Polonium Radiohalos: The Model for Their Formation Tested and Verified (#386)

by Andrew A. Snelling, Ph.D.

실험되고 입증된 폴로늄 후광 형성 모델

One focus of the RATE (Radioisotopes and the Age of The Earth) project was radiohalos research.1 It was concluded that the uranium (238U) and polonium (Po) radiohalos frequently found in granitic rocks had to have formed simultaneously.2 This implies that hundreds of millions of years of radioactive decay (at today's rates) had to have occurred in a matter of a few days! There needs to have been that much decay of 238U to produce both the visible physical damage (the radiohalos) and the required Po, but that much Po would then have decayed within a few days (because of its short half-lives, that is, very rapid decay rates). So radioisotope "ages" for such granitic rocks of hundreds of millions of years, calculated on the assumption that radioactive decay has always occurred at today's rates, are grossly in error, and these rocks would thus have formed during the Flood year only 4500 years ago. A hydrothermal fluid (hot water) transport model was thus proposed which explained how the Po was separated from its parent 238U and then concentrated in radiocenters close by to form the Po radiohalos.3-5

RATE(방사성 동위원소와 지구의 나이) 프로젝트의 한 가지 초점은 방사성후광 연구였다.¹ 그 연구를 통해 화강암질 암석 내에서 종종 발견되는 우라늄(238U)과 폴로늄(Po) 방사성후광은 동시에 형성되었어야만 했다는 결론을 얻었다.² 이것은 (오늘날의 속도로) 수억 년의 방사성 붕괴가 단지 수일 만에 일어났었다는 것을 암시한다! 눈에 보이는 물리적 손상(방사성후광)과 필요한 Po 둘 다를 만들기 위해서는 238U이 많이 붕괴되었어야 하나, 그렇게 되면 그만큼 많은 Po은 (짧은 반감기, 즉 매우 빠른 붕괴속도 때문에) 수일 내에 붕괴되었을 것이다. 그래서, 방사성 붕괴가 항상 오늘날과 같은 속도로 일어났을 것이라는 가정 위에서 계산된, 화강암질 암석에 대한 방사성 동위원소의 수천만 년이라는 ‘연대’는 완전히 잘못된 것이다. 따라서 이러한 암석은 단지 4500년 전의 대홍수 기간 동안 형성되었을 것이다. 그래서, 폴로늄이 Po 방사성후광을 형성하기 위해서 모원소인 238U으로부터 분리되고 나서 가까이에 있는 방사성중심에 어떻게 농축되었는지를 설명하는 열수용액(hydrothermal fluid, 뜨거운 물) 이동모델이 제안되었다.^3-5

Another outcome of this research was the discovery of plentiful Po radio-halos in metamorphic rocks.6 Such a finding was predicted, because hydrothermal fluids are generated in water-saturated sedimentary rocks as they become deeply buried, helping to transform them into regional metamorphic complexes.7-9 Thus it was argued that the same hydrothermal fluid transport model could likewise explain the formation of Po radiohalos in those regional metamorphic rocks where an adequate supply of U-decay products occurred.10

이 연구의 또 다른 성과는 변성암 내에 Po 방사성후광이 많다는 것을 발견한 것이었다.⁶ 그러한 발견은 예상되었는데, 왜냐하면 열수용액은 물로 포화된 퇴적암 내에서 발생되는데, 이러한 퇴적암이 깊이 묻힐수록 광역변성암복합체(regional metamorphic complexes)로 변형되도록 돕기 때문이다.^7-9 따라서 이 열수용액 이동모델을 사용하면, 역시 충분한 U 붕괴산물이 만들어지는 그러한 광역변성암 내에서 Po 방사성후광이 형성되는 것을 설명할 수 있는가가 논의되었다.¹⁰

In continued research, a test of this Po radiohalos formation model in metamorphic rocks was proposed. Sandstones often contain some zircon grains, derived from erosion of, for example, granitic rocks and deposited in water-transported sandy sediments. Chemical weathering of such source rocks plus abrasion of grains during water transport destroys all biotite grains, so none are ever present in sandstones. However, when sandstones are metamorphosed, the resultant schists and gneisses usually contain biotite grains, which could thus have only formed via mineral reactions during the metamorphism. Such mineral reactions have been studied in laboratory experiments and in them water is often a by-product.11 At the temperatures of these metamorphic processes such water would become hydrothermal fluids capable of transporting any U-decay products from nearby zircon grains and depositing Po in biotite flakes to form Po radiohalos.

