O formato usual tar armazena os timestamps como um número de segundos, conforme você determinou. Para armazenar timestamps com mais resolução, você precisa usar outro formato, como POSIX tar como produzido pelo GNU tar , que armazena timestamps em nanossegundos (geralmente).
Para criar esses arquivos, use a opção -H posix com o GNU tar :
tar cfH archive.tar posix ...