야외조사에서 확인된 각 지층의 분포와 자세를 활용하여 각 지층의 두께를 도학적으로 계산하였다(표 3). 지층 분포지의 지형적 특징에 따라 식 (1)과 (2) (Rowland et al., 2007)를 구분하여 적용하였다. 이때, t는 계산된 도학적 지층 두께, h는 지층의 하부와 상부 주향선 사이의 수평 거리, ν는 지층의 하부와 상부 주향선 사이의 수직 거리, δ는 지층의 평균 경사이다.

그 결과, 영암리지괴를 기준으로 장기역암과 성동리층의 도학적 두께는 각각 최소 112.3 m, 844.9 m이며, 뇌성산현무암질암의 도학적 두께는 뇌성산지괴를 기준으로 최소 389.0 m이다. 즉, 장기분지는 뇌성산 정상부(212 m 고지)를 기준으로 최소 1,000 m 이상 깊은 심도를 가지고 있어, CO₂ 지중저장을 위한 필요 심도를 충족시키기에 유리한 조건을 갖추고 있다.

주요 단층과 지층의 자세 자료를 이용해 그림 7의 구조도를 작성하였다. 분지 내부에 발달하는 북동, 북서 방향 단층과 지층의 자세가 확연한 차이를 보이는 지점들을 연결한 선을 기준으로 영암리지괴와 뇌성산지괴를 구분하였다. 영암리지괴는 단층과 현무암체 주변 인접부 일부를 제외하면 지층들이 체계적으로 북서로 경사져 있다(그림 7, 8a). 이러한 체계적인 분포의 주요 원인 중 하나는 전형적인 반지구형 분지 형성으로(Wernicke and Burchfiel, 1982; Wise, 1992; Luccihitta and Suneson, 1993; Schlische, 1993), 영암리지괴 내 북서 방향의 지층경사는 북동내지 동북동 방향의 정단층에 의해 분지가 북서-남동 방향으로 확장되고 북서를 향해 지괴가 경동되었음을 간접적으로 지시한다. 한편 뇌성산지괴의 경우 서쪽으로 경사진 층리가 우세하나, 성동리층 층리의 주향이 전반적으로 인접한 분출산상의 현무암류와의 경계와 거의 평행하게 뇌성산 정상을 중심으로 회전되는 양상을 보인다(그림 7, 8b). 또한 현무암류와 성동리층의 경계 인접부와 현무암질 응회질 각력암 내의 불규칙한 층리 일부를 제외하면, 대부분의 층리는 뇌성산 고지를 향해 경사진 특징을 보인다.

Fig. 6. 
Outcrop photographs showing major features of the Noeseongsan Basaltic rocks. (a, b) Conformable extrusive contact between the basaltic rocks and the underlying dacitic tuffaceous sediments. (c) Basaltic dike intruding into the dacitic tuff.

CO₂ 지중저장의 관점에서 중요한 장기분지의 구조적 특징을 종합하면, 1) 영암리지괴는 비교적 체계적으로 북서향 경동된 반지구형 기하 특성을 보이며, 따라서 북서쪽으로 갈수록 보다 분지의 심도가 깊어질 것으로 해석된다. 2) 분지의 북서향 경동을 통해 분지 북서쪽의 북동 내지 동북동 경계단층이 남동으로 경사진 점완/서가형 정단층임을 추론할 수 있으며, 따라서 이 단층들 인접부는 중앙부에 비해 심도가 다시 얕아질 것으로 예상된다. 3) 분지의 북서향 경동 이후. 흔히 추가적인 함몰을 유발하는 것으로 알려진 현무암류가 뇌성산지괴에서 광범위하게 분출됨에 따라 영암리지괴보다 깊은 기반암 심도를 가질 가능성이 높다. 4) 뇌성산지괴 내의 성동리층 지층의 주향은 뇌성산 고지를 중심으로 회전되며 몇 개의 동심원 상의 주향 분포를 보이고 있어(그림 7), 이곳은 과거 현무암질 화산활동의 중심지로 해석되며 지하에는 이와 관련한 복잡한 구조가 형성되어 있을 것으로 판단된다. 5) 뇌성산 동부에는 최소 100 m 폭의 대규모 현무암질 관입체와 다수의 암맥들이 분포하고 있어 마그마 관입으로 인해 지하구조가 복잡할 것으로 판단된다. 이상을 종합하면, 뇌성산지괴 내의 학곡리 또는 학계리 남서부 지역은 기반암 심도가 깊어 유망 저장층과 덮개층 조합이 지하 약 800 m 이상의 깊이에 존재할 가능성이 높고, 현무암류가 분포하고 복잡한 구조를 보이는 인근 지역에 비해 체계적인 지층 기하를 보이므로 육상 1만 톤급 CO₂ 지중저장소로서 유리한 지질조건을 갖추고 있을 것으로 추정된다.

