핵분열비적연대측정 (Fission-Track Dating)

지구과학

한 줄 정의: 광물 내 우라늄-238의 자발 핵분열로 생긴 격자 손상 흔적(비적)의 밀도와 우라늄 함량을 비교하여 광물이 특정 온도 이하로 냉각된 이후 경과한 시간을 구하는 방사성 연대측정법으로, 주로 아파타이트와 지르콘에 적용된다.

쉽게 풀면

우라늄-238 원자는 아주 드물게 스스로 두 조각으로 쪼개지는데, 이때 튀어 나간 조각들이 광물 결정 속에 머리카락보다 훨씬 가는 상처 자국을 남깁니다. 이 흔적은 산으로 에칭하면 현미경으로 셀 수 있을 만큼 커집니다. 오래된 광물일수록, 우라늄이 많을수록 흔적이 많으므로 흔적 수와 우라늄 양을 비교하면 나이가 나옵니다. 그런데 광물이 뜨거우면 상처가 저절로 아물기 때문에, 이 나이는 광물이 어느 온도 이하로 식은 뒤의 시간입니다.

왜 중요한가

핵분열비적연대는 아파타이트의 경우 약 60~120°C라는 낮은 온도 구간에 민감하여, 산맥의 융기·삭박 속도, 분지의 매몰 열 이력, 단층 활동 시기, 석유 생성 창 통과 여부 등 지각 상부 수 km의 열 이력을 복원하는 열연대학의 핵심 도구입니다. 비적 길이 분포까지 분석하면 냉각 속도와 재가열 여부도 알 수 있습니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"아파타이트 핵분열비적 연대 35±4Ma와 평균 비적 길이 14.2μm는 에오세 말 이후의 급속한 냉각을 지시한다."

인회석 속 흔적 수와 길이를 분석해 약 3,500만 년 전에 빠르게 식었다는, 즉 그때 땅이 빠르게 깎여 올라왔다는 뜻이다.

"지르콘 핵분열비적 연대가 퇴적 연대보다 젊아 퇴적 후 약 250°C 이상의 매몰 가열을 겪었음을 시사한다."

퇴적된 지층의 광물이 퇴적 시기보다 젊은 나이를 보이므로 땅속 깊이 묻혀 충분히 뜨거워져 흔적이 지워졌다가 다시 쌓였다는 의미이다.

조금 더 깊게 보면

우라늄 함량은 외부검출법(시료를 원자로에서 중성자 조사하여 유도 핵분열 비적을 운모 검출기에 기록)이나 최근에는 LA-ICP-MS로 직접 측정하며, 제타 보정으로 연대 표준 시료에 대해 교정합니다. 비적은 온도가 높을수록 빠르게 소멸(annealing)하며, 아파타이트는 약 60~120°C의 부분 소멸 구간(PAZ), 지르콘은 약 200~300°C를 가집니다. 구속 비적 길이 분포는 열 이력에 대한 추가 제약을 주므로, 역산 열 모델링(HeFTy, QTQt)으로 시간-온도 경로를 구합니다. 아파타이트의 소멸 속도는 염소 함량과 에칭 특성(Dpar)에 따라 달라지므로 이를 함께 측정합니다.

주의할 점

핵분열비적 연대는 광물의 결정 연대가 아니라 냉각 연대이며, 열 이력이 복잡하면 특정 사건을 의미하지 않는 '혼합 연대'일 수 있다. 또 비적 계수에는 관찰자 의존성이 있어 분석자별 제타값 교정이 필수이다.