캐나다 앨버타주 몬트니층의 퇴적상과 퇴적환경: 가스함유 셰일층의 파쇄효율 향상을 위한 퇴적학적 특성화

1. 서 언

셰일가스는 유기물이 풍부한 셰일층에 축적되어 있는 천연가스로서, 성공적인 셰일가스층의 개발을 위해서는 대상지역 지층의 층서, 퇴적환경 및 지질구조의 특성과 분포에 대한 정보를 바탕으로 종합모델을 구축하고 이를 3차원적으로 가시화함으로써 셰일가스층의 탐사(sweet spot 도출)와 개발(시추공설계 및 파쇄효율 증진) 과정에서 지질학적 정보의 활용도를 높이는 것이 중요하다(Slatt et al., 2012). 특히, 가스층의 근원암 저류층(source rock reservoir)을 형성하는 주요 암석인 셰일(혹은 이암)은 지구표면에 분포하는 퇴적암의 약 75%를 차지할 정도로 다양한 퇴적환경(하천, 호수, 연안, 대륙붕, 심해저 등)에서 형성되기 때문에 광물구성, 공극률, 유기물함량, 입자배열, 층리간격, 지층연장성 등에 따른 수직 및 수평 이방성에 있어서 매우 폭넓은 변화특성을 보인다(Potter et al., 2010). 이러한 셰일의 다양성은 생산성과 직결된 수압파쇄 특성을 결정함으로써 셰일가스층 탐사와 개발에 중요한 변수로 작용한다. 셰일가스 개발을 위한 3차원 모델링의 첫 단계는 대상지층의 퇴적학적 특성화(sedimentological chracterization)이다. 이 과정에서는 암석 코어나 박편을 이용한 암상의 육안기재와 물리검층자료에 대한 분석이 수행되며, 이를 통해 대상 지층의 암상과 층서 특성을 파악함과 동시에 퇴적메커니즘과 형성환경에 대한 정보를 취득함으로써 탄성파자료와 결합하여 광역적 암상분포 모델을 구축할 수 있다(Slatt et al., 2012).

캐나다 서부 앨버타주 중서부에 위치한 Kakwa 광구(그림 1)는 산업통상자원부의 에너지기술개발연구(2013-2017년)를 통해 국내 연구진 자력으로 탐사와 시추설계가 수행되어, 2019년 현재 생산이 이루지고 있는 한국석유공사의 셰일가스전이다. 현재 탐사와 개발이 가장 활발하게 이루어지고 있는 북미지역의 가스함유 셰일층은 대부분 해수의 유동과 순환이 제한된 심해환경에서 형성된 것으로 알려져 있다(Loucks and Ruppel, 2007; Yoon et al., 2018). 그러나 Kakwa광구의 근원암 저류층인 몬트니층(Montney Formation)은 셰일이 혼재된 치밀저류층(tight reservoir)으로서 북미지역의 전형적인 가스함유 셰일층에 비해 실트함량이 더 높고 다양한 퇴적구조를 포함하는 암상 특성을 보인다. 이 연구에서는 몬트니층의 퇴적학적 특성화의 일환으로서 시추공 코어자료에 기초하여 퇴적상 분석을 수행하였다. 연구의 주요 목적은 센티미터 스케일로 시추코어 암상을 기재하여 퇴적상을 분류함으로써 몬트니층의 퇴적작용과 퇴적환경을 밝히는데 있다. 이를 통해 다양한 셰일 퇴적환경에 대한 이해의 폭을 넓히고 셰일가스의 형성과 보존에 유리한 환경 조건에 대한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 1.

Location of the Kakwa well (core site) and distribution of the Triassic Montney Formation with overall depositional setting. Modified from Edwards et al. (1994).

2. 지질 개요

캐나다의 몬트니층은 지금으로부터 약 2억 3,200만∼2억 4,500만년 전인 중생대 트라이아스기(Triassic)기 초기에 북미지괴(North American craton)의 서부 가장자리에 발달한 앨버타분지(Alberta Basin)의 북서부에 집적된 해성퇴적층의 일원이다(Edwards et al., 1994). 몬트니층의 분포지역은 브리티시컬럼비아(British Columbia)주 북동부에서부터 앨버타(Alberta)주 서부지역까지 약 140,000 km²에 걸쳐 북서-남동으로 나타난다(그림 1). 층의 상부경계는 지표면 기준 실수직거리(true vertical depth)로 2,800-3,500 m 깊이에 위치하며 남서쪽으로 경사져 있다(Kuppe et al., 2012). 평균두께는 약 200 m이며 동부에서 서부로 가면서 최대 350 m 이상까지 두꺼워진다. 층서적으로 몬트니층은 고생대 페름기의 벨로이(Belloy)층을 부정합적으로 피복하며, 상부에서는 트라이아스기에서 백악기(서쪽에서 동쪽으로 가면서 연대가 젊어짐)에 집적된 도이그(Doig)층에 의해 부정합적으로 피복되어 있다. 몬트니층에서 산출되는 화석은 매우 드물며 연대도 불분명하지만, 일반적으로 페름기 최후기에서부터 전기 트라이아스기(Olenekian)까지의 연대를 갖는 것으로 알려져 있다(Golding et al., 2014). 몬트니층의 퇴적환경은 일반적으로 북서-남동 방향의 분지 중심축을 경계로 하여 2개의 퇴적시스템, 즉 동쪽의 내해 연안환경(proximal shoreface or inner shelf)과 서쪽의 외해 환경(distal deeper marine or outer shelf)으로 구분된다(Kuppe et al., 2012)(그림 1). 기존의 연구에 따르면, 내해 연안환경에서 집적된 퇴적층은 연안면 사암(shoreface sandstones), 백운암질 패각암(coquinas), 하부 연안면 실트암(lower shoreface siltstones)으로 구성되며, 분지 남서부에 분포하는 외해 퇴적층에서는 폭풍우세(storm-dominated) 실트암이나 저탁류 실트암 혹은 사암이 교호하는 것으로 알려져 있다(Moslow and Davies, 1997; Kendall, 1999; Zonneveld et al., 2010).