유망 구조구역의 지하 분지충전물 암상분포와 구조특성을 확인하기 위해, 지질학적 조건, 장비의 접근성, 주민 거주구역의 분포, 각종 인허가 문제 등의 현실적 조건을 종합적으로 고려하여 뇌성산지괴 내의 학곡리 남서부 학곡교 인근에 1개 지점의 시추위치(그림 2의 JG-1)를 선정하여 탐사를 실시하였으며, 그 결과 지표면으로부터 1204.0 m 깊이의 시추코어(drilling core)가 확보되었다(그림 9). 시추지점의 분지심도는 1003.5 m로, 기반암인 유문암질 내지데사이트질 화산암류를 기저역암이 부정합으로 피복하고 있다(그림 9b, 9c).

기저의 퇴적층은 기반암 기원의 역을 다량 포함한 역암과 기질 내에 데사이트질 물질을 포함한 역질사암 및 사암으로 주로 구성되어 지표의 장기역암과 매우 유사하다(표 2; 그림 10). 이 역암층은 약 873.8m 깊이에서 데사이트질 응회암에 의해 정합으로 피복됨으로써(그림 9d, 9e), 총 129.7 m의 겉보기 두께로 확인된다. 보다 상부인 깊이 873.8~120.1 m 구간에 걸쳐 데사이트질 응회암과 응회질 퇴적암의 호층으로 구성된 성동리층이 분포한다. 총 753.7 m의 구간 동안 최소 2.3 m에서 최대 108.4 m의 겉보기 두께를 보이는 총 9매의 데사이트질 응회암이 관찰되며(그림 9a), 이들의 암석기재학적 특징은 야외 관찰 결과와 동일하다. 데사이트질 응회질 퇴적암은 하부에 중·조립질의 사질 입자로 기질이 채워진 조립질 퇴적물의 비율이 우세하나, 상부로 갈수록 이암과 실트암 등의 세립질 퇴적물의 비율이 증가하는 경향을 보인다(표 2; 그림 10). 이후 120.1 m 깊이에서 뇌성산현무암질암이 성동리층을 정합적으로 피복하는 경계가 확인되며(그림 9a, 9f, 9g), 이 지층은 깊이 120.1~115.6 m의 구간 내에 협재된 일부 이암과 실트암을 제외하고는 모두 화산력 응회암으로 구성된다. 이 화산력 응회암은 대체로 치밀하고 괴상이나 일부 미약한 엽층이 관찰되기도 한다. 특징적으로 검은 세립질 기질 내에 각진 현무암편과 사장석 결정편을 다량 포함한다. 이상과 같이 이번 시추조사에서 얻어진 분지충전물의 수직적 분포와 각 단위층의 겉보기 두께는 야외조사를 통해 얻어진 결과와 거의 일치한다(그림 2, 9). 한편, 깊이 570.5~503.8 m 구간 내에는 겉보기 폭 3.3~42.15 m의 현무암질 암맥이 3매 관찰된다(그림 9a). 관입 경계면은 주변암의 층리와 부조화적이며 접촉부에는 급랭대와 열변성대가 암맥과 주변암에서 각각 관찰된다(그림 9h, 9I).

데사이트질 화산물질을 포함하는 장기역암과 성동리층을 약 300 m 구간으로 나누어 평균 지층 경사를 구해보면(그림 9j), 지층의 경사가 지하로 갈수록 점점 깊어지는 특징(평균 23° → 29°)이 관찰되고 있어 분지가 형성될 시 퇴적동시성 지괴경동이 발생하였다는 해석을 뒷받침한다. 한편, 뇌성산현무암질암의 층리 경사(평균 30°)는 하위 지층과는 부조화적으로 보다 크게 나타나는데, 이는 분출된 현무암류가 고지형을 따라 흐르면서 만들어진 불규칙한 초기경사(initial dip)에 기인하는 것으로 판단된다.

