네안데르탈인(27) : 연대측정(2)

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〈방사선의 손상에 의한 측정법〉

유적의 발굴 등에 있어서 가장 중요한 것은 인간의 흔적이다. 간단하게 말해서 인간이 만들어 놓은 문명의 발자취를 찾는 것인데 C14 탄소연대측정법, 연륜연대측정법, 화학반응을 이용한 타조알 측정 등은 일단 살아있던 동식물의 잔해가 발견될 경우에는 유용한 측정법이지만 이러한 유기물이 현재까지 남아 있으려면 매우 특별한 환경이 아니면 불가능하다. 결국 유기물의 존재가 없더라도 인간의 흔적을 갖고 연대를 측정할 수 있는 방법이 절대적으로 필요하게 된다.

이와 같은 목적에 사용될 수 있는 것이 방사선의 손상에 의해 시료를 측정하는 것이다. 방사선이 물질에 닿으면 그 물질에 어떤 흠집을 남긴다. 그런 흠집은 연대측정뿐만 아니라 방사선의 계측에도 많이 사용되는데 대표적으로 열형광측정법(TL법), 전자상자성공명법(ESR법), 피션트랙법(FT법)이 있다.

학자들이 가장 주목하는 것은 토기다. 토기는 인간이 매우 오래 전부터 용기로서 사용했는데 환경이 좋은 인간의 거주지에는 인간들이 대를 이어 계속 거주했기 때문에 유적지를 발굴하면 아래층으로 파내려가면서 계속 유물이 발견된다. 상식적으로 아래층에서 발견되는 것일수록 오래된 것으로 분류할 수 있지만 같은 장소인데다가 단지 깊이 차이만 있으므로 각 층에서 발견되는 유물들의 연대를 알아내는 것이 간단한 일은 아니다. 이때에 사용될 수 있는 방법이 유명한 열형광연대측정법으로 토기나 화산재 등이 흡수한 자연 방사선량을 측정하여 연대로 환산하는 것이다.

형석이라는 하얀색 광물이 있는데 이것을 히터로 가열하면 파란빛을 낸다. 이런 현상을 열형광(luminescence)이라 한다. 원칙적으로 거의 대부분의 재료들은 가열하면 발광하지만 형석처럼 육안으로도 알 수 있을 정도의 강한 열형광을 내는 광석은 거의 없다.

이 연대측정법은 1940년대에 알려졌지만 1945년 일본의 히로미사와 나가사키에 원자폭탄이 투하된 일본에서 방사선을 검출하는 방법으로 이용되면서 급속도로 발전되었다.

물론 이 방법을 사용하기 위해서는 측정 대상인 광물이 강한 빛을 내는 것만으로는 불충분하다. 광물의 구조가 견고하고 몇 백 년 동안 변하지 않고 안정적이어야 하며 더구나 흡수한 방사선의 양에 비례하여 열형광의 양이 커야한다. 즉 오래된 것만큼 강한 빛을 내는 성질을 갖고 있어야 하는데 여기에 가장 적합한 것이 바로 석영이다. 석영은 다른 성분이 거의 없어, 화학적으로 매우 순수하며 주로 육각주상의 결정을 이루며(수정이라 부름) 화학 조성이 SiO2로 대부분의 흙이나 점토에 함유되어 있으므로 고대인들이 사용한 토기에 당연히 포함돼있다고 볼 수 있다.

열형광사용법은 다음과 같은 방식을 주로 채택하는데 미츠다니 타쿠미노루의 설명을 인용한다.

 

'우선 석영을 함유하고 있는 점토를 반죽하여 토기 형태로 만들어서 건조시키고, 또 지면의 구덩이에 마른 풀을 태워 건조시킨 후 불로 소성하여 토기를 완성시킨다. 이때 토기 태토(점토) 속에 함유되어 있던 석영은 고온에 가열되어 열형광을 하며 석영 결정이 만들어진 이후부터 그때까지 흡수한 방사선 에너지를 모두 빛으로 방출한다. 이것을 '토기소성 폐기'라고 부르며 연대측정 용어로 '타임 제로 인'이라 부른다.

한편 제작된 토기 속의 석영은 다시 방사선을 흡수하기 시작한다. 토기는 흙 속에 매몰되어 주변의 흙으로부터 자연방사선과 우주방사선을 흡수한다. 현대에 이르러 유적에서 발굴된 토기 파편의 석영을 고감도 측정기로 측정하면 토기가 소성된 이후 지금까지 흡수한 방사선량(축적선량)을 알 수 있다.

축적선량은 흙 속에서 흡수한 방사선의 총량이기 때문에 토기가 얼마나 오래되었는가와 비례하는데 이것만으로는 연대로 확정할 수 없다. 그러므로 흙 속에 매몰되어 있는 동안에 1년에 어느 정도의 방사선을 흡수했는지(연간선량)를 다른 방법으로 측정하여 축적선량을 연간선량으로 나누어주면 연대가 나온다.'