계속된 연구에서, 변성암 내에서 이 Po 방사성후광 형성 모델에 대한 실험이 제안되었다. 사암은 종종 화강암질 암석같은 것이 침식되거나, 물이 운반해온 사질퇴적물(sandy sediments)이 퇴적하여 생긴 약간의 저어콘(zircon--다양한 색의 정방정계의 광물, 지르코늄 오르소 규산염(ZrSiO4)) 입자를 함유한다. 그러한 근원암(source rocks)의 화학적 풍화작용과 동시에 물에 의한 운반으로 입자가 마모(abrasion)되면 모든 흑운모(biotite) 입자는 없어져서 사암 내에는 하나도 남지 않게 된다. 그러나, 사암이 변성되면, 그 결과로 형성된 편암(schists)과 편마암(gneisses)은 대개 흑운모 입자를 함유하는데, 그것들은 단지 변성작용이 일어나는 동안 광물반응을 통해서만 형성되었을 것이다. 그러한 광물반응은 실험실에서의 실험으로 연구되었고, 광물반응 내에서 물은 종종 하나의 부산물이다.¹¹ 이러한 변성작용이 일어나는 온도에서 그러한 물은 가까이에 있는 저어콘 입자로부터 어떤 U-붕괴 산물을 운반하고 흑운모 박편 내에 Po을 퇴적시키면서 Po 방사성후광을 형성할 수 있는 열수로 되었을 것이다.

The thick Thunderhead Sandstone (Upper Precambrian Great Smoky Group) in the Great Smoky Mountains along the Tennessee/North Carolina border was deformed and regionally metamorphosed during formation of the Appalachian Highlands, beginning in the so-called Devonian (that is, early in the Flood year).12-14 With increasing temperatures and pressures from northwest to southeast, the regional metamorphism produced in these sandstone layers a series of chemically and mineralogically distinct zones of schists and gneisses.15 These zones are named according to the first appearance of the distinctive metamorphic minerals which characterize them as the intensity of the metamorphism increased laterally—the biotite, garnet, staurolite, and kyanite zones. The boundaries between these zones, called isograds, are where mineral reactions have produced the new minerals because of the progressively higher temperatures and pressures.

테네시와 북캐롤라이나주의 경계를 따라 있는 그레이트스모키산맥(Great Smoky Mountains) 내의 (선캄브리아기의 그레이트스모키층군 상부) 두꺼운 썬더헤드(Thunderhead) 사암은  소위 데본기 초기 즉, 대홍수 초기에 아팔래치아 고산지대(Appalachian Highlands)가 형성되는 동안 변형되면서 광역적으로 변성되었다.^12-14 북서부에서 남동부까지 온도와 압력이 증가함에 따라 광역변성작용으로 이러한 사암층 내에서 일련의 화학적으로 그리고 광물학적으로 뚜렷한 편암과 편마암 대(zone)가 형성되었다.¹⁵ 이러한 대는 특징적인 변성광물이 나타나는 것에 따라 이름이 붙여지는데, 변성작용의 강도가 증가함에 따라 흑운모대, 석류석(garnet)대, 십자석(staurolite)대, 남정석(kyanite)대로 불린다. 등변성도선(isograds--변성대를 나눌 때 지시광물이 출현하고 소멸되는 지점들을 지질도상에서 연결한 선)으로 불리는 이러한 대 사이의 경계는 점진적으로 높은 온도와 압력 때문에 새로운 광물이 형성된 곳이다.