Fig. 7. 
Structural map of the study area showing bedding traces of the basin fills with various structural data(modified and improved from Kim et al., 2011).

Fig. 8. 
Contoured π-diagrams (lower-hemisphere, equalarea projection) and rose diagrams showing the distribution of poles to beddings and their dip directions, respectively, in the Yeongamri Block (a) and the Noeseongsan Block (b).

Fig. 9. 
(a) Simplified columnar section of the Janggi-1 (JG-1) borehole showing depth of the basin floor and vertical thicknesses of the basin fill units. Photographs of the core (b, d, f, h) and its closer views (c, e, g, i). (b, c) Unconformable contact between the basement (Rd: rhyodacitic volcanic rocks) and basal conglomerate of the Janggi Conglomerate. Conformable contacts between the Seongdongri Formation and the underlying Janggi Conglomerate (d, e) and the overlying Noeseongsan Basaltic rock (f, g). (h, i) Basaltic dike intruding the Seongdongri Formation. (j) Rose diagrams showing vertical variation of dip angles of the basin fills.

잠재 저장층인 장기역암 내에 포함된 사암의 공극률과 투수율의 측정을 위해 장기 1호공 시추코어로부터 선별된 대표적인 암석 시료를 직경 1.5인치, 직경의 1.5배 이상 길이의 코어플러그(core plug)로 성형하였으며, 성형된 시료의 공극률과 투수율은 각각 동아대학교의 헬륨 공극률 측정기(helium porosimeter) 및 가스투수율 측정 장비를 이용하여 측정하였다(표 4). 헬륨 공극률 측정기 측정실험에 적용된 압력범위는 100 psi이며, 가스투수율 측정장비에 적용된 가스유량의 범위는 100~1000 sccm이다. 봉압은 주입압력보다 400 psi 이상으로 적용하였다. 예비시험 결과, 뇌성산지괴의 지하 심부 약 700 m이상 깊이에 존재하는 사암층의 공극률의 범위는 13.79 ~ 27.82%이고 투수율은 0.0139 ~ 89.037 mD 로, 이는 현재 실증 사업이 진행 중인 대표적인 해외 CO₂ 저장층의 물성 범위에 포함된다(표 1). 따라서 장기역암 내에 포함된 역암, 역질사암, 조립질 사암체들은 추후 CO₂ 지중저장을 위한 저장암으로써 충분히 가능성이 있는 것으로 보인다.

CO₂ 지중저장 유망 구조구역을 도출하기 위해 영암리와 뇌성산지괴의 특징을 살펴보면, 먼저 두 지괴 내에 포함된 충전물의 암층서는 서로 유사하므로 층서적 조건은 동일하다 할 수 있다(그림 2, 9). 그러나 필요 심도의 확보 측면에서는 뇌성산지괴가 더유리할 것으로 판단된다. 영암리지괴는 약 800 m 이상의 분지심도를 가지는 곳이 북서부 일부 지역에 국한될 것으로 예상되나, 지괴 경동 이후 현무암질 화산활동에 의해 지괴 전반이 함몰된 것으로 해석되는 뇌성산지괴는 대부분의 지역이 800 m 이상의 깊은 심도를 가질 것으로 판단되므로 CO₂ 지중저장소로서 활용 가능한 지역의 범위가 넓다할 수 있다. 그러나 뇌성산 고지가 위치한 지괴의 중앙부는 현무암질 화산활동의 중심지로써 이와 관련한 마그마 관입 등에 의해 상당히 복잡한 지하구조가 형성되어 있을 것으로 판단되므로 CO₂ 지중저장소로서 부적절할 가능성이 높으며, 이를 피해 보다 외곽을 집중 탐색할 필요가 있다.

