 나이는 \(2 \times 13 = 26\)억 년이다. 실제 칼륨-40은 일부만 아르곤-40으로 바뀌어 계산이 조금 더 복잡하지만, 원리는 같다. 이 화강암을 뚫고 들어온 암맥은 26억 년보다 젊고, 화강암이 덮고 있는 지층은 그보다 오래되었다고 상대 연령과 함께 판단할 수 있다.

상대 연령으로 순서를 정하고 절대 연령으로 숫자를 매기면 지구의 역사를 시간표로 정리할 수 있다. 아래 탐구 카드에서 지층의 순서, 반감기 시계, 지층 대비를 직접 해 보자.

  1. 퇴적암은 여러 곳에서 온 알갱이가 섞여 쌓인 것이라 방사성 연대가 알갱이의 나이를 알려 줄 뿐 쌓인 때를 알려 주지 않는다. 그래서 퇴적층의 나이는 위아래의 화성암이나 화산재층으로 어림한다.
마무리

지층 누중, 관입, 부정합 같은 원리로 생성 순서를 정한 것이 상대 연령이고, 방사성 동위 원소가 반감기마다 절반씩 붕괴하는 성질로 숫자를 매긴 것이 절대 연령이다. 그래서 처음 질문의 암석 나이는 광물 속 모원소와 자원소의 비율을 재어 몇 번의 반감기가 지났는지 계산하여 알아낸다.

탐구 1

지층의 순서만으로 나이를 알 수 있을까?

상대 연령 · 단면 퍼즐

오래된 것부터 단면이나 아래 버튼을 차례로 누르세요. 다시 누르면 빠집니다.

  1. 질문절벽의 지층에는 나이가 적혀 있지 않다. 그래도 어느 것이 먼저 생겼는지는 알아낼 수 있을까?
  2. 복원퇴적물은 물 밑에서 거의 수평으로, 아래부터 차례로 쌓인다. 그래서 먼저 쌓인 것이 아래에 깔린다.
  3. 설명여기서 네 가지 규칙이 나온다. 뒤집히지 않았다면 아래층이 먼저라는 지층 누중, 기울어진 층은 쌓인 뒤에 기울어졌다는 수평 퇴적, 뚫고 들어온 화성암은 뚫린 층보다 나중이라는 관입, 깎인 면 위의 층은 긴 공백 뒤에 쌓였다는 부정합이다.
  4. 연결단층도 관입과 같은 논리로, 무엇이든 자른 쪽이 잘린 쪽보다 나중이다. 또 부정합면 바로 위의 역암(기저 역암)은 침식된 땅이 다시 물에 잠겼다는 흔적이다.
  5. 적용문제 1부터 순서를 맞혀 보자. 틀리면 어디서 틀렸는지 알려 준다. 맞힌 뒤에는 ‘역사 되감기’ 막대를 처음으로 돌려, 수평이던 지층이 기울고 깎이는 과정을 확인해 보자.
  6. 판단이렇게 얻는 것은 상대 연령, 곧 순서뿐이어서 B가 A보다 나중인 것은 알지만 몇 년 뒤인지는 모른다. 또 누중의 법칙은 습곡으로 지층이 뒤집히면 성립하지 않으므로, 그때는 연흔이나 점이 층리 같은 퇴적 구조로 위아래를 먼저 가려야 한다.

확인조건이 달라지면

화강암 X가 사암층 P를 뚫고 들어와 있고, X와 맞닿은 P의 일부가 열을 받아 변성되어 있다. 그런데 X 위를 덮은 셰일층 Q의 맨 아래에는 X의 부스러기가 섞인 역암이 있다. 순서로 옳은 것은?

탐구 2

방사성 동위 원소 시계는 어떻게 읽을까?

