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5-2. 동위원소의 지질학적 응용 (개괄)
동위원소는 다양한 지질학 분야에서 없어서는 안될 중요한 수단이다.
각 분야에서 해결하여야 할 문제에 따라 방사성 동위원소를 이용하기도 하며 혹은
안정 동위원소를 이용하기도 한다. 때로 복잡하고 종합적인 해석을 요하는 경우,
모든 종류의 동위원소를 이용할 때도 있다. 여기서는 개략적으로 이들 동위원소가
지질학 분야에서 어떻게 사용되는가를 소개하려고 하며, 이중 몇몇은 그 다음 절에서 보다
자세히 설명하려고 한다.
5-2-1. 방사성 동위원소의 지질학적 응용
1) 연령측정(age determination)
암석, 광물 및 기타 지구구성물질의 생성 및 변성 시기 등을 빙사능 원소의
붕괴 반감기 및 방사성 동위원소 조성으로부터 계산한다. 방사능 원소의 붕괴식과 그를
이용한 절대 연령 측정에 대해서는 다음 절에서 자세히 다루기로 하자. 연령 측정은
매우 다양한 방법을 통해 하며, 측정된 연령의 해석은 때로 매우 전문적인 지식을 필요로
한다. 이와 같은 연령 측정과 그의 해석에 관한 학문 분야를
"지구연대학(geochronology)"라 한다.
2) 지질작용의 역사 규명
동위원소를 이용한 연령 측정 이전에는 물리화학적인 관찰과 이를 바탕으로 하는
논리적인 사유로부터 지질작용의 기작을 추론하고 사건을 정리하였다. 연령 측정이
가능해진 이후에는 여기에 더해 보다 명확한 지질작용들의 시간적 선후 관계를 정할 수 있게 되었으며,
이로부터 보다 정량적인 지질 작용의 역사 규명이 가능하게 되었다.
3) 물질의 기원 (지구 작용의 기작) 추적
지구상의 모든 물질은 여러 작용을 거치면서 끊임 없이 순환한다. 현재 관찰되는
물질이 이러한 순환 과정 중, 어떠한 작용을 통해 생성되었는지 또 어떠한 모 물질로부터 유래되었는지를
방사성 동위원소를 이용하여 추적할 수 있다. 예를 들면, 지구의 생성이래 진행된 끊임 없는
방사능 붕괴와 지구 물질의 분화로 인해 섭입되는 지각의 87Sr/86Sr의
값은 맨틀의 87Sr/86Sr의 값과 다르다. 따라서 화성암의 87Sr/86Sr
값을 살펴보면, 그 기원 물질이 지각인지 맨틀인지 구분하는데 많은 도움을 얻을 수 있다. 또
다른 예를 하나 살펴보자. Nd은 유동성이 상당히 불량한 원소이다. 따라서, 바닷물의 경우
지역에 따라, 용존 성분의 공급원에 따라, 그리고 기타 환경 조건에 따라 143Nd/144Nd의
값에 많은 차이를 보일 수 있다. 실제로 대서양의 143Nd/144Nd 값은
태평양의 143Nd/144 값과는 상당히 다른데, 이를 이용해 대서양과 태평양의
바닷물이 어떻게 섞이는지 추적할 수도 있다. 이와 같이 방사성 동위원소는 물질의
기원 및 지구 작용의 기작을 추적하는데 요긴하게 이용되며, 이를 통해 궁극적으로 지구 진화
양상에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있다.
4) 퇴적 및 광상 생성구(provenance) 구명
위 3)과 같은 원리로 퇴적 생성구와 광상 생성구를 정의하는데, 방사성 동위원소가
유용하게 이용될 수 있다.
방사성 동위원소는 위에 기술한 분야 이외에도 매우 다양한 측면에서
지질학적으로 응용된다. 여러분들은 각자 방사성 동위원소가 지금까지 논의한 분야 이외에
어떻게 응용되는지를 조사하고, 그 내용을 서로 토론해보도록 하자.
5-2-2. 안정 동위원소의 지질학적 응용
1) 물질의 기원 추적
앞서 방사성 동위원소가 물질의 기원 및 지구 작용의 기작 추적에
이용될 수 있음을 얘기하였다. 안정 동위원소 또한 이러한 목적에 이용되며, 특히
지각과 대기권을 포함하는 환경에서는 방사성 동위원소보다 훨씬 광범위하고 심도 있게
이용되고 있다. 예를 들면, 빗물에 녹아 있는 황은 바닷물의 포말로부터
유래된 것일 수도 있고, 화석 연료의 연소로 인한 대기 오염 결과 유래된 것일 수도 있다.
빗물 중의 황이 이 둘중 주로 어떤 것에 기인한 것인지는 황의 34S/32S
값으로부터 알 수 있다. 흔히 화석 연료 내 황의 34S/32S 값이
바닷물 내 황의 34S/32S 값보다 훨씬 낮기 때문이다.
2) 환경 지시자
안정 동위원소 조성은 대상 물질의 생성 및 반응 환경을 지시해 준다.
예를 들면, 메탄(CH4)은 지층 중의 유기물이 열을 받아 분해되어
만들어지기도 하고, 메탄 발생 박테리아에 의해 이산화탄소로부터 만들어지기도 한다. 열분해에
의해 만들어지는 메탄은 13C/12C의 값이 모물질과 비슷하거나 약간 낮은
정도인데 반해 박테리아에 의해 만들어진 메탄은 매우 낮은 13C/12C 값을
갖는다. 이와 같이 안정 동위원소의 조성으로부터 생성 환경 및 반응 기작을
추측할 수 있다.
3) 지온계(geothermometry)
안정 동위원소 조성, 특히 산소 동위원소 조성을 이용하여 과거 지구 작용에
의한 대상 물질의 생성 온도를 추정할 수 있다. 이 것은 위 환경 지시자로서의 안정
동위원소 응용의 일부로 생각할 수 있지만, 지온계로서의 동위원소 이용이 매우 중요하여
따로 분리하여 기술하였다.
4) 수문학적 응용(hydrological application)
태양계에서 지구만이 물의 순환에 따른 다양하고 역동적인 환경을
갖고 있다. 물은 수소와 산소로 구성되어 있는 분자이며, 이들 각각의 원소들은
동위원소를 갖고 있다. 물의 수소와 산소 동위원소 조성은 물이 지구 시스템에서
어떠한 작용 및 과정을 거쳐 왔는 가에 따라 다르르 수 있으며, 이러한 특징을 이용하여
강수, 증발, 물-암석 반응, 오염, 지하수 충진 등 수문학의 거의 전 분야에서 매우 중요한
해석 수단으로 이용되고 있다.
5) 혼합(mixing)
동위원소를 이용하여 물질의 기원, 생성 환경 및 기작 등을 알 수 있으므로,
여러 기원 물질이 혼합한 경우, 혼합 기원 물질의 종류 및 양도 추적 가능하다.
이 밖에도 안정 동위원소는 여러 지질학 분야에 걸쳐 그 이용 가능성이
무궁무진하며, 특히 요즈음은 환경 지구화학 분야에서 매우 활발하게 이용되고 있다.
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