탄소연대측정으로 공룡 화석 나이를 잴 수 없는 이유

공룡 화석의 나이를 어떻게 알 수 있느냐고 하면 가장 먼저 떠오르는 방법이 탄소연대측정입니다.

다큐멘터리나 뉴스에서 오래된 유물이나 뼈의 나이를 측정할 때 탄소연대측정이라는 말을 자주 듣기 때문입니다.

그래서 공룡 화석 역시 탄소연대측정으로 6,600만 년 전이나 1억 년 전이라는 나이를 알아낸다고 생각하기 쉽습니다.

하지만 실제로는 그렇지 않습니다.

탄소-14 연대측정은 공룡 화석처럼 수천만 년 된 물질의 나이를 측정하는 데 사용할 수 없습니다.

가장 큰 이유는 탄소-14의 반감기가 약 5,730년에 불과하기 때문입니다. 미국 지질조사국은 방사성탄소 연대측정이 현실적으로 약 5만 년 이내의 시료에 적합하다고 설명합니다.

그렇다면 과학자들은 공룡이 수천만 년 전에 살았다는 사실을 어떻게 알아낼까요?

탄소연대측정이란 무엇일까?

탄소연대측정은 정확히는 방사성탄소 연대측정(radiocarbon dating)이라고 합니다.

이 방법에서는 탄소의 동위원소 가운데 탄소-14를 이용합니다.

탄소에는 탄소-12, 탄소-13, 탄소-14와 같은 동위원소가 있습니다.

탄소-12와 탄소-13은 안정하지만 탄소-14는 불안정한 방사성 동위원소입니다.

시간이 지나면 탄소-14는 일정한 속도로 붕괴하면서 질소-14로 변합니다.

스미스소니언은 탄소-14의 반감기를 약 5,730년으로 설명합니다.

이 일정한 붕괴 속도를 이용하면 과거 생물이 언제 죽었는지를 추정할 수 있습니다.

탄소-14는 어떻게 생물 몸속에 들어올까?

탄소-14는 지구의 상층 대기에서 만들어집니다.

우주에서 날아오는 우주선이 대기 중 질소와 상호작용하면서 탄소-14가 만들어지고, 이후 이 탄소가 이산화탄소에 포함됩니다.

식물은 광합성을 하면서 대기 중 이산화탄소를 흡수합니다.

따라서 식물의 몸속에도 소량의 탄소-14가 포함됩니다.

초식동물이 식물을 먹으면 탄소가 동물 몸속으로 이동하고, 육식동물이 초식동물을 먹으면 다시 먹이사슬을 따라 전달됩니다.

그래서 살아 있는 동안에는 생물이 지속적으로 탄소를 주고받습니다.

생물이 죽으면 탄소-14 시계가 시작된다

생물이 살아 있는 동안에는 새로운 탄소가 계속 몸속으로 들어옵니다.

하지만 죽으면 더 이상 외부에서 탄소를 받아들이지 않습니다.

그 순간부터 몸속에 남아 있던 탄소-14가 일정한 속도로 감소하기 시작합니다.

연구자는 남아 있는 탄소-14의 양을 측정하고 원래 존재했을 것으로 추정되는 양과 비교합니다.

이를 통해 생물이 죽은 뒤 얼마나 시간이 지났는지 계산할 수 있습니다.

예를 들어 처음 존재했던 탄소-14가 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간이 약 5,730년입니다.

이를 반감기라고 합니다.

반감기 5,730년은 무슨 뜻일까?

처음 탄소-14 양을 100이라고 가정해 보겠습니다.

약 5,730년 후에는 50이 남습니다.

또다시 5,730년이 지나면 약 25가 남습니다.

그다음에는 약 12.5가 남습니다.

이런 식으로 시간이 흐를수록 탄소-14의 양은 계속 절반씩 감소합니다.

반감기가 여러 번 반복되면 측정할 수 있는 탄소-14 자체가 극도로 적어집니다.

