우라늄/토륨 연대측정
U-Th 연대측정은 모 원자 (우라늄) 과 자 원자 (토륨) 동위원소 활동 비율의 분석에 기반을 둡니다. 이 비율은 모 원자의 붕괴와 오랜 기간 이어서 발생하는 자 원자의 생성이 거의 일치한다는 사실을 이용합니다. 주어진 시료의 모 원자 (234U) 와 붕괴되면서 생긴 자 원자 (230Th) 를 질량 분석기로 같이 측정합니다. 우라늄은 붕괴될 때, 여러 붕괴 단계를 거치며 238U로 시작해서) 최종적으로 안정 동위원소가 됩니다. (206Pb로 끝남. 아래 참조).
U-Th 연대측정은 오랜 시간에 걸쳐 모 원자에서 자 원자로의 붕괴 속도를 계산하여, 모 원자 (우라늄) 와 그 생성물 (토륨) 동위원소의 활동 비율을 측정하는 것입니다.
탄산염 시료의 U-Th 연대측정은 다음 조건들이 맞아야 진행됩니다:
- U-Th 계통
(50만 년까지) 의 연대 가능 범위 내에서 생성되었고, - 고 정밀 동위원소 희석
분석할 만큼 소량
동위원소 234U 와 230Th 의 농도가 충분히 함유되어 있으며, - 퇴적 당시 초기
(과도) 230Th 의 량을 이미 알거나 아주 소소해서 무시할 수 있을 정도이고, 그리고 - 초기 퇴적 이래로 U 와 Th 동위원소 상대적으로 폐쇄된 상태 유지하고 있어야 합니다.
오픈 시스템 설정 내 우라늄의 손실 및 이어진 230Th 은 잘못된 결론의 결과로 이어집니다. 상대적으로 낮은 초기 U/Ca 와 우라늄 농도를 가진 시료들은 퇴적 후, 그리고 속성 과정을 통해 우라늄을 흡입하는 경향이 있습니다. – 비정상적 연대 결과가 나옵니다.
추가 읽기:
U-Th 연대측정
U-Th 연대측정은 50만년 까지 탄산염 물질을 대상으로 가능합니다. 현대의 시료들은 낮은 230Th 농도 및 방법 상 한계로 인해 적절한 U-Th 연대를 산출해내지 못합니다. 가장 일반적인 시료 형태는 cave art, speleothems, flowstones, coral, shell입니다.
동굴 벽화
우라늄-토륨 분석을 통해 벽화 윗부분에 생긴 얇은 방해석 층의 연대 측정으로 벽화의 대략적인 연대를 알 수 있습니다. 이것을 통해, 최소의 나이를,terminus ante quem 라고 알려진, 알 수 있습니다. 추가적으로, 벽화 밑에 깔려있는 지지 방해석 층의 접근이 가능하다면, 최대 나이 (terminus post quem) 역시 알 수 있습니다. (Pons-Branchu et al. 2014). 탄산염 층의 개방 시스템 성격 때문에 벽화 표면의 다양한 층의 추가 분석 작업으로 14C 을 통해 U-Th 연대와 상호 비교할 수도 있습니다. (Sauvet et al. 2015).
(Photo Credit: Arash Sharifi)
동굴 퇴적물: Speleothems 와 Flowstones
Speleothem의 안정 동위원소 분석은 성장 과정 동안의 환경 변화에 대한 정보를 제공해 줍니다. 이런 고기후학적 기록에 숨어있는 연대는 U-Th 와/혹은 14C 방법을 통해 정확한 연대에 의지합니다. 그리고 이들은 거리 (성장) 과 연대 사이의 관계에 대한 정보를 제공합니다. Stalagmites (자라고 있는 Speleothem의 윗부분) 이 Salactite (자라고 있는 Speleothem의 아랫부분) 보다 더 좋은데, 이유는 보다 정밀한 내부 구조를 가지고 더 규칙적으로 성장하기 때문입니다. (Spötl & Boch, 2019). U-Th 와 14C 방법 모두 Speleothems의 연대측정에 쓰이지만, 탄소의 리저비어 효과 및 화학적 불순물로 인해 U-Th 연대와 비교하면 14C 연대에서 상당한 연대의 불확실성 (7천년) 이 있습니다. (Goslar et al. 2000).