 

열형광측정법도 여러 가지 방법이 있는데 주로 사용되는 방법으로는 0.1밀리미터 정도크기의 석영을 시료로 사용하는 경우와 0.002∼0.01밀리미터 크기의 혼합된 광물을 시료로 사용하는 방법이 있다.

열형광측정법의 장점은 불과 70년 전의 기와에서 50만 년 전의 화산재에 이르기까지 광범위한 연대를 측정할 수 있다는 점이다. 이 측정법이 개발되었기 때문에 화산재는 고고학 분야에서 매우 중요한 자료로 인식된다. 대규모의 화산 폭발로 분출한 화산재는 상당히 먼 거리까지 퍼져 나가 지층을 만들므로 이것을 측정하면 유적의 연대를 결정할 수 있기 때문이다.

근래에는 열형광연대측정법과 유사한 광형광연대측정법도 개발되었다. 1980년에 개발된 이 방법은 가열된 광물뿐만 아니라 빛에 노출된 광물을 측정시료로 사용하기 때문에 유적의 문화층을 직접 연대측정할 수 있다. 화산재층이 없는 경우 특히 이 방법을 사용한다.

 

〈전자상자성공명법(ESR)으로 단군릉 유골 측정〉

인골 측정에 많이 사용하는 것 중 하나가 전자상자성공명법이다. 북한에서 발견된 전 단군릉으로 알려진 릉에서 발견된 뼈의 연대 측정한 것으로 유명한데 전자상자성공명법은 1944년에 원리가 밝혀진 후 1980년경부터 본격적으로 고고학과 지질, 지리학 분야에 적용되기 시작했다. 탄소연대측정법보다 등장 연대를 따지면 보다 최신 측정법이다. 우주선을 포함한 자연 방사성 원소들에서 나오는 방사성이 물질에 닿으면 그 물질에 흠집을 남기는데, 이 결함은 방사선 양에 비례하여 많아지며 색을 띠게 된다는 것이 이 측정법의 핵심이다.

이 결함의 양, 즉 홑전자의 수는 피격된 방사선의 양에 비례하는데 이 결함을 전자 스핀으로 검출한다는 것이다. 전자 스핀이란 전자의 회전에 의해 원전류를 발생시키면서 자기장을 구성하는데 이를 마이크로파가 존재하는 전자기장 안에 두면 손상된 부분이 마이크로파를 흡수하여 그 방향이 반대가 되는 것을 뜻한다.

전자상자성공명법은 다른 연대측정법으로는 측정할 수 없는 퇴적암의 연대를 측정할 수 있는 장점을 갖고 있어 지질과 고고학계에서 근래에 많이 이용된다. 더구나 이 측정법의 측정 상한은 1억 년이나 되는데다 측정 시료의 제한을 받지 않고 조개, 뼈, 질그릇 등 고고학에 관련되는 유물들 거의 모두 측정이 가능하다.

이 측정방법은 특히 청동기·신석기 시대의 유물 측정에 두각을 보인다고 알려졌다. 평양시 상원군 흑우리에서 발견된 구석기 시대의 검은모루 유적은 원래 40만∼70만 년 전으로 추정되었으나 근래에 100만 년 전의 원인들이 남긴 것으로 추정하여 수정 발표된 것도 전자상자성공명법을 사용하여 재측정했더니 연한이 올라갔기 때문이라는 설명이었다.

전자상자성공명법의 장점은 측정 시료가 몇 그램이면 충분한데도 C14 탄소연대측정법으로는 시료가 상당한 량이 되어야 한다는 점이다. 물론 현재는 가속기질량분석기가 개발되어 0.001그램의 시료만 있어도 정확하게 연대 측정이 가능할 만큼 발전했지만 여하튼 탄소연대측정법과 함께 현재 주력으로 활용된다.

 

〈화성에서 날아온 운석의 연대도 측정〉

20만 년 이상은 어떻게 측정할 수 있을까? 지구의 연대가 46억 년이나 되었고 화성에서 날아온 운석의 연대가 36억 년이나 된다고 발표한 근거는 무엇일까?

우선 근래에 각광받고 있는 측정법이 고고지자기법(考古地磁氣法)이다.

학자들은 자석이 남북을 가리키는 이유로 지구가 커다란 자석으로 되어 있다고 추정한다. 지구의 자석은 현재 일본의 경우 정북 방향에서 서쪽으로 10도 정도 벗어나 있다. 이를 편각(偏角)이라 하는데 편각과 복각(伏角)은 일정하지 않으며 세월이 지남에 따라 변한다. 그런데 과거의 가마터에서 탄 흙이나 화산이 폭발하여 멀리 날아간 화산재 속의 자성광물은 당시의 편각과 복각을 갖고 있다.