When originally deposited, the Thunderhead Sandstone contained occasional zircon grains, but no biotite flakes. This metamorphosed sandstone, however, now contains both biotite flakes and zircon grains throughout all these metamorphic zones. Because they still contain minor amounts of U, the zircons would thus have been a source of 238U decay products including Po. Therefore, if hydrothermal fluids had been generated by the metamorphism, according to the hydrothermal fluid transport model for Po radiohalo formation, those hydrothermal fluids should have transported the Po diffusing out of the zircons into the biotite flakes, where it should have formed Po radiohalos.

처음에 퇴적되었을 때, 썬더헤드 사암은 저어콘 입자를 부분적으로 함유하고 있었으나 흑운모 박편은 하나도 없었다. 하지만 변성된 이 사암은 현재 이 모든 변성대 전체에 걸쳐 흑운모 박편과 저어콘 입자 모두를 함유하고 있다. 그것들은 여전히 소량의 U을 함유하고 있기 때문에, 저어콘은 Po을 포함해서 238U 붕괴산물의 근원이었을 것이다. 따라서, 만약 열수용액이 Po 방사성후광 형성에 대한 열수용액 이동모델에 따라서 변성작용에 의해 만들어졌다면, 그 열수용액이 저어콘으로부터 흑운모 박편으로 확산되면서 Po을 이동했었을 것이고, 그것이 Po 방사성후광을 형성했었을 것이다.

In the metamorphosed Thunderhead Sandstone it was found that at the staurolite isograd, the boundary between the garnet and staurolite zones, the mineral chlorite disappears from the rocks and muscovite decreases sharply, whereas staurolite appears and biotite becomes more abundant. This can be explained by the mineral reaction:

변성된 썬더헤드 사암에서, 석류석과 십자석 대 사이의 경계인 십자석 등변성도선에서 녹니석(chlorite)이 암석에서 사라지고 백운모(muscovite)가 갑자기 감소하는 반면, 십자석이 나타나고 흑운모가 더 풍부해지는 것이 밝혀졌다. 이것은 다음과 같은 광물반응으로 설명할 수 있다.

54 muscovite + 31 chlorite —> 54 biotite + 24 staurolite +152 quartz + 224 water which has been confirmed experimentally.16-17 The generation of this water by this reaction at the prevailing high temperatures determined experimentally would thus have resulted in relatively large volumes of hydrothermal fluids in the rocks surrounding this isograd. These would have been ideal conditions for the generation of Po radiohalos in these metamorphosed sandstones, if Po radiohalo formation does indeed occur as described by the hydrothermal fluid transport model.

54 백운모 + 31 녹니석 -> 54 흑운모 + 24 십자석 + 152 석영 + 224 물 (실험으로 확인됨)^16-17. 따라서 실험적으로 결정된 지배적인 고온에서 이러한 반응에 의한 물의 발생은 등변성도선 주위에 있는 암석 내에서 상대적으로 많은 양의 열수용액을 만들어냈을 것이다. 만약 Po 방사성후광 형성이 정말로 열수용액 이동모델에 의해 묘사된 대로 일어났다면, 이러한 것들은 변성된 사암 내의 Po 방사성후광의 발생에 대해 이상적인 조건이었을 것이다.

Therefore, as a test of the hydrothermal fluid transport model for Po radiohalo formation, nine samples of the metamorphosed Thunderhead Sandstone were collected from road-cut outcrops along U.S. Highway 441 between Cherokee, North Carolina, and Gatlinburg, Tennessee, forming a traverse through the biotite, garnet, staurolite, and kyanite zones of the regional metamorphism as already described.18 The biotite flakes were separated from these samples and scanned under a microscope for radiohalos, using standardized techniques.19-20 The total number of Po radiohalos found in each sample was then plotted against each sample's relative position along the traverse through the metamorphic zones (figure 1).

