뼈의 방사성탄소 연대측정

뼈 시료는 연대측정을 하는 가장 흔한 물질 중에 하나인데 이는 인간이나 동물의 뼈가 고고학적 주제이기 때문입니다.

뼈 시료의 고고학적 연구와 방사성탄소 연대측정으로 인해 선사 시대에 대해 더 많은 것을 알게 되었으며, 연대 측정 결과로 인해 고대 문명에 대한 더 많은 정보가 가능해 졌습니다.

뼈의 구성 물질

뼈는 유기질 30%와 무기질 70%로 이루어져 있습니다. 유기질은 단백질로 이루어져 있으며, 무기질은 인산 칼슘 (calcium phosphate), 탄산 칼슘 (calcium carbonate), 불화 칼슘(calcium fluoride), 수산화 칼슘(calcium hydroxide), 구연산염(citrate)이 섞인 미네랄 수산화 인회석 (mineral hydroxyapatite)입니다. 대부분이 콜라겐인 단백질은 뼈의 강도와 유연성을 주는 반면, 수산화 인회석은 경직성과 뼈가 고체 형태를 이루게 합니다.

이론상으로 유기질과 무기질 모두 연대 측정을 할 수 있습니다만, 수산화 인회석의 격자 구조로 인해 지하수에서 오는 탄산염으로 쉽게 오염이 되며, 산에 수산화 인회석이 녹기 때문에 묽은 산 세척으로 이런 탄산염을 제거할 수 없습니다.

따라서 연대 측정을 하기 위해서는 뼈의 단백질 성분을 사용합니다. 이는 상대적으로 산에 녹지 않고, 따라서 수산화 인회석과 다른 탄산염을 쉽게 제거할 수 있기 때문입니다.

만약에 단백질의 보존 상태가 좋지 않고, 고온 상태로 균류나 박테리아로 인해 이미 분해된 상태라면, 각각의 아미노 산을 연대 측정하여 이들 모두가 같은 연대를 보여주는지 확인합니다. AMS 연대 측정은 아주 적은 시료로도 가능하므로, 이런 과정은 별 문제가 안되지만, 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 따라서 극미량 수준의 오염원으로 인해 커다란 오차를 내는 오래된 뼈의 경우가 아니라면 이런 개별 아미노 산의 연대측정은 권장하지 않습니다.

뼈 시료의 시간 너비 (Time-width)

어떤 시료의 시간 너비는 생명체의 원래의 전체 성장 과정과 이 생명체가 대기와 상호작용하는 시간 범위를 반영합니다. 뼈를 가지고 있는 대부분의 생명체가 죽었다는 것은 대기와 상호작용을 동시에 멈추웠다는 것을 말합니다. 따라서 죽은 시점의 이 생명체의 방사성탄소 연대는 0입니다.

뼈 시료의 방사성탄소 연대측정 결과는 나이 상쇄 (age offset)에 영향을 받지 않지만 시간 너비는 있습니다. 문헌에 따르면 뼈는 죽을 때까지 대기의 탄소와 지속적인 동화를 멈추지 않습니다. 사람의 뼈에는 대략 30년, 동물의 뼈에는 그보다 짧은 전이 시간이 있습니다.

시간 너비 데이터는 방사성탄소 연대측정 결과의 보정에 영향을 미치며, 결과적으로 방사성탄소 연대를 일반 년도로 환산하는 방법에 영향을 미치기 때문에 꼭 필요합니다.

뼈의 탄소 14 함유량에 영향을 미치는 모든 물질은 오염원입니다. 여러 종류의 유기물에 둘러싸인 채로 발견된 뼈의 경우라면 상당히 오염이 많이 되었을 것입니다.

가장 흔한 오염원은 부식 산 (Humic Acid)와 풀빅 산 (Fulvic Acids)이며, 이들은 토양에 있는 유기산으로 식물과 동물의 조직들이 미생물학적으로 분해해서 생깁니다. 문헌에 따르면 폴리 페놀 (Polyphenols), 다당류 (Polysaccharides), 리그닌(Lignins), 분해된 콜라겐 등이 뼈를 오염시킬 수 있는 또 다른 종류의 유기물들입니다. 발굴 지역에 따라 석회석에 오염될 수도 있으며, 이런 오염원들은 자연 발생적으로 뼈와 접촉하기 때문에 자연적 오염원이라 부릅니다.