연대를 알고 있는 시료를 이용하여 편각과 복각이 변화하는 것을 나타내는데 이를 ‘지자기의 영년변화도(永年變化圖)’라고 한다. 연대를 알고 싶은 시료의 편각과 복각을 측정하여 영년변화도에 맞춰 보면 그 시료의 연대를 알 수 있는 것이다.

지구 자석을 벗어난 방위가 극단적인 경우에는 남북이 역전하는 경우도 있다. 물론 영년변화도를 사용하는 고고지자기법으로는 수천 년 전이 한계이나 학자들은 이를 보다 발전시켜 몇 십만 년 전은 물론 몇 억 년의 지자기 기록도 추정할 수 있다. 유명한 베게너의 ‘대륙이동설’이 재검증되고 인정받을 수 있었던 것도 지자기법이 개발되었기 때문이다.

 

보다 오래된 연대를 측정하는 방법 중에서 가장 많이 이용되는 것은 C14와 같은 방사성 동위원소에 의해 절대 연령을 측정하는데 단지 C14의 반감기가 단기임에 반하여 반감기가 훨씬 장기간인 것을 사용하는 것이 다르다. 반감기가 48억 8천만 년이나 되는 Rb-Sr 연령 측정법, 반감기가 13억 년이 되는 K-Ar 연령 측정법은 물론 Ar-Ar 연령 측정법, Th-Pb 연령 측정법, Sm-Nd 연령 측정법이 각 시료에 따라 사용되는데 이를 '어미원소와 딸원소의 비율에 의한 측정 방법‘이라고도 한다.

Rb-Sr법은 Rb(루비듐)87이 방사성 붕괴되어 Sr(스트론튬)87이 되는 것을 이용하는 것이다. 암석내의 Rb원소는 시간이 지남에 Sri87과 Rb87로 되는데 Sri(아이오딘화 스트론튬)는 암석 내에 존재하고 있던 Sr의 초생치다. 이 방법을 이용하면 반감기가 48억 8천만 년이 되므로 어떠한 물질의 연령도 측정할 수 있는데 특히 마그마(암석이 녹은 것)가 굳어서 된 암석의 연령을 측정하는데 적당하다.

K-Ar측정법은 K(칼륨)를 함유하는 광물이 많다는 것을 이용한다. K40이 방사선 붕괴하면 Ar(아르곤)40과 Ca(칼슘)40으로 변한다. 마그마가 식어서 암석으로 굳은 다음에 생성된 Ar40은 화성암 내에 축적되므로 K40의 양과 축적된 Ar40의 양을 측정하여 절대 연령을 구할 수 있다.

Th-Pb 연령 측정법도 Th(토륨)232동위원소가 방사성 붕괴하여 Pb(납)208이 되는 것을 이용하는 것이다. 그러나 Th는 U(우라늄)과 종종 같이 들어 있고 Pb204도 포함되어 있으므로 이들을 구별하지 않고 그대로 측정한다면 납의 양이 과다하게 측정돼 실제보다 오래된 것으로 측정될 수 있다. 물론 이러한 단점은 질량분석기(mass spectrometer)가 발명되어 질량 번호별로 납의 질량을 측정할 수 있으므로 정확하게 연대를 측정할 수 있다.

Sm-Nd측정법은 Sm(사마리움)147동위원소가 Nd(네오디뮴)143으로 되는 것을 사용한다. Sm-Nd는 지구의 변성 작용이나 지질학적 사건에도 영향을 적게 받아 원암의 정보를 잘 보존하고 있으므로 마그마의 기원, 마그마의 동화, 마그마의 혼합, 물질의 기원 등을 추적하는데 많이 이용된다.

그 밖의 연대측정방법에 핵분열비적법도 있다. 지르콘과 같은 광물 속에 들어 있는 우라늄이 붕괴하면 '알파' 입자를 방출한다. 방출된 알파 입자는 광물 속을 지나면서 통과한 자리에 비적(飛跡)을 남기는데 이 비적을 세면 수백 년에서 수십 억 년까지의 연대를 측정할 수 있다. 이 핵분열비적법은 화산재가 굳어진 응회암의 연령 측정이 가능하므로 고고학에서 주목하고 있다. 최근 아프리카에서 응회암층에 남겨진 인류의 발자국 화석도 이 방법을 사용하여 연대를 측정한 결과 3백만 년 전의 것임이 밝혀졌다.

어떤 암석이나 광물에 대한 생성 연대를 측정하기 위해서는 측정 시료와 동위원소의 비를 측정할 수 있는 질량분석기만 있으면 된다. 아폴로 우주선의 우주인들이 갖고 온 달 암석의 시료도 이와 같은 방법에 의해 연대 측정되었고 지질학자들이 지구의 연령을 약 46억 년으로 확정지을 수 있는 요인이 되었다. 고대에 살았던 동물이나 식물도 그들이 살았던 시대의 암석과 함께 화석으로 채취되므로 이를 근거로 그들이 살았던 시대를 측정할 수 있는 것이다.

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