그래서 방사성탄소 연대측정에는 시간적 한계가 있습니다.

탄소연대측정은 최대 몇 년까지 가능할까?

일반적으로 탄소-14 연대측정은 약 5만 년 이내의 유기물을 측정하는 데 사용됩니다.

미국 지질조사국은 탄소-14의 반감기가 짧기 때문에 약 5만 년보다 오래된 사건에는 적합하지 않다고 설명합니다.

스미스소니언 역시 실제 활용 범위를 약 50년에서 5만 년 정도로 설명하며, 5만 년보다 오래된 시료에서는 남아 있는 탄소-14가 너무 적어 정확한 측정이 어렵다고 설명합니다.

일부 고성능 장비에서는 이론적으로 더 오래된 연대를 측정하려는 시도가 가능하지만, 현실적인 신뢰 범위는 대체로 약 5만 년 수준입니다. 미국 지질조사국도 가속기질량분석법의 이론적 범위와 실제 신뢰 가능한 범위를 구분해 설명합니다.

그렇다면 공룡은 얼마나 오래됐을까?

공룡은 탄소-14 연대측정 범위와 비교할 수 없을 정도로 오래전에 살았습니다.

대표적인 티라노사우루스는 약 6,600만 년 전까지 살았습니다. 미국 자연사박물관은 티라노사우루스가 후기 백악기 말까지 살았다고 설명합니다.

초기 공룡은 그보다 훨씬 이전인 약 2억 3천만 년 전 무렵에 등장했습니다.

미국 자연사박물관에 따르면 아르헨티나 이스키구알라스토 지층에서 발견되는 초기 공룡 화석이 들어 있는 일부 지층은 약 2억 2,800만 년 전으로 측정됐습니다.

즉 공룡은 대략 수천만 년에서 2억 년 이상 된 생물입니다.

약 5만 년이 한계인 탄소-14 연대측정과는 시간 규모 자체가 완전히 다릅니다.

6,600만 년이 지나면 탄소-14는 얼마나 남을까?

이론적으로 계산하면 사실상 측정할 수 없는 수준입니다.

탄소-14는 약 5,730년마다 절반으로 감소합니다.

공룡이 멸종한 약 6,600만 년이라는 시간을 탄소-14 반감기로 나누면 수천 번이 넘는 반감기가 지나간 셈입니다.

이 정도 시간이 지나면 원래 생물에 들어 있던 탄소-14는 사실상 남아 있지 않습니다.

따라서 공룡 화석에서 탄소-14를 측정해 수천만 년이라는 값을 얻는 것은 정상적인 방사성탄소 연대측정의 범위를 완전히 벗어납니다.

그런데 공룡 화석에서 탄소가 검출되기도 하지 않을까?

공룡 화석에서 탄소 성분이나 유기분자가 검출되는 것과 탄소-14 연대측정을 할 수 있다는 것은 다른 문제입니다.

탄소라는 원소 자체에는 여러 동위원소가 존재합니다.

탄소-12와 탄소-13은 안정하기 때문에 매우 오랜 시간이 지나도 남을 수 있습니다.

문제는 연대측정에 필요한 방사성 탄소-14입니다.

수천만 년이 지나면 원래 생물에 있던 탄소-14는 측정할 수 없을 정도로 감소합니다.

따라서 화석에서 탄소 성분이 발견된다는 사실만으로 탄소-14 연대측정이 가능하다는 뜻은 아닙니다.

오래된 화석에서 탄소-14가 검출된다면?

아주 오래된 시료에서 소량의 탄소-14 신호가 검출되는 경우가 있을 수 있습니다.

하지만 이런 결과를 곧바로 시료의 실제 나이라고 해석하면 안 됩니다.

대표적인 문제가 오염입니다.

땅속의 지하수나 토양, 미생물, 보존 처리에 사용된 물질 등에서 비교적 최근의 탄소가 시료에 들어갈 수 있습니다.

