칼륨-아르곤 연대 측정 문서 원본 보기

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'''[[칼륨]]-[[아르곤]] 연대 측정'''(Potassium-Argon dating, K-Ar dating)은 [[칼륨-40]]이 [[아르곤-40]]으로 붕괴하는 것을 이용한 [[방사능 연대 측정]]이다. 이 방법은 1950년대 개발된<ref>{{저널 인용|성1=Garniss|이름1=H. Curtis |제목=Improvements in Potassium-Argon Dating: 1962-1975 |저널=World Archaeology |날짜=1975년 10월 |권=7 |호=2 |쪽=198-209 |url=https://www.jstor.org/stable/124039?seq=1}}</ref> 가장 오래된 지질학적 연대 측정 방법 중 하나로 몇 가지 단점에도 불구하고 분석 기술의 발달로 현재도 암석의 연대 측정에 이용되고 있다. 연대가 젊은 [[화산암]]이나 [[단층]]점토의 경우 칼륨-아르곤 연대 측정은 가장 쉬운 연대 측정법으로 알려져 있다.<ref name = "K1">{{저널 인용 |제목=한국기초과학지원연구원에 도입된 K-Ar 연대 측정시스템: 개요 및 성능 (New K-Ar dating system in Korea Basic Science Institute: Summary and Performance) |저널=한국암석학회 |저자=김정민 |날짜=2001년 |권=10 |호=3 |쪽=172-178 |url=https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO200111921005025&dbt=NART}}</ref>

== 개요 ==
[[칼륨-40]]이 [[아르곤-40]]으로 붕괴하는 것은 늘 일어나는 현상이지만, 암석이 용융되면 기체인 아르곤-40은 [[마그마]]를 벗어나게 된다. 그러다 암석이나 광물이 식어 고체가 되면 아르곤은 더 이상 방출되지 않고 광물의 결정격자 속에 갇히게 된다. 화산의 분화 등으로 인해 지표면에서 [[마그마]]가 식어 고체가 된 때부터 아르곤-40이 다시 누적되는데, 이 양을 칼륨-40의 양과 비교함으로써 마그마가 응고된 때로부터 현재까지 경과된 시간을 추정할 수 있다.<ref name = "Q4">{{서적 인용|성1=Mike|이름1=Walker |제목=제4기 지질시대 연대측정방법 Quaternary Dating Methods |날짜=2016년 |출판사=문우사 |위치=고양시 |isbn=979-11-85994-15-4}}</ref>

: <sup>40</sup>K ([[반감기]] 12억년) → <sup>40</sup>Ar (안정)

== 원리 ==
{{참고|칼륨 동위 원소}}
[[칼륨]]의 방사선 동위원소 [[칼륨-40]]은 전체 [[칼륨]]의 양 중 약 0.012%를 차지한다.<ref>{{저널 인용|성1=Garner|이름1=E. L.|성2=Murphy|이름2=T. J.|성3=Gramlich|이름3=J. W.|성4=Paulsen|이름4=P. J.|성5=Barnes|이름5=I. L. |제목=Absolute Isotopic Abundance Ratios and the Atomic Weight of a Reference Sample of Potassium |저널=J Res Natl Bur Stand A Phys Chem. |날짜=1975년 |권=79A |호=6 |쪽=713-725 |doi=10.6028/jres.079A.028 |pmid=32184525 |url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6589417/}}</ref> [[칼륨-40]]의 89.52%는 [[베타 붕괴]]를 통해 [[칼슘-40]]이 되고 나머지 10.48%만이 [[전자 포획]]과 [[양전자]] 방출(β<sup>+</sup> 또는 양의 [[베타 붕괴]])을 통해 [[아르곤-40]]이 된다.<ref>Faure, G. (1986) "Principles of isotope geology" Wiley. New York. 589p.</ref> [[양전자]] 방출에 의한 양의 [[베타 붕괴]]는 전체 방사선 붕괴의 0.001% 미만이므로 이를 무시하고 [[전자 포획]]에 의한 붕괴 상수를 칼륨-40이 칼슘-40으로 붕괴될 때의 붕괴 상수(<math>{\lambda}_{ec}</math>)로 간주할 수 있고 그 값은 0.581×10<sup>-10</sup> yr<sup>-1</sup>이며 [[반감기]]는 약 11억 년이다.<ref>{{저널 인용|성1=Steiger|이름1=R.H.|성2=Jäger|이름2=E. |제목=Subcommission on geochronology: Convention on the use of decay constants in geo- and cosmochronology |저널=Earth and Planetary Science Letters |날짜=1977년 10월 |권=36 |호=3 |쪽=359-362 |doi=10.1016/0012-821X(77)90060-7 |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0012821X77900607}}</ref>

칼륨-40 중에서 아르곤-40으로 붕괴되는 양은 [<math>{\lambda}_{ec}/{\lambda}_{total} ({\lambda}_{total} = {\lambda}_{ec} + {\lambda}_{\beta})</math>, 전체(베타 붕괴+전자 포획)에 대한 전자 포획에 의한 붕괴 상수의 비율] 로 나타낼 수 있으며 이를 방사선 붕괴의 일반 식에 대입하면 다음과 같다.

