Re-Os 동위원소 시스템은 $^{187}Re$이 $\beta^-$ 방출에 의해 $^{187}Os(\lambda=1.67\times10^{-11}year^{-1})$으로 방사성 붕괴를 하는 것을 이용한 것이며, 다양한 우주화학과 지구화학 분야에 널리 활용되고 있다. 과거 10여 년 간 발전된 원소분리기법과 기기분석방법의 발달로 인해 현재는 Sm-Nd, Rb-Sr, U-Th-Pb 동위원소 시스템과 함께 절대연령측정과 동위원소지시자로 널리 활용되고 있다. 이 논문은 Re-Os 동위원소 시스템의 일반적인 원리와 이 시스템이 널리 활용되는 분야 중 하나인 하부지각맨틀의 생성연령을 구하는 방법에 대해 한반도 남부 알칼리 현무암에 포획되어 산출하는 맨틀포획암을 대상으로 실시된 Re-Os 동위원소 자료를 이용하여 소개한다.
동해 연안에서 채취된 뷔나스백합(Mercenaria stimpsoni)의 연령과 성장률을 이매패의 표면에서 확인된 연륜과 이매패 각질에서 분석된 산소동위원소비의 성장에 따른 변화를 이용하여 비교하였다. 뷔나스백합의 산소동위원소상은 일련의 주기적인 변화를 뚜렷하게 보여주며 이러한 변화진폭은 이매패가 성장한 해수의 온도변화에 일차적으로 제어된다. 산소동위원소상의 주기화 연륜의 관계로부터 뷔나스백합의 연륜이 해마다 여름철에 형성됨을 보여준다. 해수 온도의 계절적 변화와 산소동위원소비에서 얻어진 예측 온도와의 비교로부터, 뷔나스백합은 겨울철에 성장이 멈추는 것으로 사료된다. 또한 산소도위원소비는 뷔나스백합의 성장에 따른 전형적인 노화현상을 보여준다. 따라서 이매패가 성장하는 해수의 물리화학적 조건에 의해 제어되는 산소동위원소비는 뷔나스백합의 경우 연령과 성장률을 측정하는 독립적인 시간 척도가 될 수 있다.
뼈에서 추출된 콜라겐의 탄소와 질소 안정동위원소 정보는 그 당시의 사람들이 섭취했던 식생활, 영양 상태, 고환경과 생활상을 연구하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 출토 자료가 희박하여 아직까지 시도된 바가 없는 고려시대 피장자들에 대한 식생활과 모유수유 양상을 밝히고자 한다. 고려시대 경주 동궁과 월지 3호 우물에서 출토된 옛사람 뼈 4개체에서 추출된 뼈 콜라겐을 이용하여 안정동위원소 분석을 진행하였으며, 탄소와 질소 안정동위원소 분석 결과는 각각 다음과 같다(δ13C(‰) = -19.5 ± 0.9 ‰, δ15N(‰) = 11.1 ± 1.1 ‰, (n = 4)). 탄소 안정동위원소 분석 결과 벼, 보리 등 C3 작물군을 주로 섭취하였고, 질소 안정동위원소 분석 결과 동물성 단백질은 주로 육상 동물로부터 얻었을 가능성이 높다고 추정된다. 또한, 출토된 옛사람 뼈 4개체는 성인, 소아, 유아, 영아로 추정되는 다양한 연령대로 나타났으며, 유아와 영아로 추정되는 피장자들과 성인 피장자 간의 질소 안정동위원소 값 차이로부터 약 3세의 연령까지 모유수유가 진행되고 있었다고 추정된다. 모유수유와 이유 양상은 당시의 출산율, 인구역학, 이동 패턴, 질병 등 다양한 사회상을 반영하는 매우 중요한 정보이며, 다양한 연령대의 분석 결과로부터 의미 있는 정보를 밝혀냈다.
이차이온질량분석기는 고속으로 가속된 일차이온을 고체 시료 표면에 충돌시켜, 이차이온을 발생시킨 후 질량분석 장치를 통해 분석하는 장치이다. 시료에 충돌하는 일차이온빔의 크기를 마이크론 단위까지 줄여 미세영역에 대한 분석이 가능하므로 이온현미분석기라고도 불린다. 이차이온질량분석기의 정밀도와 정확도는 고전적인 질량분석기에 비해 떨어진다. 하지만, 극소량의 시료로 분석이 가능하며, 화학적 전처리 과정 없이 연마편을 이용하여 매우 좁은 영역에서 동위원소의 분포를 연구할 수 있다는 장점이 있다. 지구화학/우주화학 분야에서 이차이온질량분석기의 활용은 최근 급속히 증가하고 있으며, 주로 (1) 수소, 탄소, 산소, 황 등의 안정동위원소 연구, (2) 함 우라늄/토륨 광물의 절대연령측정, (3) 광물 내 미량원소의 분포 연구, (4) 선태양계 광물 발견 및 이들의 동위원소 연구 등에 사용되고 있다.