실험실에서 시료를 처리하는 과정에서도 극소량의 현대 탄소가 섞일 수 있습니다.

아주 오래된 시료에서는 원래 탄소-14가 사실상 사라져 있기 때문에 극소량의 오염도 측정 결과에 큰 영향을 줄 수 있습니다.

이 때문에 탄소-14 측정값이 나온다고 해서 그것이 곧 공룡 화석 자체의 나이라는 뜻은 아닙니다.

그렇다면 공룡 화석의 나이는 어떻게 측정할까?

여기서 중요한 사실이 하나 있습니다.

과학자들은 많은 경우 공룡 뼈 자체를 직접 측정하는 것이 아닙니다.

대신 공룡 화석이 발견된 지층 주변에 존재하는 화산재나 화성암층을 측정합니다.

미국 자연사박물관은 공룡 화석이 포함된 퇴적암층 사이에 화산재층이 존재하는 경우 그 화산재 속 광물 결정에 들어 있는 방사성 원소를 측정해 연대를 알아낼 수 있다고 설명합니다.

예를 들어 공룡 화석이 있는 지층 아래의 화산재층이 7,000만 년 전이고 위쪽 화산재층이 6,800만 년 전이라면 해당 화석은 대략 그 사이에 형성된 것으로 추정할 수 있습니다.

공룡 화석에는 칼륨-아르곤법 같은 방법을 사용한다

수천만 년 또는 수억 년 된 지질 자료에서는 탄소-14보다 훨씬 긴 반감기를 가진 방사성 동위원소가 필요합니다.

대표적인 방법 중 하나가 칼륨-아르곤 연대측정입니다.

방사성 칼륨-40은 시간이 지나면서 아르곤-40으로 붕괴합니다.

칼륨-40의 반감기는 탄소-14보다 훨씬 길기 때문에 매우 오래된 화산암의 연대를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

스미스소니언은 칼륨-아르곤법이 화산 물질의 연대를 측정하는 데 활용되며, 화석이 들어 있는 주변 지층의 연대를 알아내는 데 중요한 방법이라고 설명합니다.

우라늄-납 연대측정도 사용된다

또 다른 중요한 방법이 우라늄-납 연대측정입니다.

특히 지르콘이라는 광물이 많이 활용됩니다.

지르콘은 형성될 때 우라늄을 포함할 수 있지만 납은 거의 받아들이지 않는 특성이 있어 방사성 연대측정에 매우 유용합니다.

우라늄 동위원소가 납 동위원소로 변하는 비율을 측정하면 암석이 형성된 시기를 계산할 수 있습니다.

이 방법은 수백만 년에서 수십억 년에 이르는 매우 오래된 지질학적 사건을 측정하는 데 사용됩니다.

따라서 공룡 시대처럼 수천만 년에서 수억 년 규모의 시간을 조사하는 데 적합합니다.

왜 공룡 뼈 자체는 직접 측정하기 어려울까?

공룡 화석은 우리가 생각하는 원래의 뼈와 상태가 다를 수 있습니다.

생물이 죽고 땅속에 묻힌 뒤 오랜 시간이 흐르면 뼈 내부에 지하수가 스며듭니다.

지하수 속 광물이 뼈의 빈 공간을 채우거나 원래 구성 성분을 대체할 수 있습니다.

즉 화석화 과정에서 새로운 광물이 들어옵니다.

이 때문에 화석 속 특정 방사성 원소를 측정했다고 해서 그 값이 반드시 공룡이 죽은 시점을 의미하는 것은 아닙니다.

그래서 연구자들은 연대 측정에 적합한 광물이 들어 있는 인접 화산재층이나 화성암을 이용하는 경우가 많습니다.

퇴적암 자체도 직접 측정하기 어려운 이유

공룡 화석은 대부분 퇴적암에서 발견됩니다.

퇴적암은 기존 암석이 부서져 만들어진 입자가 다시 쌓여 형성됩니다.

