지구의 나이를 읽어낸 운석 속 납의 기록

1956년 지구화학자 클레어 패터슨(Clair Patterson)은 애리조나주 캐니언 디아블로 철운석과 여러 석질운석 속의 미량 납 동위원소 비율을 분석해 지구의 나이를 45.5억 ± 0.7억 년으로 발표했습니다. 이후 분석 장비와 시료 데이터가 정교해지면서 오늘날 미국 지질조사국(USGS) 등 과학계가 채택한 지구의 표준 나이는 약 45.4억 년(오차 범위 ±5천만 년, 약 1%)입니다.

정작 지구의 나이를 밝히는 데 지구 표면의 암석이 아니라 우주에서 날아온 운석을 사용한 데는 명확한 이유가 있습니다. 지구의 암석이 왜 탄생 초기의 기록을 잃어버렸는지, 그리고 우라늄이 붕괴해 만들어진 납과 태양계 탄생 때부터 존재하던 초기 납을 어떻게 분리해 행성의 시계를 읽었는지는 동위원소의 붕괴 속도와 실험실의 분석 과정을 따라가야 드러납니다.

지구 암석의 한계와 두 개의 우라늄-납 붕괴 시계

지구 표면에서 채취한 암석의 방사성 연대를 측정하면, 그 수치는 암석 속 광물이 마그마에서 굳거나 변성 작용을 끝내고 동위원소가 외부와 섞이지 않게 된 시점(폐쇄 온도 도달 시점)을 알려 줍니다. 지구는 탄생 이후 수십억 년 동안 판구조 운동과 화산 활동, 풍화와 침식을 겪으며 지각을 끊임없이 녹이고 재활용해 왔습니다. 가장 오래된 대륙 지각의 암석이나 광물(약 40억~44억 년 전의 지르콘 등)은 지구가 최소한 그보다는 오래되었다는 하한선을 정해 주지만, 원시 지구가 처음 뭉쳐진 순간의 원형 기록을 그대로 간직하고 있지는 않습니다.

반면 소행성 크기의 작은 천체에서 떨어져 나온 운석들은 모천체가 식은 뒤 지구 같은 대규모 지각 변동을 겪지 않아 태양계 초기 고체 물질이 만들어질 때의 화학적 상태를 보존하고 있습니다. 지구의 나이를 구한다는 것은 곧 지구와 운석이 공통의 원시 태양계 성운 물질에서 갈라져 나와 고체 천체로 형성된 시점을 찾는 작업입니다.

이 시간을 재는 눈금이 바로 우라늄(U)과 납(Pb)의 동위원소입니다. 모든 납 원자는 원자핵에 양성자 82개를 가지고 있지만, 중성자 수에 따라 질량수가 다른 동위원소들로 나뉩니다. 이 가운데 두 종류의 납은 우라늄 원자핵이 일정한 반감기에 따라 스스로 붕괴한 최종 결과물(딸원소)이고, 한 종류의 납은 방사성 붕괴와 무관하게 처음부터 존재하던 기준 물질입니다.

표에서 보듯 시료 안에는 서로 다른 속도로 가는 두 개의 우라늄 시계가 동시에 돌아가고 있습니다. 시간이 흐를수록 암석 속 우라늄-238과 우라늄-235는 줄어들고 그 자리에는 납-206과 납-207이 쌓입니다. 반면 우라늄이나 토륨의 붕괴로 만들어지지 않는 납-204의 개수는 천체가 만들어진 뒤로도 변하지 않습니다. 따라서 납-204 대비 납-206의 비율(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)과 납-204 대비 납-207의 비율(²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb)을 측정하면 시간이 얼마나 흘렀는지 추적할 수 있습니다.

캐니언 디아블로의 초기 납과 납-납 등시선의 완성

시계를 읽으려면 결정적인 난관 하나를 넘어야 했습니다. 오늘날 암석이나 운석에서 검출되는 납-206과 납-207이 전부 천체가 만들어진 뒤 우라늄이 붕괴해서 생긴 것은 아니기 때문입니다. 태양계 물질이 처음 뭉칠 때도 이미 우주에는 일정량의 납-206과 납-207이 섞여 있었습니다. 시료 속 전체 납에서 이 ‘초기 납(primordial lead)’을 정확히 빼주지 않으면, 원래 있던 납까지 시간의 결과로 착각해 나이를 실제보다 훨씬 많게 계산하게 됩니다.

처음부터 들어 있던 납의 비율을 알아내려면, 태양계 탄생 직후 형성되었으면서도 우라늄은 거의 들어 있지 않아 45억 년 동안 납 동위원소 비율이 처음 상태 그대로 멈춰 있는 시료를 찾아야 했습니다. 패터슨이 주목한 표본은 미국 애리조나주 베린저 운석구 주변에서 수거된 캐니언 디아블로(Canyon Diablo) 철운석 내부의 황화철 광물인 트로일라이트(troilite, FeS)였습니다.

