퇴적물에 대한 또 하나의 강력한 연대측정법 : 고지자기연대(Paleomagnetic Chronology)
제4기 지질학에 있어서 주요 연구 대상은 퇴적물과 화산암이며, 특히 퇴적물의 경우는 연속적인 지구 역사의 증거를 담고 있다는 장점을 가지고 있다. 화산암의 경우는 연대측정기술의 축적과 초정밀 측정장비의 급진적인 상용화에 힘입어 수천년전의 가까운 과거의 연대까지도 신뢰성 있는 자료(K-Ar, FT 등)를 제공하여 왔다. 이와는 달리, 제4기 퇴적물에서 퇴적 연대를 알아내는 일은 특수한 경우(tephra층. 5만년 이내의 유기물, 조개껍질 등)를 제외하면 간단한 일이 아니며, 한반도와 같이 제4기 화산활동이 뜸하고, 침식활동이 왕성하여 육성층의 보존이 불량한 곳에서는 더욱 어렵다. 제4기 지층은 인간 생활의 주요 터전이며, 대부분의 건축물과 구조물, 도로, 농경지, 골재자원 등 경제 활동의 무대이다. 제4기의 고환경과 고기후의 복원은 미래의 환경과 기후의 예측을 위한 핵심 사항이며, 이미 선진국에서는 이 과제에 대하여 많은 예산이 집행되고 있다. 제4기 단층의 인근에서 수회의 단층 혹은 지진의 증거가 지층에 기록되어 있는 경우도 있다. 또한 제4기 지층에는 인류가 남긴 고고학 유물이 다량 매장되어 있어(한반도는 구석기 유적의 보고이다), 인류학에서도 매우 중요하다. 학술 및 경제적 측면에서 퇴적물의 규모, 퇴적 기작, 층서 구분, 지층 대비는 필연적인 요소이며, 이들 전체의 규명을 위해서는 각 퇴적물에 대하여 다량의 신뢰성 있는 퇴적물연대데이터베이스를 시공간적으로 얼마나 많이 구축하느냐에 달려있다. 우리나라의 경우 대부분의 연대 측정을 외국에 의존해 왔다(현재 일부 방법은 국내에서 측정 가능하게 되었으며, 측정자료의 신뢰성을 높이기 위한 제반 연구를 수행하고 있다). 1점의 연대측정을 위해서 적정 시료를 얻어 전처리한 후, 측정에 이르기까지 소요되는 많은 시간과 비용(1점에 수십만원선)도 결코 만만하지 않다.
최근 제4기 퇴적물에 대한 고지자기 연대측정에 대한 연구 결과들이 세계 각지에서 보고되고 있다. 저비용/고효율의 강력한 이 방법은 꾸준한 자성광물학(rockmagnetism) 및 고고지자기학(archaeomagnetism)의 연구성과에 초전도자력계를 포함한 일련의 자기실험시스템이 갖추어 짐으로써 가능해지게 되었다. 지구자기장의 변화가 수년 이상의 주기를 갖을 때 영년변화라 한다. 고지자기연대측정법의 원리는 그 방향, 강도 및 극성 변화를 수반하는 지구 자기장 영년변화의 주요 특성을 이용한 것이다. 이를 이용한 정확한 연대 추정의 열쇠는 얼마나 오랜 기간의 고지구자기장의 기록을 얼마나 정밀하게 측정하여 표준자료화 하느냐에 달려 있다. 퇴적물에 대한 고지자기연대측정법의 장점은 거의 연속적인 퇴적연대를 제공한다는 것이며, 기존의 연대측정 방법들(각종 안정/불안정 동위원소법, FT법, ESR법, TL법 등)과 연계하여 상호 cross-check됨으로써 더욱 강력한 위력을 발휘할 수 있다. 현재, 고지자기학을 이용한 제4기 퇴적물의 연대 추정은 다음 3가지 방법이 널리 쓰이고 있다.
(1) 첫 번째로 지구자기장 방향의 영년변화를 이용한 방법은 정밀도(십수년)는 뛰어나나 표준자료가 확립된 국지적인 지역에서만 활용할 수 있으며, 우리나라의 경우 만년 이내의 연대결정에 국한된다(이윤수 외, 2001). 화산암이나, 고고학 유적지(가마터, 아궁이터) 시료의 연대 추정의 보편적 방법이다(한반도의 역사시대 동안의 영년변화(kPSV, Korean Paleosecular variation) 곡선은 환경지질연구정보센터 웹사이트의 자료실에서 다운로드받을 수 있음). 이 방법을 적용하기 위해서는 정향시료를 얻어야 한다. (#수평으로 회전된 시추코아의 경우 심지어 상하관계조차 알 수 없다하여도, 고지자기 방법을 이용하면 원래의 방향으로 간단히 정향시킬 수 있다. 자세히는 필자에게 문의바람)
(2) 두 번째로 지구자기장 강도의 영년변화를 이용한 방법은 그 대상이 수만년동안 연속적으로 퇴적된 퇴적물로 한정되지만 최근 1백만년 이내의 시대에 대해 수백-수천년의 정밀도로 연대추정을 할 수 있다. 전 세계 공통으로 동일한 표준자료(Guyodo and Valet, 1999)를 쓸 수 있다는 점이 (1)과는 다른 장점으로써, 지구상 어디에서 얻은 시료에 대한 결과라도 적용할 수 있다. 정향시료에만 적용가능하다.
(3) 세 번째로 극성의 영년변화를 이용한 방법은 수십만년의 긴 지질시대에 걸친 지층을 대상으로 한다. 제4기(현재-200만년전)의 경우에는 Brunhes 정자극기(Normal Polarity Chron; 현재-78만년전)과 Matuyama 역자극기(Reversed Polarity Chron; 78만년전-248만년전)으로 구분되며, 전자는 8회의 역자극아기(Reversed Polarity Subchron), 후자는 5회의 정자극아기(Normal Polarity Subchron)가 확인되어 있다. 상하만 확인될 수 있는 시료라면 적용 가능하다.
만일 해양퇴적물이나 호수퇴적물처럼 제4기 중 십만년 이상 지속적으로 퇴적된 곳에서 구한 시추코아(물론, 비교란 시료)에 대해서는 상기 방법의 2-3가지를 동시에 적용할 수 있으며, 초정밀도의 연속적인 연대측정결과를 기대할 수 있다.
하지만, 모든 퇴적물 시료에 대하여, 고지자기연대측정을 할 수 있는 것은 아니다. 이 방법은 우선 퇴적물 내에 잔류자화를 기록하는 강자성광물들을 포함하여야 하며, 퇴적물의 입자가 충분히 작아야 한다(fine sand 이하가 좋다). 여기에 퇴적이후 여러 가능한 작용에 의하여 자성광물이 2차적으로 형성된 자성광물이 포함된다든지, 1차기원의 자성광물이 2차적으로 재자화되는 경우도 있을 수 있기 때문에, 좋은 자료를 얻기 위해서는 반드시 자성광물의 기원과 특성을 규명하기 위한 면밀한 자성광물학적 연구와 충분한 실험 및 검증을 거쳐야 한다.