지르콘으로 시간을 측정하다

출처: JOHN VALLEY / 위스콘신-매디슨 대학교

서호주 잭 힐스(Jack Hills) 지역의 노두에서 추출한 지르콘 결정의 이 조각은 44억년 된 것입니다. 그러한 결정 내의 불순물을 통해 과학자들은 결정의 나이와 모든 종류의 지질 발달 시기를 결정할 수 있습니다.

광물 지르콘의 결정은 가장 격렬한 지질학적 사건에서도 살아남을 만큼 견고합니다. 그 안에 있는 불순물은 행성 역사의 타임캡슐을 제공합니다.

작성자: Cypress Hansen 2021년 4월 14일

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다이아몬드는 가장 단단한 보석일 수 있지만 영원히 지속되는 것은 지르콘입니다. 12월의 탄생석은 매우 내구성이 뛰어나 지구에서 가장 오래된 물질로 알려져 있습니다. 호주에서 생산되는 일부 지르콘의 연대는 40억년 이상입니다.

그러나 지르콘은 단순히 오래된 것이 아닙니다. 나이테와 마찬가지로, 그들은 시간을 기록하여 주변 암석의 나이와 그들이 목격한 지질학적 과정을 드러낼 수 있습니다. 지르콘 덕분에 연구자들은 행성의 기원 이야기를 들려줄 수 있고, 대륙이 언제 바다에서 솟아올랐는지 추론할 수 있으며, 심지어 지구 표면 아래에서 귀중한 광물을 발견할 수도 있습니다.

“지르콘의 도움 없이 우리가 지구에 대해 알고 있는 양은 매우 작습니다.”라고 펜실베니아 주립 대학에서 결정을 연구하는 지질학자인 Jesse Reimink는 말합니다.

광물 지르콘은 지르코늄, 규소, 산소 원소가 마그마나 변성암에서 결정화될 때 형성됩니다. 시간이 지남에 따라 가열과 냉각을 반복하면 연속적인 페인트 코팅처럼 결정에 외부 층이 추가됩니다. 우라늄과 같은 소수 원소의 원자는 지르코늄 원자와 유사하여 결정 구조 내에서 자리를 잡을 수 있습니다. 이러한 원자가 방사성인 경우 예측 가능한 방사성 붕괴 과정을 통해 납과 같은 다른 원소로 천천히 전환됩니다.

이런 일이 발생하면 수정은 시계가 됩니다. 예를 들어, 과학자들은 지르콘 결정을 레이저로 폭발시키거나 이를 산으로 용해시킨 후 우라늄-납 비율을 측정함으로써 고대 지질학적 사건의 시기를 놀라울 정도로 정확하게 추정할 수 있습니다.

지르콘은 "우라늄-납 붕괴 시스템을 위한 완벽한 광물"이라고 Reimink는 말했습니다. "그리고 우라늄-납 붕괴 시스템은 지구연대학에 대한 신의 선물과 같습니다."

그리고 지르콘은 녹거나 갈라지거나 침식되는 것에 대한 저항력이 매우 강하기 때문에 연구자들은 지구상에서 가장 오래된 사건의 연대를 측정할 수 있습니다.

UCLA의 지구화학자인 베스 앤 벨(Beth Ann Bell)은 “지르콘 연구는 우리가 초기 지구에 대해 발견할 수 있는 지평입니다.”라고 말했습니다. "그것은 우리가 어디서 왔는지 이해하려는 노력의 일부입니다."

지르콘 결정은 마그마나 변성암에서 형성되며 액체 또는 액체에 가까운 암석에서 새로운 층을 성장시킵니다. 자연적으로 방사성 형태를 갖는 원소는 성장하면서 결정 구조에 포함될 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 여기에 표시된 우라늄과 같은 요소는 예측 가능한 속도로 딸 요소로 붕괴되어 과학자들에게 지르콘 결정이 경험한 지질학적 과정의 연대를 측정할 수 있는 "시계"를 제공합니다.

지르콘은 대략 모래알 크기이므로 연구자들은 적절한 크기의 샘플을 얻기 위해 종종 몇 킬로그램의 암석을 수집, 분쇄 및 선별해야 합니다. 그러나 향상된 레이저 기술과 보다 민감한 분석 장비를 통해 지르콘 연대 측정이 더욱 쉽고 정확해졌습니다. 즉, 과학자들은 더 적은 수의 결정에서 더 많은 정보를 추출할 수 있습니다. 코펜하겐 대학교의 행성 과학자인 마틴 비자로(Martin Bizzarro)는 “이 분야는 매우 빠르게 발전하고 있습니다.”라고 말합니다. "사람들은 점점 더 작은 샘플을 최고의 정밀도로 분석하기 위해 한계를 뛰어넘고 있습니다."

과학자들이 이 작은 시계로부터 무엇을 배우고 있는지 살펴보겠습니다.