뇌성산지괴 남부에서 수행된 시추 결과는 가장 깊은 심도에서 데사이트질 응회암이 출현하는 873.8m 지점의 하부 분지충전물이 역암, 역질사암, 사암 등의 조립질 쇄설성 퇴적물로 주로 구성됨을 보여준다(그림 9, 10; 표 2). 이들은 최소 9매 이상의 데사이트질 응회암과 이와 교호하는 세립질 퇴적물을 다량 포함한 응회질 퇴적암 그리고 현무암질 화산암류에 의해 다시 피복된다. 즉, 분지 기저에는 공극률과 투수율이 비교적 양호한 잠재 저장층(장기역암)이 약 129.7 m의 겉보기 두께로 존재하고 이를 대부분 투수율이 낮을 것으로 판단되는 잠재 덮개층(성동리층과 뇌성산현무암질암)이 약 873.8 m의 겉보기 두께로 피복하고 있다. 이상과 같은 특징들을 종합하면, JG-1호공이 위치하는 뇌성산지괴의 남부 지역이 CO₂ 지중저장소의 필요 심도를 충족하는 1,000 m 내외의 깊은 심도를 가지며, 약 880 m 깊이에서 후기 현무암질 화산활동의 영향을 거의 받지 않은 저장층·덮개층 조합이 존재할 것으로 판단된다. 따라서 장기분지는 CO₂ 지중저장 실증사업에 적절한 심도와 트랩이 형성되어 있는 육상 퇴적분지로서 평가되며, 특히 뇌성산지괴의 남부 지역(학계리 또는 학곡리)이 가장 적절한 후보지로 평가된다.

Fig. 10. 
Columnar logs from the Janggi-1 (JG-1) core measurement. See Table 1 for the detailed description of each unit.

장기역암은 분지 남동쪽 경계단층 인접부인 장기면 영암리 일원에서 소규모로 지표에 노출되나(그림 3, 4), 시추결과 뇌성산지괴의 지하심부 약 880 m 이상 깊이의 분지 기저에도 분포하고 있음이 확인되었다(그림 9, 10; 표 2). 이는 공극률과 투수율이 높은 조립질 암체(표 4)를 다수 포함한 지층이 영암리지괴에서 뇌성산지괴까지 분지 기저를 따라 하나의 층(formation)의 규모로 연장될 가능성이 있음을 의미하며, 두께와 연장성을 고려할 때 잠재 저장층이 되기 위한 충분한 규모를 가지고 있는 것으로 평가된다.

최근 CO₂ 저장분야에서는 저장층의 상세 특성화, 지층 내 유체의 잔류·보존 능력, 덮개암의 밀봉능력 등이 주된 논의 대상이 되고 있다(Korbøl and Kaddour, 1995; Bachu et al., 2007). 이를 파악하기 위해서는 주요 대상 지층의 물성과 기하에 관한 상세한 분석이 필요한데, 기본적으로 지층의 퇴적상, 퇴적환경, 퇴적기작 등에 관한 정보가 바탕이 되어야한다. 장기역암은 역암층의 하부 경계를 따라 침식면이 흔히 관찰되고 대부분 유기물이 풍부한 이암 또는 탄층과 교호하는 특징을 보인다. 이는 역암들이 배수가 불량한 망상하천 혹은 하구에 인접한 호수 등에서 퇴적되었음을 지시하며, 장기역암의 퇴적 당시 활발한 퇴적물의 공급과 함께 지속적인 퇴적공간의 확보가 이루어졌음을 의미한다(e.g., Blair and Bilodeau, 1988; Stollhofen and Stanistreet, 1994; Sohn et al., 2013). 따라서 분지의 형성 초기 지각 확장과 침강으로 기반암 기원 물질을 다량 함유한 조립질 쇄설성 퇴적물들이 분지 내부로 활발히 공급되었으며, 지속적인 분지 침강에 의해 이 퇴적물들이 분지 기저를 따라 광범위하게 이동되었을 가능성이 높다.