문제는 이 입자들이 원래 만들어진 시점과 퇴적암이 만들어진 시점이 다르다는 것입니다.

예를 들어 10억 년 전에 만들어진 광물 입자가 침식되어 7,000만 년 전 퇴적층에 포함될 수도 있습니다.

이 광물의 방사성 연대를 측정하면 10억 년이라는 값이 나올 수 있습니다.

하지만 그것은 퇴적암이 쌓인 시기가 아니라 광물이 처음 만들어진 시기입니다.

따라서 공룡 시대 지층의 연대를 정확하게 구하려면 지층 사이에 끼어 있는 화산재처럼 형성 시점을 명확하게 알 수 있는 물질이 중요합니다.

화산재가 중요한 이유

화산이 폭발하면 화산재가 넓은 지역에 짧은 시간 동안 쌓일 수 있습니다.

화산재에 포함된 광물은 분화 당시 만들어지거나 냉각됩니다.

따라서 해당 광물의 방사성 연대를 측정하면 화산재가 쌓인 시기를 비교적 정확하게 알 수 있습니다.

미국 자연사박물관은 공룡 화석이 들어 있는 지층 사이의 화산재 속 광물 결정의 방사성 붕괴를 이용하면 수백만 년 전의 연대를 측정할 수 있다고 설명합니다.

그래서 화산재층은 공룡 화석의 나이를 결정하는 일종의 시간표 역할을 합니다.

실제 초기 공룡의 나이도 이런 방식으로 알아냈다

아르헨티나의 이스키구알라스토 지층에서는 헤레라사우루스와 에오랍토르 같은 초기 공룡 화석이 발견됐습니다.

이 지역에는 고대 화산재층도 존재합니다.

미국 자연사박물관에 따르면 일부 화산재층을 방사성 동위원소로 측정한 결과 약 2억 2,800만 년이라는 연대가 얻어졌습니다.

이를 통해 해당 지층과 그 안에서 발견된 공룡이 후기 트라이아스기에 존재했다는 사실을 알 수 있습니다.

즉 공룡의 나이를 알아낼 때는 화석 그 자체뿐 아니라 주변 지질 환경 전체를 분석합니다.

상대연대와 절대연대를 함께 사용한다

공룡 화석 연구에서는 방사성 동위원소 측정만 사용하는 것도 아닙니다.

지층의 위치를 비교하는 상대연대측정도 함께 활용합니다.

일반적으로 지층이 뒤집히지 않았다면 아래쪽 지층이 위쪽 지층보다 먼저 만들어졌습니다.

따라서 아래에서 발견된 화석은 위에서 발견된 화석보다 상대적으로 오래됐다고 판단할 수 있습니다.

미국 자연사박물관은 공룡 화석의 나이를 알아내는 방법을 상대적인 지질학적 시간과 방사성 동위원소를 이용한 절대연대 측정으로 구분해 설명합니다.

두 방법을 함께 이용하면 훨씬 정확한 지질학적 시간표를 만들 수 있습니다.

모든 연대측정법에는 적합한 범위가 있다

연대측정에서 가장 중요한 것은 ‘어떤 방법이 가장 정확한가’가 아닙니다.

측정하려는 시료와 예상 연대에 맞는 방법을 고르는 것입니다.

예를 들어 비교적 최근의 나무나 뼈, 숯은 탄소-14를 이용할 수 있습니다.

수백만 년 된 화산암은 칼륨-아르곤 계열의 방법을 사용할 수 있습니다.

매우 오래된 지르콘 결정은 우라늄-납법으로 측정할 수 있습니다.

미국 자연사박물관도 연대측정 기술마다 사용할 수 있는 물질과 시간 범위가 다르다고 설명합니다.

즉 하나의 연대측정법으로 지구의 모든 역사를 측정하는 것은 아닙니다.

탄소연대측정과 방사성연대측정은 같은 말일까?

완전히 같은 말은 아닙니다.