:<math>40Ar_{total} = 40Ar_i + ({\lambda}_{ec}/{\lambda}_{total} 40K \cdot (e^{{\lambda} total  T}) - 1)</math>

암석의 생성 시에 [[아르곤]]이 완전히 빠져나갔다면(Outgasing), 위 식에서 [[아르곤]]의 초기값은 없어지고(<math>40Ar_i = 0</math>) 식은 아래와 같이 간단해진다.

:<math>40Ar_{total} = ({\lambda}_{ec}/{\lambda}_{total})  40K \cdot (e^{{\lambda} total  T} - 1)</math>

이 식을 연대 T에 대해 정리하면 K-Ar 연대 측정식이 만들어진다.

:<math>T = \frac{1}{{\lambda}_{total}} \cdot \ln(\frac{40Ar^*}{40K} \cdot \frac{{\lambda}_{total}}{{\lambda}_{ec}} + 1)</math>

<math>40Ar^*</math>는 칼륨-40의 방사선 붕괴에 의해 만들어지는 [[아르곤]]을 의미한다. 이 식을 적용해 암석이나 광물의 K-Ar 연대를 계산할 때 시료가 아르곤과 칼륨에 대해 폐쇄계를 이루어야 하며 폐쇄온도 이하의 온도에서 동위원소의 조성이 일정하다는 가정을 전제로 한다. 또한 대기 기원의 아르곤-40에 대한 적절한 보정이 필요하고 아르곤-40과 칼륨에 대한 정확한 농도를 측정하여야 한다.<ref name = "K1" />

== 단점 ==
칼륨-아르곤 연대 측정의 단점으로는 2가지가 있다. 첫째로, 손실 및 과잉 [[아르곤]](excess argon)에 대한 정보를 얻을 수 없다. 광물 시료가 풍화되었거나 재가열될 경우 아르곤의 손실이 발생할 수 있다. 또한 외부의 결정들이 혼입되는 재결정이 발생할 수도 있다.<ref name = "Q4" /> 특히 [[아르곤]]을 과잉 함유하여 원래의 연령보다 더 오래된 연령이 산출될 가능성이 존재한다.<ref name = "R65">{{저널 인용|성1=RAMA|이름1=S. N. I.|성2=HART|이름2=S. R. |제목=Excess Radiogenic Argon in Fluid Inclusions |저널= Journal of Geophysical Research |날짜=1965년 1월 |권=70 |호=2 |쪽=509-511 |doi=10.1029/JZ070i002p00509 |url=https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/JZ070i002p00509}}</ref><ref>{{저널 인용|성1=Kelley|이름1=Simon |제목=Excess argon in K–Ar and Ar–Ar geochronology |저널=Chemical Geology |날짜=2002년 8월 |권=188 |호=1-2 |쪽=1-22 |doi=10.1016/S0009-2541(02)00064-5 |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254102000645}}</ref><ref>{{저널 인용|성1=Kelley|이름1=S.|성2=Turner|이름2=G.|성3=Butterfield|이름3=A.W.|성4=Shepherd|이름4=T.J. |제목=The source and significance of argon isotopes in fluid inclusions from areas of mineralization |저널=Earth and Planetary Science Letters |날짜=1986년 9월 |권=79 |호=3-4 |쪽=303-318 |doi=10.1016/0012-821X(86)90187-1 |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0012821X86901871}}</ref><ref name = "장산층">{{저널 인용 |제목=옥동단층대 석영편암의 K-Ar 연령에 대한 검토: 장산층의 선캠브리아기 퇴적에 대한 확실한 증거로 활용 가능한가? (A review on the K-Ar Ages of Quartz Schist in the Okdong Fault Zone: Robust Enough for the Evidence for the Precambrian Deposition of the Jangsan Formation?) |저널=한국암석학회 |저자1=김명정|저자2=박계헌 |날짜=2018년 |권=27 |호=1 |쪽=67-72 |doi=10.7854/JPSK.2018.27.1.67 |url=https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201811648109329&SITE=CLICK}}</ref> 둘째, [[칼륨]] 및 [[아르곤]]의 분리 측정에 따른 시료의 불균질성 문제가 있다.<ref>{{서적 인용|성1=Dalrymple|이름1=G. Brent|성2=Lanphere|이름2=Marvin A. |제목=Potassium-argon dating;: Principles, techniques, and applications to geochronology |url=https://archive.org/details/potassiumargonda0000dalr|날짜=1969년 |출판사=W. H. Freeman |위치=San Francisco |isbn=978-0716702412 |쪽=[https://archive.org/details/potassiumargonda0000dalr/page/n275 258]}}</ref> 이 가운데 첫번째 [[아르곤]]의 과잉 문제는 국내에서 [[옥동 단층]]에 의해 잘린 [[장산 규암층]]의 K-Ar 연대를 측정할 때 발생한 적 있다.