최근, 기계의 분석 정밀도가 높아짐에 따라 어류 이석 내 미량원소를 이용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이석은 균형감각기관으로서 칼슘과 단백질의 복합구조로 이루어져 있으며, 어류의 전 생활사에 걸쳐서 성장한다. 이렇게 형성된 어류의 이석내 화학조성은 형성 후엔 변화하지 않는다는 특징을 가지고 있다(Campana,1999). 위와 같은 특징을 바탕으로 이석 내 미량원소 또는 동위원소의 함량비율을 분석하여 어류에 대한 계군분리, 어류의 서식환경 추적, 오염 정도, 그리고 어류의 회유 유무와 경로, 연령사정 등의 연구를 하고 있다(Campana, 1999). (중략)
이석(otoliths)은 경골 어류의 내이(inner ear)에 존재하는 평형석으로 어류의 성장과 함께 성장하며, 이석 내 산소동위원소는 어류가 서식했던 수온에 영향을 받으며 침전되기 때문에 어류가 서식했던 서식처의 수온을 반영한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 명태 이석 내 산소동위원소(${\delta}^{18}O$)와 서식 수온과의 관계를 조사하여, 명태의 생활사에 따른 서식지의 변동을 비교하였다. 우리나라와 일본의 동쪽 해역에서 $1997{\sim}1999$년 사이에 채집된 명태로부터 이석을 채취하여 연령대 별로 산소동위원소 함량을 분석하였으며, 수온 자료는 양국의 해양자료센터(KODC, JODC)로부터 획득하였다. 명태가 서식하는 수심의 수온은 가을과 겨울에 걸쳐 연중 가장 높았고, 우리나라 동해연안은 200 m 이상의 수심에서는 계절적 변동이 거의 없이 낮은 수온이 분포하는 안정된 상태였으나, 일본 해역에서는 300 m의 비교적 깊은 수심에서도 계절적 변화를 보였다. 전반적으로 모든 수심에서 우리나라 보다 일본 연안의 수온이 높았으며, 일본 해역의 명태가 우리나라 명태보다 깊은 곳에 서식하였다. 우리나라와 일본 명태 이석의 산소동위원소 값은 대부분 시료에서 이석의 핵 부분 보다는 가장자리 부분에서 산소동위원소 값이 높아 명태가 성장하면서 수온이 낮은 깊은 수심으로 이동하는 것으로 이해된다. 또한, 3년 동안의 수온변화와 그 당시 성장하였던 이석의 산소동위원소 값은 역상관 관계를 보이고 있다.
청주지역에 분포하는 화강암류 암석에 대한 SHRIMP 저어콘 U-Pb 연대측정, 전암 화학 및 전암 Sr-Nd 동위원소 특성을 살펴보고 이를 대보화강암체의 지구연대학적 및 지화학적 특성과 비교하였다. 청주 화강암체 내부의 섬록암에서 $174{\pm}2Ma$ ($t{\sigma}$), 이를 관입한 흑운모 화강암에서 $170{\pm}2Ma$ ($t{\sigma}$), 그리고 이 두 암 석을 모두 관입하는 산성암맥에서는 $170{\pm}5Ma$ ($t{\sigma}$)의 저어콘 연대가 산출하였다. 각 암석에서 측정한 절대연령은 노두에서 측정한 상대연령과 일치하며, 한반도 중부에 분포하는 대보화강암체에 대한 연대측정결과 (170-175 Ma)와도 부합된다. 청주 화강암체의 주원소 및 미량원소 분석 결과는 한반도 중부에 분포하는 대보화강암류 및 화강섬록암의 분석결과와 잘 일치하며, 섭입대와 관련한 I-type 화강암의 특성을 나타낸다. 하지만, Sr과 Nd 동위원소 조성은 청주 화강암체가 부화된 하부지각물질의 부분용융 산물이거나 지각 물질의 혼염 가능성을 지시한다. 더불어 저어콘의 상속핵 및 포획결정에서 산출되는 2.1, 1.8, 0.8 및 0.4 Ga의 다양한 저어콘 상속핵 연대는 연구지역 주변의 경기육괴와 옥천변성대의 암석들이 동화작용에 의해 혼염 되었을 것으로 판단된다.
옥천습곡대 중앙부에 분포하는 중생대 화강암체의 전암 및 광물연령을 Rb-Sr, K-Ar, 휫션트랙법으로 측정하여, 그들 암체의 관입 정치시기와 지체구조 발달과정인 지열사를 규명하였다. 이들 중생대 화강암체중 Rb-Sr법으로 동시선 연령을 구한 쥬라기의 제천화강암체(~203 Ma)와 문경화강함체(~200 Ma), 그리고 백악기 중기의 무암사화강암체(~110 Ma), 월악산 및 대야산화강암체(~110 Ma)는 모드 스트론치움 초생값($Y^{87}Sr/^{88}Sr)_i$이 0.7100 이상의 값을 나타내여, "I-형"과 "S-형"에 속하여, 지각물질이 혼화된 "M-형"의 마그마로부터 결정분화한 것으로 밝혀졌다. 또 위의 쥬라기 화강암체는 암상 및 조암광물의 지화학적 연구결과 심부에 정치되어 약 $300^{\circ}C$가지는 급히 낵강하였으나, 그 이후부터는 서서히 냉각한 것으로 생각되나, 문경화강암체는 ~110 Ma경에 천부에 관입한 백악기 중기의 월악산, 대야산 화강암체의 높고 큰 열로 동위원소계가 완전히 또는 부분적인 재평을 이루므로써, 각 연령측 안방법중 연령보존온도 이하의 연령측안시료에서는 실제 제시해야 할 연령보다도 더 젊은, 후기의 지질변동 시기(~110 Ma)를 제시하거나, 부분적인 연령감소를 나타내는 감소된 연령(K-Ar 감섬석 연령: 142 Ma)을 나타내고 있다. 또 백악기 중기(~110 Ma)의 무암사, 월악산, 대야산화강암체와 백악기 중기-말기(~90 Ma)의 속리산 및 형제봉화강암체는 천처에 관입하여 매우 단순하게 그리고 급속히 냉각한 암체인 것으로 확인되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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