방사성연대측정(radiometric dating)은 방사성 동위원소의 붕괴를 이용하는 여러 방법을 통틀어 부르는 큰 개념입니다.

탄소-14 연대측정은 그중 하나입니다.

즉 관계를 간단하게 나타내면

방사성연대측정
→ 탄소-14 연대측정
→ 칼륨-아르곤 연대측정
→ 우라늄-납 연대측정

처럼 이해할 수 있습니다.

그래서 “공룡은 방사성연대측정으로 나이를 알아낸다”는 표현은 맞지만 “공룡은 탄소연대측정으로 나이를 알아낸다”는 표현은 잘못된 것입니다.

탄소연대측정은 어디에 유용할까?

탄소-14 연대측정은 공룡 시대에는 사용할 수 없지만 비교적 최근의 과거를 연구할 때 매우 유용합니다.

• 고고학 유적에서 발견된 숯
• 나무
• 천
• 뼈
• 식물 유기물
• 비교적 최근의 퇴적물

등이 대표적인 대상입니다.

미국 지질조사국 역시 방사성탄소 연대측정이 약 5만 년 이내의 지질·고고학 자료 연구에 매우 중요한 도구라고 설명합니다.

따라서 인류의 비교적 최근 역사와 선사시대 연구에서는 매우 강력한 연대측정법입니다.

매머드는 탄소연대측정이 가능할까?

경우에 따라 가능합니다.

매머드는 공룡보다 훨씬 최근까지 살았습니다.

일부 매머드는 수만 년 전까지 존재했기 때문에 털이나 피부, 뼈 등 유기물이 적절하게 보존되어 있다면 탄소-14 연대측정 범위에 들어올 수 있습니다.

반면 티라노사우루스는 약 6,600만 년 전 생물이기 때문에 불가능합니다.

즉 생물이 멸종했다는 사실보다 얼마나 오래전에 살았는지가 중요합니다.

공룡 화석 나이는 하나의 방법으로 결정되지 않는다

과학자들이 공룡 화석의 나이를 발표할 때는 단 하나의 측정값만 보고 결론을 내리지 않는 경우가 많습니다.

• 지층의 위치
• 화산재층의 방사성 연대
• 주변에서 발견되는 다른 화석
• 여러 지역의 지층 비교
• 서로 다른 동위원소 연대측정 결과

등을 종합적으로 비교합니다.

미국 지질조사국 역시 가능하면 하나의 암석 표본을 둘 이상의 방법으로 분석해 결과를 확인한다고 설명합니다.

이런 교차 검증을 통해 지질시대의 연대가 점점 더 정확하게 보정됩니다.

정리

탄소연대측정은 공룡 화석의 나이를 측정하는 방법이 아닙니다.

탄소-14의 반감기는 약 5,730년이며 현실적인 방사성탄소 연대측정 범위는 대략 5만 년 정도입니다.

하지만 공룡은 약 2억 3천만 년 전부터 6,600만 년 전까지 살았습니다.

시간 차이가 너무 크기 때문에 공룡이 살아 있을 때 가지고 있던 탄소-14는 현재 정상적인 연대측정에 사용할 수 있을 정도로 남아 있지 않습니다.

그래서 고생물학자들은 공룡 화석이 포함된 지층 주변의 화산재와 화성암을 조사합니다.

칼륨-아르곤 계열이나 우라늄-납 같은 긴 시간 범위를 측정할 수 있는 방사성연대측정법을 사용하고, 지층의 위아래 관계와 다른 화석 자료까지 함께 비교합니다.

따라서 정확한 표현은

“공룡 화석의 나이는 탄소연대측정이 아니라 주변 암석의 방사성연대측정과 지층 분석을 통해 알아낸다”

라고 할 수 있습니다.

탄소연대측정이 틀린 방법이라서 공룡에 사용하지 않는 것이 아닙니다.

단지 탄소-14라는 시계가 측정할 수 있는 시간보다 공룡이 너무 오래전에 살았기 때문입니다.