납 (Pb) 지화학 개관

매우 불안정한 합성 종류 포함해 총 43개의 납(Pb) 동위원소가 알려져 있으며, 이중 5가지만 지화학 연구에 많이 사용되고 있습니다. (Figure 1). 상대적으로 안정된 동위원소가 4개이며: ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb and ²⁰⁸Pb; 붕괴 사슬 마지막에 나타나는 것들이 후반 3개입니다. ²⁰⁶Pb 은 우라늄 붕괴 사슬 마지막 형태이며, ²⁰⁷Pb 은 악티늄 (Actinium) 붕괴 사슬의 마지막이며, ²⁰⁸Pb 은 토륨 (Thorium) 붕괴 사슬의 마지막입니다. ²¹⁰Pb 은 반감기가 22.6년으로 아주 짧게 존재하는 자연에서 발생하는 동위원소입니다: 이 반감기를 이용해 빙하 연대, 최근의 퇴적물, 토탄 침전의 연대 측정에 사용됩니다.

우라늄 붕괴 사슬 내 납 동위원소 비율은 우라늄 및 현존하는 토륨의 양에 관한 것입니다. 지질 작용 들은 U 과 Th 의 량에 영향을 미칩니다. 따라서, 납 동위원소는 이들 과정의 상태 및 시간 성을 이해하는데 아주 유용한 도구로 쓰입니다. 지질 물질들의 납 동위원소 구성은 3개의 독립적인 붕괴 사슬의 기능이기 때문에, 광물의 동위원소 변동성에 대한 커다란 가능성을 가지고 있습니다.

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고체 지구 화학 / 암석학

납 동위원소 비율은 화성암, 변성암, 열수 작용에 의한 암석의 연대측정 및 암석 발생학적 추적에 사용될 수도 있습니다. 우라늄, 토륨, 이들의 딸 원소 사이의 화학적 행동의 다양성이 있기 때문에, 많은 지질 작용은 여러 동위원소의 광범위한 분별 작용으로 이끌 수 있습니다. 이것은 암석 역사를 밝혀주는 명확한 패턴으로 결과가 나타납니다. 예를 들어, 화산암 및 심성암의 납 동위원소 구성은 서로 다른 지질 구조 세팅에 기원한 다양한 마그마 형태의 소재를 추적하는데 사용될 수도 있습니다.

지화학 지문: 먼지 & 고고학

서로 다른 암석 (그리고 덮여있는 토양) 에 현존하는 명확한 납 동위원소의 패턴은 지구 표면 상 특정 지역의 납 동위원소와 서로 관련되어 있다는 것을 알려줍니다. 서로 다른 암석들에 명확한 모/자 비율을 보여줌에 따라, 이들 특성은 먼지라 불리는 비바람에 씻긴 혹은 침식된 물질의 출처 연구에 광범위하게 사용되어 질 수 있습니다. 예를 들어, 각 먼지는 특유의 동위원소 지문을 가지고 있으므로, 먼 지역으로 이동한 먼지 들은 원래 지역을 거꾸로 추적해 갈 수 있습니다. 

이런 지화학적 지문은 고고학 연구에서도 사용할 수 있습니다. 고대 금속의 연구에서 초창기에서 부터 하나의 중요한 목표는 금속 유물이 만들어지는데 사용된 금속의 기원을 알아내는 것이었으며, 이런 방식으로 거래 유무, 거래의 관계, 물질의 이동 경로를 알아내는 것입니다. 납 동위원소는 원래의 형태 (혹은 광석 형태) 에서 부터 유물의 형태로 변해도 변하지 않기 때문에, 유물들은 납이 묻혀있는 원래 지역의 정보를 가지고 있습니다.

오염 소재 추적

납은 인간 생활에 필수적인 금속이 아니며, 독성이 있기 때문에 인간 활동에 의해 심각한 영향을 받는 바이오 지화학 사이클을 가지고 있습니다. 인간의 생산 활동 (광업 및 제련업 포함), 소비 활동 (배터리, 안료, 세라믹, 플라스틱), 납 화합물의 재사용 및 폐기, 화석 연료 사용 (석탄, 가연 가솔린의 사용), 광물질 비료 사용, 다른 경로 사이에서의 하수도 슬러지 사용 등에 의해 환경에 노출됩니다. 이런 결과로서, 특정 형태의 인간 활동과 관련된 유일한 납 동위원소를 조사함으로써 시간에 따른 인간의 영향을 측정하기 위한 여러 형태의 납 동위원소 분석이 가능합니다. 최근, 소재 및 기원 (지리적 원인 vs. 인간 활동 원인) 추적 및 환경에 이런 요소들의 지속성을 평가하기 위해 납 동위원소 사용에 관한 관심이 증가하고 있습니다. 예를 들어, 가솔린의 납 동위원소는 가솔린의 어디에서 온 것인지 여부와 더불어 가솔린의 구성 비가 시간에 따라 어떻게 변했는지 분석하는데 사용될 수도 있습니다.

법의학 포렌식 연구

대부분의 살인 사건에서는 가해자를 특정하는 물리적 증거가 부족합니다. 총알의 납 동위원소 분석은 단일 묶음 내 모든 총알은 동일한 동위원소 구성을 가지고 있다는 가정 하에 범인에 대한 특정 정보를 제공하기도 합니다. 예를 들어, 서로 다른 브랜드의 총알은 서로 다른 납 동위원소 지문을 가지고 있습니다. 이런 방식으로 납 동위원소는 용의자의 총알과 범죄 현장에서 발견된 총알을 비교하는데 사용하기도 합니다. 이런 방식은 탄도학 실험에 대한 완전한 총알이 존재하지 않을 때 유용합니다.

포렌식 지형학의 동위원소 분석에 관해 더 알아보기..

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참고 문헌

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