화학적으로 납은 황화물 광물에 잘 섞여 들어가는 성질이 있는 반면, 우라늄은 황화철 격자에서 밀려납니다. 패터슨이 캐니언 디아블로 트로일라이트를 정밀 분석한 결과, 그 안의 우라늄 함량은 납에 비해 무시할 수 있을 만큼 극미량이었습니다. 우라늄이 없으니 수십억 년이 흘러도 방사성 붕괴로 추가된 납이 거의 없었고, 결과적으로 이 광물 속의 납 비율(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb ≈ 9.4, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb ≈ 10.3)은 태양계가 형성될 당시의 ‘초기 납 기준점’을 보여주었습니다.

출발점이 확보되자 패터슨은 1956년 논문(「Age of meteorites and the earth」)에서 철운석 2종과 석질운석 3종(누에보 라레도, 포레스트 시티, 모도크 등)의 납 동위원소 비율을 함께 분석해 가로축을 ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, 세로축을 ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb로 둔 그래프에 찍었습니다.

1. 출발점과 분포: 우라늄이 거의 없던 철운석(캐니언 디아블로 등)은 그래프의 가장 왼쪽 아래(초기 납 위치)에 자리 잡았고, 초기 우라늄 함량이 높았던 석질운석일수록 우라늄이 많이 붕괴해 오른쪽 위로 멀리 이동해 있었습니다.
2. 납-납 등시선(Isochron)의 형성: 서로 다른 운석 5개의 데이터가 한 치의 어긋남 없이 하나의 곧은 직선(등시선) 위에 나란히 정렬되었습니다. 이는 시료들이 같은 시기에 동일한 초기 납 조성을 가지고 출발해, 이후 외부와 물질 교환 없이 닫힌계(closed system)로 같은 시간을 보냈음을 뜻합니다.
3. 기울기와 지구 납의 일치: 우라늄-235와 우라늄-238의 반감기가 서로 다르기 때문에, 이 직선의 기울기는 오직 경과한 시간에 의해서만 결정됩니다. 기울기로부터 계산된 나이는 45.5억 ± 0.7억 년이었습니다. 결정적으로 지구의 심해 퇴적물(태평양 적점토 등 지구 지각의 평균적인 납을 대표하는 시료)의 납 동위원소 비율을 같은 그래프에 찍자, 그 점 역시 운석들이 만든 45.5억 년의 등시선 위에 정확히 포개졌습니다.

여러 운석의 납 동위원소를 함께 비교하면 초기 납의 성분과 이후 방사성 붕괴의 영향을 분리할 수 있습니다. 해석에는 시료들의 기원과 동위원소 계가 얼마나 닫혀 있었는지 등의 조건이 필요합니다. 지구와 운석이 같은 초기 태양계 물질에서 형성됐다는 틀 안에서 지구의 형성 시기를 추정한 것입니다.

시료보다 많았던 실험실의 납 오염과 최초의 초청정 실험실

이 1956년의 그래프가 완성되기까지 패터슨이 수년간 싸워야 했던 가장 큰 적은 이론이 아니라 실험실 내부의 납 오염이었습니다. 운석 광물 속에 들어 있는 납은 백만분의 일(ppm) 단위의 극미량이어서, 시료를 산으로 녹이고 분리하는 동안 공기 중의 먼지나 수돗물, 유리 비커, 시약에 섞인 외부 납이 단 몇 마이크로그램만 들어가도 운석 본래의 동위원소 비율이 완전히 왜곡되었습니다.

캘리포니아 공과대학(Caltech)의 연구 기록과 동료 조지 틸턴(George Tilton)의 회고에 따르면, 패터슨은 초기 실험에서 시료를 넣지 않고 빈 용기와 시약만으로 실험(공시험, blank test)을 해도 예상보다 수십~수백 배 많은 납이 검출되는 원인을 끝까지 추적했습니다. 당시 실험실 건물 배관의 납땜, 황산과 증류수에 녹아 있던 납, 연구자의 머리카락과 옷에서 떨어지는 먼지, 심지어 1920년대부터 자동차 유연휘발유에 첨가되어 대기 중으로 퍼진 인공 납 입자가 실험실을 뒤덮고 있었습니다.

패터슨은 공기와 시약, 기구에서 섞여 드는 납을 줄이기 위해 정제와 청정 실험 환경을 발전시켰습니다. 이를 모든 분야를 통틀어 세계 최초의 클린룸이었다고 단정하기보다, 극미량 납 분석을 가능하게 한 선구적인 오염 관리라고 설명하는 편이 정확합니다.