영암리지괴 장기역암의 퇴적학적 특징에 관한 Bahk and Chough (1996)의 연구에 따르면, 장기역암을 구성하는 역암층은 퇴적 과정과 기원에 따라 하도 역암과 중력류 기원 역암으로 구분되며, 모두 대체로 괴상이고 분급이 불량하나 하도 역암은 역의 배열이 발달하고 측방으로 렌즈상의 기하를 이루는 반면, 중력류 기원 역암의 경우는 역의 배열이 미약하고 측방연장성이 더 좋은 특징을 보인다. 한편, Sohn et al. (2013)은 지리적으로 영암리지괴와 매우 인접한 양포소분지를 대상으로 고지형, 퇴적기작, 퇴적활동과 동반된 화산활동, 지구조운동 등을 종합적으로 고려하여 분지의 퇴적환경 진화모델을 제시한 바 있다. 이에 따르면 양포소분지는 활발한 구조운동과 화산활동에 의해 분지의 내외부적 조건(침강률, 퇴적물 공급률, 퇴적률 등)이 시공간적으로 복잡하게 변화되었으며, 그에 따라 분지 형성 초기에는 시공간적으로 다양한 퇴적환경(얕은 호수 또는 늪지, 하성 평원, 망상하천계 등)이 형성되고 퇴적상의 측방 연속성과 기하가 지속적으로 변화된 것으로 보고하였다. 또한 후기에는 분지의 빠른 침강에 의해 다량의 화산물질 공급에도 불구하고 지표의 퇴적환경은 거의 일정하게 유지되었으며, 그 결과 분지충전물 내에 거의 동일한 특징을 가진 하성 역암들이 관찰되는 것으로 보고하였다.

이상을 종합하면 장기역암 내의 조립질 쇄설성 암체의 기하, 분포, 연장성 등은 실제로는 매우 복잡할 것으로 예상되며, 현재 확보된 자료만으로는 잠재 저장층에 대한 자세한 평가와 예측은 어려울 것으로 판단된다. 따라서 이들의 상세 특성화를 위해서는 장기역암의 자세한 퇴적학적 특성은 물론이고 구조분석, 각종 물리탐사, 시추탐사를 추가적으로 시도하여 유망 후보지의 심부구조와 잠재 저장층의 특성화에 필요한 기본 자료들을 보다 체계적으로 구축할 필요가 있다.

현재 세계의 여러 퇴적분지에서 CO₂ 저장을 위한 실증사업이 진행 중이며, 저장소는 원유·가스전, 대수층, 염수층, 석탄층, 현무암, 오일 또는 가스 셰일, 암염 공동(salt cavern), 폐광산 등으로 지질학적 조건이 다양하다. 그러나 대부분의 저장소는 쇄설성· 화학적 퇴적암 또는 탄층이 주된 저장층으로 활용되고 있다(IPCC, 2005; Viebahn et al., 2007; Bachu, 2008; Michael et al., 2010; Lenzen, 2011; Dutta and Zoback, 2012; Heinemann et al., 2012; Civile et al., 2013; Lu et al., 2013).

상부의 성동리층과 뇌성산현무암질암 뿐만 아니라 하부의 장기역암 쇄설성 퇴적물의 기질 내에도 다량의 화산물질이 포함된 장기분지의 경우, 저장층의 유망성을 평가하기 위한 보다 선진적인 접근이 요구된다. 1960년대 이후 석유지질학 분야에서는 화산성 저류암(volcanic reservoir)에 대한 관심이 증대되고 있다 (e.g., Sruoga et al., 2004; Luo et al., 2005; Sruoga and Rubinstein, 2007; Feng, 2008; Lenhardt and Götz, 2011; Zou et al., 2013). 화산성 저류암은 화산암이 주된 원유·가스 저장암이 되는 경우로, 쇄설성 퇴적암에 비해 암상이 복잡하고 지층의 기하와 연속성을 예측하기 어려우며 기공 발달과 변질상태에 따라 공극률과 투수율이 크게 달라지므로 저류암이 되기 힘든 것으로 인식되어 왔다. 그러나 지난 한 세기 동안 이들내에 대규모 원유·가스전이 발견된 사례가 있어 최근 이들의 가능성에 주목하여 세계 각국에서 활발한 탐사와 평가가 진행되고 있다(예: 쿠바의 North Cuba 분지, 브라질의 Amazonas 분지, 중국의 Songliao, Junggar, Santanghu 분지 등)(Zou et al., 2013).

