지구과학1 개념 정리 1-2-3 <지층의 나이> (2015 개정, 지엽 및 선지 포함)

이번에는 관입과 포획이 무엇인지, 지사학 법칙이 무엇인지, 상대 연령과 절대 연령은 무엇인지 살펴보겠다.

관입이란 마그마가 주변의 지층이나 암석 중 약한 부분, 단층면, 절리면 등을 뚫고 들어가는 것으로, 변성 작용의 흔적과 마그마가 급격히 식은 흔적이 나타난다. 관입암은 관입한 마그마가 식어서 굳은 암석이다. 가장자리의 냉각 속도가 중심부의 냉각 속도보다 빠르기 때문에 중심부의 결정이 가장자리의 결정보다 크다. 관입암상은 마그마가 주변 암석과 평행하게 흘러 들어가 굳은 것이다. 암맥은 마그마가 주변 암석을 가로질러 관입한 후 굳은 것이다. 포획은 마그마가 관입할 때 주변 암석의 일부가 떨어져 나와 마그마에 포함되는 것을 말한다. 화성암과 주변 암석의 생성 순서를 추정할 수 있다.

지사학 법칙이란 현재 지각에서 발생하는 지질학적 사건들이 과거에도 일어났다는 동일 과정의 원리를 바탕으로 지층의 선후 관계를 결정하는 법칙이다. 수평 퇴적의 법칙은 퇴적물은 중력의 영향으로 수평으로 쌓인다는 것이다. 이에 따라 현재 지층이 기울어졌거나 휘었으면 지각 변동을 받았다고 추정할 수 있다. 지층 누중의 법칙은 지층이 역전되지 않았다면 아래에 있는 지층이 위의 지층보다 먼저 퇴적된 지층이라는 것이다. 지층의 역전 여부는 사층리, 점이 층리, 연흔, 건열 등의 퇴적 구조나 화석의 이동으로 판단한다. 관입의 법칙은 관입한 암석이 관입 당한 암석보다 나중에 생성된 암석이라는 것이다. 마그마가 관입했으면 화성암 주변에 변성 작용의 흔적과 포획암이 나타나고, 마그마가 분출했으면 화산암 위쪽엔 변성 작용은 흔적이 나타나지 않고 침식의 흔적과 기저 역암이 나타난다. 부정합의 법칙은 부정합면 경계의 상하 지층 사이에는 큰 시간 간격이 있다는 것이다. 부정합면을 경계로 상하 지층은 암석의 조성, 지질 구조, 화석 종류 등이 달라지고 기저 역암이 나타난다. 동물군 천이의 법칙은 오래된 지층에서 새로운 지층으로 갈수록 진화된 생물의 화석이 발견된다는 것이다. 이를 통해 멀리 떨어진 지층 간의 선후 관계를 파악할 수 있다.

이제 상대 연령을 알아보자. 상대 연령이란 무엇일까? 상대 연령은 지층의 생성 시기나 지질학적 사건의 발생 순서를 상대적으로 밝힌 것이다. 지층의 상대 연령은 지사학 법칙을 이용해서 판단한다. 여러 지역의 지층을 비교해서 상대적 선후 관계를 밝히는 것을 지층 대비라고 하는데, 암상에 의한 대비와 화석에 의한 대비가 있다. 암상에 의한 대비는 비교적 가까운 지층을 비교할 때 한다. 암석의 종류, 조직, 지질 구조 등을 대비한다. 이때 지층 대비에 기준이 되는 층을 열쇠층 또는 건층이라고 부른다. 열쇠층은 짧은 시기, 넓은 지역에 분포하는 지층으로 대표적으로 응회암층, 석탄층 등이 있다. 화석에 의한 대비는 멀리 떨어진 지층을 비교할 때 한다. 진화 속도가 빨라서 진화 계통이 알려져 있고, 짧은 시기에 번성한 표준 화석을 이용한다. 이 화석에 의한 대비를 할 때 적용되는 것이 바로 위에서 다룬 동물군 천이의 법칙인 것이다.

절대 연령이란 암석의 생성 시기나 지질학적 사건의 발생 시기를 절대적인 수치로 나타내는 것이다. 절대 연령을 측정하기 위해서는 방사성 동위 원소를 이용해야 한다. 방사성 동위 원소는 온도나 압력 등에 관계없이 일정한 속도로 붕괴하면서 방사선을 방출하는 원소이다. 이때 붕괴하는 원래의 방사성 동위 원소는 모원소, 모원소가 붕괴하여 안정한 원소가 된 것을 자원소라 한다. 자원소는 모원소와는 다른 원소임을 기억하자. 방사성 동위 원소가 붕괴하여 모원소가 절반이 되는 시간은 항상 일정한데, 이를 반감기라 한다. 방사성 동위 원소로 사용하는 원소들은 대표적으로 원자량 235나 238의 우라늄, 원자량 40의 칼륨, 원자량 87의 루비듐, 원자량 14의 탄소 등이 있다. 우라늄과 루비듐은 반감기가 매우 길어(원자량 238의 우라늄은 약 45억년, 원자량 235의 우라늄은 약 7억년, 원자량 87의 루비듐은 약 492억년) 효과적인 연대 결정 범위가 1천만 ~ 46억년, 칼륨(원자량 40의 칼륨의 반감기는 약 13억년이다)은 5만 ~ 46억년이다. 하지만 탄소는 반감기가 약 5730년으로 상대적으로 짧기 때문에 효과적인 연대 결정 범위가 100 ~ 7만년이다. 원자량 14의 탄소는 생명체가 살아있을 때는 일정하다가 사후에 붕괴하여 원자량 14의 질소가 되기 때문에, 원자량 14의 탄소와 원자량 12의 탄소의 비율을 통해 연대를 측정할 수 있다. 즉, 원자량 14의 탄소를 원자량 12의 탄소로 나눈 값이 생명체의 사후에 일정한 속도로 감소하기 때문에 이 값을 측정하여 연대를 측정하는 것이다. 반감기와 절대 연령 사이의 공식은 t를 절대 연령, n을 반감기 경과 횟수, T를 반감기라고 했을 때 t = n × T이다. 방사성 동위 원소의 이용에 대해 알아보자. 반감기가 긴 원소는 지구의 탄생 시기나 공룡의 멸종 시기 등을 추정할 때 사용하고, 탄소와 같이 반감기가 짧은 원소는 고고학이나 지구의 환경 변화를 조사할 때 사용된다. 이렇게 방사성 동위 원소를 이용해서 구한 암석의 절대 연령은 화성암은 마그마에서 암석이 정출된 시기, 변성암은 변성 작용이 일어난 시기(변성될 때 방사성 동위 원소의 재결정 작용으로 인해 리셋됨), 퇴적암은 퇴적물 근원암의 생성 시기(퇴적 시기 상한선)를 알려준다. 반감기를 거듭할수록 모원소의 양이 계속 적어지므로 절대 연령을 측정하려는 시료가 생성될 때 모원소의 비율이 높고 자원소의 비율이 낮을수록 절대 연령을 측정하기에 유리하다.