절대 연령 · 반감기
남은 모원소
—
자원소 / 모원소
—
나이
—
가상의 시료, 자원소 : 모원소 =

  1. 질문상대 연령으로는 순서만 안다. 암석이 몇 년 전에 생겼는지는 무엇으로 잴까?
  2. 복원원소 가운데에는 원자핵이 불안정해서 스스로 다른 원소로 바뀌는 것이 있다. 바뀌기 전을 모원소, 바뀐 뒤를 자원소라고 한다.
  3. 설명모원소가 처음 양의 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 반감기라고 한다. 반감기는 온도나 압력에 따라 거의 변하지 않아서 시계로 쓸 수 있고, 반감기가 두 번 지나면 1/4, 세 번이면 1/8이 남는다.
  4. 연결광물이 굳을 때 들어간 모원소가 그 뒤 자원소로 바뀌어 쌓인다. 그래서 자원소 / 모원소 = 2t/T − 1이고, 비를 재면 t = T · log₂(1 + 자원소/모원소)로 나이가 나온다.
  5. 적용‘1 : 1’을 누르면 반감기 한 번, ‘3 : 1’이면 두 번이다. 같은 비라도 동위 원소를 바꾸면 나이가 얼마나 달라지는지 보고, 왼쪽 원자 100개가 곡선과 조금씩 어긋나는 것도 확인해 보자.
  6. 판단개별 원자가 언제 붕괴할지는 알 수 없고, 반감기는 원자가 아주 많을 때의 통계이다. 또 이 방법은 광물이 굳은 뒤 모원소와 자원소가 드나들지 않았다고 가정한다. 그런데 퇴적암은 다른 암석의 부스러기라서 그 나이가 퇴적된 때를 말해 주지 않는다. 그래서 주로 화성암을 재고, 그 위아래 지층의 나이를 상대 연령으로 좁힌다.

확인조건이 달라지면

어떤 화성암 속 광물에서 ²³⁵U(반감기 약 7억 년)와 그 자원소 ²⁰⁷Pb의 비가 1 : 7로 측정되었다. 이 광물의 나이에 가장 가까운 것은?

탐구 3

멀리 떨어진 두 지역의 지층을 어떻게 이어 맞출까?

지층 대비 · 열쇠층 · 종합 주상도
대비 방법
이은 선
0개
맞은 선
—
틀린 선
—

한 지역의 층을 눌러 이웃 지역의 층까지 끌거나, 두 층을 차례로 누르면 대비선이 생긴다. 지층 구성과 두께는 원리를 보이려고 만든 모식 자료이고, 붉은 물결선은 야외에서 확인한 부정합면이다.

  1. 질문한 절벽에서는 지층 누중의 법칙으로 위아래 순서를 읽을 수 있다. 그런데 150 km 떨어진 다른 절벽의 지층이 우리 절벽의 어느 층과 같은 때 쌓였는지는 어떻게 알 수 있을까?
  2. 복원지층은 아래부터 차례로 쌓이고, 부정합면에서는 쌓이다 멈추고 깎인 시간이 빠져 있다. 그리고 표준 화석은 넓은 지역에 짧은 기간만 살았던 생물이라 시대를 알려 준다.
  3. 설명떨어진 지역의 지층을 같은 시기끼리 이어 맞추는 일을 지층 대비라고 한다. 가까운 곳에서는 암석의 종류, 색, 두께, 배열을 비교하는 암상 대비를 쓴다. 그런데 먼 곳에서는 퇴적 환경이 달라 같은 때에도 다른 암석이 쌓이므로, 같은 표준 화석을 찾는 화석 대비를 쓴다. 또 화산재가 굳은 응회암처럼 짧은 시간에 넓은 지역을 덮은 층은 열쇠층(건층)으로, 두 방법 모두에서 기준이 된다.
  4. 연결대비를 마치면 각 지역에서 빠진 층을 메워 하나의 종합 주상도를 세울 수 있다. 어떤 지역에 없는 층(결층)은 그곳에 쌓이지 않았거나, 쌓인 뒤 융기해 깎인 것이다. 그래서 결층이 있는 자리에는 부정합이 있다.
  5. 적용먼저 ‘암상 대비’ 상태로 A와 B를 이어 보자. B에는 석회암이 두 층 있는데, A의 석회암을 어느 쪽과 이어야 할지 막히면 ‘화석 대비’로 바꾼다. B와 C는 150 km 떨어져 있으니 응회암 열쇠층부터 잇고 그 위아래를 채운 뒤, 다 맞으면 ‘종합 주상도’를 눌러 B와 C에서 빠진 층을 확인해 보자.
  6. 판단‘같은 암석이면 같은 때 쌓였다’는 생각은 틀릴 수 있다. 석회암은 고생대에도 신생대에도 쌓이고, 반대로 같은 시기에도 해안에서는 사암이, 먼바다에서는 셰일이 쌓이기 때문이다. 화석 대비도 같은 생물이 오래 살았다면 정밀하지 않다. 반면 화산재층은 몇 시간에서 며칠 만에 넓게 내려앉아 거의 같은 시각을 가리키고, 그 속 광물로 방사성 연대도 잴 수 있어 가장 믿을 만한 시간 기준면이다.

확인열쇠층이 하는 일

두 지역 P, Q에서 같은 화산 폭발로 생긴 응회암층이 발견되었다. P에서는 응회암 바로 아래에 석회암이, Q에서는 응회암 바로 아래에 사암이 있다. 옳은 해석은?

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