반면 인공적 오염원은 뼈를 수집, 보관, 포장할 때 사람에 의해 발생합니다. 뼈 시료에 이름표를 붙일 때 동물성 접착제를 쓰게 되는 순간 시료는 이미 오염됩니다. 그 이유는 동물성 접착제와 뼈 시료가 화학적으로 반응하며, 이 시료에 의한 결과는 정확하지 않습니다.

발굴 후 오염 가능성이 있는 또 다른 잠재적 오염원은 살충제, 초산 비닐 수지 (polyvinyl acetate), 폴리에틸렌 글리콜 (polyethylene glycol) (보존 화학물질), 담배 재 그리고 종이로 만든 라벨이나 포장지입니다.

AMS 연대측정하는 뼈 시료의 오염원의 영향력은 다음 요인에 따릅니다.: 오염원의 종류, 오염 정도, 뼈와 오염원의 상대적 나이.

만약 방사성 탄소 연대측정 전 석회질을 없애지 않으면, 방사성탄소 나이는 실제 시료의 나이보다 훨씬 더 많이 나오게 됩니다. 석회질은 지질학적으로 초창기 때의 것이라 어떤 고고학적 샘플보다 오랜된 것입니다.

방사성탄소 연대측정 중 부식 산과 풀빅 산이 있으면, 부정확한 결과가 나옵니다. 이런 유기산을 만들어낸 유기물질의 나이에 따라 방사성탄소 나이를 뼈 시료의 실제 나이보다 더 어리거나 더 많게 결과나 나옵니다.

뼈에 외부 식물의 뿌리가 파고 들어오면 상대적으로 새 탄소에 노출된 것이며, 이렇게 새로 끼여 든 탄소로 인해 뼈의 AMS 탄소 연대측정 결과는 실제 나이보다 훨씬 어리게 나옵니다.

일반적으로, 이렇게 실제 나이를 알 수 없을 정도로 오래된 오염원들은 뼈 시료의 실제 나이보다 더 많게 나오게 하며, 반면 최근에 끼어든 탄소는 적게 만듭니다.

이러한 부정확성을 방지하기 위해, 저희 연구소는 모든 뼈 시료의 전처리 과정을 철저히 하여 AMS 방사성탄소 연대측정에 영향을 끼치지 않게 최선을 다합니다.

물리적 전처리 과정이란 화학물질을 전혀 사용하지 않은 방사성탄소 연대측정을 하기 위해 해하는 모든 과정을 말합니다. 저희 연구소에서 행하는 대표적인 물리적 전처리 과정은 식물 뿌리 제거와 시료를 부셔서 시료의 크기를 작게하는 것입니다.

우선 육안 검사를 통해 확실한 오염원을 찾습니다.

핀셋이나 겸자 집게를 사용해 뿌리 제거를 하며, 수술용 메스나 치과용 그릴을 사용하여 오염된 뼈 시료의 표면을 긁어냅니다.

또한 뼈의 강도를 확인합니다. 부드러우면 AMS 방사성탄소 연대측정을 하는데 필요한 콜라겐이 없을 가능성이 있다는 것을 보여줍니다.

초기 육안 검사로 오염원 제거 후, 절구통에다 갈아서 가루로 만듭니다. 이렇게 작게 가루로 만들면 전처리 과정 중 시료의 노출 면적은 커집니다.

각 AMS 연구소마다 화학적 전처리 절차가 약간씩 서로 다르지만 뼈 시료의 처리에는 거의 같은 화학 물질을 사용합니다.

가루가 된 뼈 시료는 수산화 인회석 제거와 콜라겐 분리될 때까지 희석된 찬 염산 (Hydrochloric Acid HCI)으로 반복해서 세척합니다. 뿌리가 있다면 뿌리를 콜라겐에서 제거합니다.

모든 유기산을 확실히 없애려면, 콜라겐을 가성 소다 (Sodium hydroxide NaOH)와 같은 알칼리 용액으로 세척합니다. 하지만 콜라겐 시료의 보관 상태가 안 좋고, 세척으로 인해 연대측정을 할 수 있는 유기질들이 없어질 가능성이 있을 때는 알칼리 세척을 안 합니다.