{{인용문|Argon contained in such inclusions may be considered a possible source of error in dating very young or low potassium minerals by the K-Ar method|Excess Radiogenic Argon in Fluid Inclusions (1965)<ref name = "R65" />}}

=== [[옥동 단층]]과 [[장산층]]의 K-Ar 연령 관련 문제 ===
{{본문|장산층#장산 규암층의 퇴적시기에 대한 논란}}
[[조선 누층군]] [[장산 규암층]] 또는 장산층은 그 [[지질시대]]에 논란이 있는 지층이다. [[장산층]]은 일반적으로 [[캄브리아기]]로 인정되고 있으나 윤현수(1983)는 [[영월군]] 옥동 지역에서 [[옥동 단층]]에 발달한 견운모 [[석영]][[편암]] 시료로부터 235±5 Ma, 266±5 Ma, 그리고 562±5 Ma의 3개 K-Ar 연령을 보고하였으며<ref>{{저널 인용|url=https://www.e-periodica.ch/digbib/view?pid=smp-001:1983:63::340#344|제목=K-Ar ages of micas from Precambrian and Phanerozoic rocks in the northeastern part of Republic of Korea|저널=chweizerische Mineralogische und Petrographische Mitteilungen|이름1=Hyun Soo|성1=Yun|날짜=1983년}}</ref> 이에 근거하여 이용일 외(2016)는 [[장산 규암층]]이 [[선캄브리아기]]의 지층이라고 주장하였다.<ref name = "I16">{{저널 인용|url=https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE06616233|제목=Depositional age and petrological characteristics of the Jangsan Formation in the Taebaeksan Basin, Korea-revisited (태백산분지에 분포하는 장산층의 퇴적시기 및 암석 특성 재고찰)|저널=[[대한지질학회]]|권=52|호=1|페이지=67-77|doi=10.14770/jgsk.2016.52.1.67|날짜=2016년 2월|저자1=이용일|저자2=최태진|저자3=임현수}}</ref>

김명정과 박계헌(2018)은 이용일 외(2016)의 "태백산분지에 분포하는 장산층의 퇴적시기 및 암석 특성 재고찰" 논문<ref name = "I16" />에서 인용된, [[옥동 단층]]대를 따라 발달한 하부 [[장산 규암층]] 내 견운모 석영 편암의 K-Ar 연령이 옥동 단층의 활동 시기와 옥동 단층이 절단하는 [[장산층]]의 퇴적시기를 한정하는데 활용할 수 있다는 점에 주목하고, 보고된 연령 분석자료의 신뢰도와 지질학적 의미에 대하여 다음과 같이 설명하였다.

견운모는 최후의 단층 활동 시기에 생성되었다고 하더라도 분석된 연령값은 단층 운동의 시기를 나타내는 것으로 보기 어렵다. '견운모 농집부분'으로 기술된 표품의 경우 [[칼륨]] 함량이 1.44%으로 매우 낮으며 이는 다른 광물에 비해 매우 낮은 값인데 암석 자체가 견운모 석영편암이기 때문에 견운모가 아닌 [[석영]]이 상당량 포함되어 있다. 석영이 문제가 되는 이유는 [[석영]]이 원래 [[칼륨]]을 높은 농도로 갖는 광물이 아니기 때문에 비교적 적은 양의 과잉 [[아르곤]]의 존재도 칼륨-아르곤 연대 측정에 심각한 영향을 줄 수 있다. 상대적으로 오래된 연령을 나타내는 석영이 포함되어 있기 때문에 실제의 [[단층]] 활동 시기는 이보다 매우 젊은 시기일 것으로 추정된다. 정확한 단층 활동 시기를 구하기 위해서는 석영의 함량도 계산하여야 한다.

따라서, 분석된 암석 표품에 함유된 [[석영]]은 상당량의 과잉 [[아르곤]]을 포함하는 것으로 추정되기 때문에 [[장산층]]의 연령을 한정하는 근거로 활용하는 것은 부적절하며, 윤현수(1983)가 제시한 K-Ar 연령을 [[옥동 단층]]의 활동 시기로 해석하거나 이에 근거하여 옥동 단층이 절단하는 장산층의 연령을 선캄브리아기로 해석하는 것은 적절하지 않다.<ref name = "장산층" />

== 한국 ==
[[한국기초과학지원연구원]]에서는 1997년 새로운 칼륨-아르곤 연대 측정 장비를 도입하여 [[대한민국]]에서 유일하게 광물과 암석의 칼륨-아르곤 연대 측정을 수행하고 있다. [[한국기초과학지원연구원]]에 설치된 K-Ar 연대측정시스템은 흑연전기로, 가스 정제 장치, 불활성 기체 질량분석기, 자료 수집장치로 구성된다. 전기로(爐)는 흑연 발열체와 [[탄탈럼]] 튜브로 구성되며 시료는 1450°C의 온도에서 10분간 가열된다.<ref name = "K1" />

== 같이 보기 ==
* [[아르곤-아르곤 연대 측정]]
* [[방사성 탄소 연대 측정]]
* [[ESR 연대측정법]]
* [[칼륨 동위 원소]]

== 각주 ==
<references />

{{전거 통제}}

[[분류:연대 측정법]]
[[분류:방사능]]
[[분류:칼륨]]
[[분류:아르곤]]