따라서 Po 방사성후광 형성에 대한 열수용액 이동모델에 대한 실험으로서, 9개의 변성된 썬더헤드 사암 샘플을 이미 묘사했듯이 광역변성작용에 따라 횡으로 흑운모대, 석류석대, 십자석대, 남정석대를 형성하고 있는 북캐롤라이나주의 체로키(Cherokee)와 테네시주의 개틀린버그(Gatlinburg) 사이에 있는 441번 고속도로의 도로절단 노두로부터 채집하였다.¹⁸ 흑운모박편을 이러한 샘플로부터 분리해서 표준화된 기술을 사용해 방사성후광 관찰용 현미경 아래에서 정밀검사를 했다.^19-20 각 샘플 내에서 발견된 Po 방사성후광의 전체 개수는 변성대를 횡으로 가로질러 각 샘플의 상대적인 위치에 따라 점을 이어 구분되었다. (그림 1)

Figure 1. Po radiohalos for the samples along the traverse through the regional metamorphic zones across the Great Smoky Mountains, Tennessee.

그림 1. 테네시주, 그레이트스모키산맥을 가로지르는 광역변성대로부터 횡으로 채집된 샘플에 대한 Po 방사성후광

The results of this test were astounding. As can be readily seen in figure 1, whereas seven of the samples averaged around 30 Po radiohalos each, the two samples straddling the staurolite isograd contained 177 and 147 Po radiohalos respectively. This is exactly as predicted. Uranium-bearing zircon grains and biotite flakes are present in the metamorphosed sandstones in all samples along the traverse, so during the metamorphism the minor water originally in the sandstones when deposited has generated some Po radiohalos. However, where the mineral reaction around the staurolite isograd has produced a lot of hot water, large numbers of Po radiohalos have formed.

이 실험의 결과는 너무나 놀라운 것이었다. 그림 1에서 이미 보여주고 있듯이, 9개의 샘플 중에서 7개가 평균적으로 각각 약 30개의 Po 방사성후광이 있는 반면, 십자석 등변성도선에 불규칙하게 퍼져있는 2개의 샘플은 각각 177개와 147개의 Po 방사성후광을 가지고 있었다. 이것은 바로 예상했던 대로이다. 우라늄을 함유하고 있는 저어콘 입자와 흑운모 박편은 모든 샘플 내에서 변성된 사암에 존재한다. 그래서 변성작용 동안, 퇴적될 때 사암 내에 원래 있었던 소량의 물이 Po 방사성후광을 발생시켰다. 하지만, 십자석 등변성도선 주변에서의 광물반응으로 많은 양의 뜨거운 물이 만들어진 곳에서는 많은 수의 Po 방사성후광이 형성되었다.

The hydrothermal fluid transport model for Po radiohalos formation has thus been tested and verified. Neither the Po nor the biotite flakes were primordial. The biotite flakes were formed in the sandstone only during the metamorphism early in the Flood year, and the Po was derived from 238U decay in the zircon grains. And where extra water was generated during the metamorphic processes, many more Po radiohalos were formed. This successful verification only serves to spur on continuing research, because the time scale implications for the formation of the Po radiohalos and these metamorphic rocks are only consistent with a global Flood on a young earth.

이와 같이 Po 방사성후광 형성에 대한 열수용액 이동모델은 실험을 거쳐 확증되었다. Po이나 흑운모 박편 어느 것도 처음부터 존재하지 않았다. 흑운모박편은 단지 대홍수 초기의 변성작용 동안에 사암 내에서 형성되었고, Po은 저어콘 입자 내에서 238U 붕괴로부터 유래되었다. 그리고, 변성작용동안 여분의 물이 발생된 곳에서는 더 많은 Po 방사성후광이 형성되었다. 이러한 성공적인 검증은 단지 지속적인 연구에 박차를 가하도록 할 뿐이다. 왜냐하면 Po 방사성후광과 이러한 변성암의 형성에 대한 시간규모와의 관련성이 단지 젊은 지구에 대한 전지구적 대홍수와 일치하기 때문이다.