45.4억 년의 형성 연대와 5만 년 전 충돌 연대의 구분

초청정 전처리를 거친 납 시료는 진공 상태의 열이온화 질량분석기(TIMS)로 들어가 이온화된 뒤 자기장을 통과합니다. 같은 전하를 띤 이온이라도 질량수 204, 206, 207의 미세한 무게 차이 때문에 자기장 속에서 휘어지는 궤적 반경이 달라지고, 검출기가 각 궤적에 도달한 이온의 개수를 세어 소수점 아래까지 동위원소 비율을 산출합니다.

이 정밀 측정을 해석할 때는 한 가지 시간적 구분을 명확히 해야 합니다. USGS에 따르면 캐니언 디아블로 철운석이 지구 대기권을 뚫고 들어와 애리조나 사막에 거대한 충돌구를 만든 사건은 지금으로부터 약 5만 년 전의 일입니다. 반면 그 운석 속 납 동위원소가 가리키는 나이는 약 45.4억 년입니다. 이 두 숫자가 충돌하지 않는 이유는, 납 동위원소 시계가 운석이 지구 땅바닥에 떨어진 날이 아니라 우주 공간에서 운석의 모천체가 처음 녹았다가 굳으며 우라늄과 납이 분리된 사건의 시간을 기록하고 있기 때문입니다.

패터슨이 1956년에 발표한 45.5억 ± 0.7억 년과 오늘날 표준으로 쓰이는 45.4억 ± 0.5억 년 역시 오차 범위 안에서 일치하는 수치입니다. 다만 이 45.4억 년이라는 숫자를 달력의 생일처럼 지구가 하루아침에 현재 크기로 완성된 날짜로 읽지는 않습니다. 원시 태양계 성운에서 최초의 고체 알갱이(칼슘-알루미늄 풍부 포유물, 약 45.67억 년 전)가 응결된 뒤, 수많은 미행성체들이 수천만 년에 걸쳐 충돌하고 뭉치며 원시 지구와 핵·맨틀을 형성해 간 과정 전체를 아우르는 시간입니다.

결국 인류가 알아낸 지구의 나이 45억 4천만 년은 땅속 어딘가에 적혀 있던 단일 암석의 연대가 아니었습니다. 반감기가 다른 두 우라늄의 붕괴 법칙, 우라늄 없이 초기 납을 지켜낸 철운석 속 황화철 한 조각, 실험실의 먼지 한 톨까지 통제한 초청정 분석, 그리고 운석과 지구 퇴적물이 한 줄로 꿰어진 등시선이 맞물려 복원해 낸 태양계 탄생의 물리적 기록입니다.

자료 근거

• Patterson, C. (1956), 「Age of meteorites and the earth」, Geochimica et Cosmochimica Acta 10, 230–237 — 철운석 2종(캐니언 디아블로, 헤이버리)과 석질운석 3종의 납 동위원소 비율(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb) 측정, 납-납 등시선과 태평양 해양 퇴적물 납의 일치, 45.5억 ± 0.7억 년 산출.
• Patterson, C.; Tilton, G.; Inghram, M. (1955), 「Age of the Earth」, Science 121, 69–75 — 우라늄 함량이 극히 낮은 철운석 트로일라이트의 초기 납 조성과 지각 물질의 방사성 기원 납 비교 원리.
• U.S. Geological Survey (USGS), 「Geologic Time: Age of the Earth」 및 「Using Radioactive Decay to Determine Geologic Age」 — 지구 나이 표준 추정치(45.4억 년 ± 1%), 서호주 최고령 광물·달 암석과의 교차 검증, ²³⁸U·²³⁵U의 반감기 및 붕괴 사슬.
• Hurwitz, S. / U.S. Geological Survey, Yellowstone Volcano Observatory (2022), 「When in Earth’s history did Yellowstone’s volcanism begin?」 — 45.4억 ± 0.5억 년의 의미(태양계 고체 형성 및 행성 강착 과정)와 캐니언 디아블로 운석의 약 5만 년 전 지구 충돌 시점 구분.
• Smith, D. / California Institute of Technology (2015), 「Getting the Lead Out」 및 Tilton, G. R. / National Academy of Sciences (1998), 「Clair Cameron Patterson」, 『Biographical Memoirs』 74 — 실험실 납 오염원(배관, 시약, 대기 중 유연휘발유 입자) 추적, 산 재증류 및 최초의 초청정 실험실(Clean Room) 구축 과정.
• U.S. Geological Survey (1998), 「Radiogenic Isotopes and the Eastern Mineral Resources Program of the USGS」 — 청정 화학 분리 공정과 질량분석기(TIMS)를 이용한 질량수별 납 동위원소 계측 원리.