저류암으로 활용된 화산암은 기원에 따라서 다양한 조성, 산상, 조직을 보이는데, 이들의 유망성을 좌우하는 공극률과 투수율은 일차와 이차적 공극형성 과정과 단열계의 발달 양상에 따라 달라진다(Sruoga and Rubinstein, 2007). 화산암의 대표적인 일차적 공극형성 과정으로는 결정의 초생적 변질, 가스 방출, 자가파쇄작용(auto-fragmentation), 결정의 부스러짐 등이 있다. 일반적으로 지층 내에 가스탈기관(gas escape pipe)을 다량 포함한 화쇄류암이 상대적으로 높은 공극률과 투수율을 보인다. 화산암의 공극에 영향을 미치는 대표적인 이차적 과정은 변질작용으로 이는 공극률과 투수율을 감소시킨다. 그러나 뒤따르는 용해 및 수압파쇄와 같은 암체 내에 공간이 형성되는 작용들이 추가될 경우 공극률과 투수율은 증가된다. 또한, 암상의 조직도 중요한 요소가 되는데, 일반적으로 용결도가 높고 괴상이며 치밀한 결정질 암석은 공극률과 투수율이 현저히 낮다(Sruoga et al., 2004).

장기역암과 같이 이차기원의 화산물질이 포함된 경우(그림 3, 4; 표 2)에는 다짐작용 이후 퇴적물 입자간의 잔류 공극(residual pore)과 기질 내의 결정과 화산물질의 이차적 변질작용에 의한 용해 공극(dissolved pore), 공동 등에 의해 공극률과 투수율이 달라질 수 있다(Sruoga et al., 2004; Sruoga and Rubinstein, 2007). 또한 이들이 절리나 단층과 같은 단열계의 형성 혹은 용해 공극의 증가 등에 의해 연결될 경우에는 지층 전반의 투수율이 크게 증가하여 저장층으로서의 유망성이 높아진다(Zou et al., 2013). 그러므로 장기분지와 같이 다량의 화산물질을 포함한 퇴적분지의 경우에도 공극을 충전한 물질의 특성과 공극의 연결성에 따라 높은 투수율을 보일 가능성이 있다. 특히 장기분지는 전기 마이오세 동안의 활발한 구조운동으로 확장되었고 분지 형성 이후의 다중 지각변형(Moon et al., 2000; Son et al., 2007)으로 인해 다수의 단열들이 분포하고 있어, 이러한 단열망에 의해 잠재 저장층 전반의 투수율이 증가되었을 가능성이 있다. 한편, 잠재 덮개층인 성동리층은 수 매의 화쇄류암과 기질 내에 화산물질을 다량 포함한 응회질 퇴적암으로 구성되는데(표 2; 그림 4, 5), 이러한 화산암 또는 기질 내의 화산물질의 경우 다양한 조건에 따라 물성이 달라질 수 있다. 성동리층 내에 포함된 데사이트질 응회암은 대부분 화산쇄설성 밀도류 기원의 화쇄류암으로 판단되는데, 용결구조가 거의 없고 부분적으로 가스탈기관이 관찰되며, 박편관찰시 결정과 기질 내의 유리질 입자들이 파쇄된 경우가 많다. 그러나 대부분 괴상이고 불석으로 변질되어 있으며 다수의 세립질 응회질 퇴적암들이 교호하고 있어 지층의 전반적인 투수도는 낮을 것으로 추정되므로(Sruoga et al., 2004), 암상보다는 지층 전반의 단열계 분포와 발달 특성이 잠재 덮개층의 유망성을 좌우하는데 있어 보다 중요한 요인이 될 것으로 판단된다.

이상을 종합하면 장기분지와 같이 다량의 일차·이차기원의 화산물질과 쇄설성 퇴적물로 충전된 퇴적분지의 경우에는 석유/가스전 개발 원리를 역이용한 저장층·덮개층 특성화를 통해 CO₂ 지중저장소로의 적합성 평가가 필요한 것으로 판단된다. 이를 위해서는 공극률과 투수율을 좌우하는 각 지층의 암상, 공극, 단열계에 대한 보다 자세한 분석이 필수적이다. 또한, 상대적으로 예산이 적게 소요되고 접근이 용이한 육상의 퇴적분지라는 장점을 살려 아직까지 활발히 시도되지 않고 있는 화산성 저류암을 활용한 CO₂지중저장소(volcanic reservoir CO₂ storage) 측면의 체계적인 D/B를 구축하게 된다면, 추후 관련 분야에서 하나의 선진적인 연구사례가 될 것으로 판단된다.