(Photo Credit: Arash Sharifi)
산호
산호의 경우, 50만년까지 연대 측정이 가능합니다. 산호는 우라늄과 토륨을 주고 받으면서, 연대 측정을 어렵게 만듭니다. 토륨이 빠지면서 우라늄이 추가가 되면 젊은 연대로 편향이 생기며, 우라늄이 빠지면서 토륨이 추가되면 오래된 연대 값이 나옵니다. (Andersen et al. 2009); 하지만 선별접근법을 사용해 교정 가능합니다. (e.g. Thompson et al., 2003). 시간에 걸친 환경 변화의 재구성에는 과감한 연대기를 필요로 합니다. 산호의 U-Th 연대측정은 14C 연대측정 보다 더 믿을만한 연대를 제공합니다. 이런 시료들은 더 많은 고환경적 재구성을 제공하기 위해 추가 분석이 이루어질 수 있습니다. 다음 포함: 우기/습기 상태 (Yehudai et al. 2017), 산호초 시스템의 쇠퇴/회복 (Clark et al. 2017), 해수 온도 (DeCarlo et al. 2016) 와 pH (Stewart et al. 2016; Pauly et al. 2015).
조개 껍질
지난 수십 년 동안 조개 껍질 시료에 대한 U-Th 연대측정이 광범위하게 사용되어 오고 있습니다. 이 방법은 시료들이 생성 기간에는 우라늄을 만들며, 외부에서 토륨의 유입이 제한되어 있어야 하며 (폐쇄 시스템), U-Th 붕괴로 만들어지는 토륨이 구조 내 그대로 남아 있어야 한다는 사실에 크게 의존합니다. 하지만 모든 퇴적 조건이 이러한 사전 조건을 만족시키기 어렵습니다. 그래서 조개 껍질의 “isochron dating”을 적용할 수 있습니다. 여러 단계의 Th 유입과 함께 동일 시간 대의 다양한 조개 껍질로 연대측정 (Bischoff & Fitzpatrick, 1991) 연대 측정을 위한 U-Th의 초기 수준을 구하는 방법 (e.g. Placzek et al. 2006). 조개 껍질의 개방 시스템 성격으로 인해 연대 측정을 아주 어렵게 만들지만, U-Th 분석은 14C 연대측정 (ca. 40,000 cal BP) 의 시간대를 넘는 조개 껍질들의 연대측정 방법을 제공해줍니다.
(Photo Credit: Arash Sharifi)
참고 문헌
Andersen, M.B., Gallup, C.D., Scholz, D., Stirling, C.H. and Thompson, W.G., (2009). U-series dating of fossil coral reefs: consensus and controversy. Pages News, 17, pp.54-56.
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Sauvet, G., Bourrillon, R., Conkey, M., Fritz, C., Gárate-Maidagan, D., Vilá, O.R., Tosello, G. and White, R., (2017). Uranium–thorium dating method and Palaeolithic rock art. Quaternary International, 432, pp.86-92. DOI: 10.1016/j.quaint.2015.03.053
Spötl, C. and Boch, R., (2019). Uranium series dating of speleothems. In Encyclopedia of caves (pp. 1096-1102). Academic Press.
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Yehudai, M., Lazar, B., Bar, N., Kiro, Y., Agnon, A., Shaked, Y. and Stein, M., (2017). U–Th dating of calcite corals from the Gulf of Aqaba. Geochimica et Cosmochimica Acta, 198, pp.285-298. DOI: 0.1016/j.gca.2016.11.005
Coral Image: https://www.pexels.com/photo/corals-920161/