3. 연구 자료 및 방법

이 연구의 주요 분석대상은 2014년 한국석유공사(Harvest사)가 캐나다 앨버타주 중서부에서 취득한 Kakwa 시추공(그림 1)의 코어시료로서 시추구간 3166~3371.6 m의 몬트니층에 대해 퇴적상 분석을 실시하였다. 코어시료의 분석은 암상, 조직, 퇴적구조, 층리면(bedding plane)특성, 색상 등에 대해 육안 관찰과 1:20 주상도 작성을 통해 이루어졌다. 몬트니층 시추코어에 대한 미세조직, 광물, 유기물 분석은 캐나다 현지 연구기관(CoreLab Canada Ltd)을 통해 수행되었으며, 이 연구에서는 분석 결과보고서를 활용하였다.

4. 암 상

기존 연구에 의해 제시된 몬트니층의 층서 특성을 기준으로 보면, Kakwa 시추공에 나타나는 몬트니층은 시추심도 3161.8～3361.7 m 범위에 200 m 두께로 나타난다. 그리고 암상변화에 따라 심도 3268.8 m를 경계로 하여 상부 몬트니층과 하부 몬트니층으로 구분된다.

5. 퇴적상

퇴적상(sedimentary facies)은 퇴적층을 구성하고 있는 퇴적물의 운반기구(mechanism)와 형성환경에 대한 정보를 제공하는 기본적인 특징이다(Stow, 2005; Dalrymple, 2010). 퇴적층의 노두나 시추코어의 경우 퇴적상 분석에 가장 널리 채택되는 기본요소는 1차 퇴적구조와 입자의 조직 특성이다. 이러한 특성들은 퇴적물이 집적될 당시의 주변 자연조건을 반영하기 때문에 고기의 퇴적환경을 해석하기 위한 기본 도구로서 주요 분석의 대상이 되고 있다(Boggs Jr, 2006). 몬트니층의 셰일은 광물학적으로 석영과 장석 함량이 60% 내외인 규산쇄설암(siliciclastics)으로 분류되며, 조직적으로는 실트의 함량이 우세한 실트암 혹은 부분적으로 유사한 함량의 실트와 점토로 구성된 이암이 우세하게 나타난다. 퇴적구조로는 다양한 엽층리(평행엽층리, 사엽층리 및 희미한 엽층리)와 층리의 발달이 없는 무구조 등 1차 퇴적구조와 함께, 퇴적 후 구조로서 생물교란 및 가소성 변형구조가 관찰된다. 이와 같은 조직특성과 퇴적구조를 기초로 하여 이 연구에서는 6개의 퇴적상을 구분하였다(표 1; 그림 2). 다만, 입도에 대한 정보가 불충분하여 암석명은 이암으로 통일하여 적용하였다.

Table 1.

Summary of sedimentrary facies from the Montney Formation.

Fig. 2.

Photos of sedimentary facies. For location of photos, see Figure 3. HM: homogeneous mudstone, PL: parallel-laminated mudstone, HL: hummocky laminated mudstone, XL: cross-laminated mudstone, IL: indistinctly laminated mudstone, BT: bioturbated mudstone, DF: deformed mudstone.

5.1 균질 이암(HM: homogeneous mudstone)

5.1.1 특징

이 퇴적상은 대체로 층리나 연흔 등의 퇴적구조가 인지되지 않고 색상의 변화가 거의 없는 전체적으로 균질한 특성을 보인다(그림 2a). 하지만 때로 매우 희미한 엽층리나 점이층리 혹은 점이적인 수직적 색상변화가 관찰되기도 한다. 암석의 색상은 규질 입자가 풍부한 경우 담회색을 띠며, 상대적으로 적은 경우에는 암회색 혹은 암갈색으로 나타난다. 개별 퇴적상 단위의 두께는 수 cm 이하에서 30 cm 이상까지 변화폭이 크게 나타나는데, 암회색의 균질 이암은 대체로 5 cm 이하로 얇게 나타나며 수직적으로는 점이적 조직 혹은 색상 변화를 보이는 경우도 있다. 층단위의 상부와 하부 경계는 비교적 뚜렷하게 나타나는데, 때로 하부에 엽층리 퇴적상이 놓이는 경우에는 그 경계면이 명확하지 않고 점이적으로 나타난다. 생물교란은 전반적으로 우세하게 나타나는 편은 아니지만, 상부 몬트니층의 상부 구간에 나타나는 균질 실트암의 일부에서 부분적으로 심한 생물교란이나 다양한 규모와 형태의 서식구조(burrow)가 인지되기도 한다. 균질 실트암과 이암은 상부 몬트니층에 골고루 분산되어 나타나며, 하부 몬트니층에서는 하부 구간에 제한적으로 관찰된다(그림 3).

Fig. 3.

Summarized borehole plots of stratigraphy and sedimentary facies.

5.1.2 해석

균질 퇴적상은 명확히 구분되는 퇴적구조가 거의 없이 구성입자가 분급이 되지 않은 채로 고르게 분산되어 있는 조직적 특성을 보인다. 이러한 퇴적상은 전통적으로 세립질 저탁류의 최후기 단계의 생성물로서, 저탁류의 속도가 감소하면서 수층에 고농도로 부유되어 있던 세립입자들이 빠르게 가라앉아 형성된 것으로 해석되고 있다(Piper, 1978; Stow and Shanmugam, 1980; Chough et al., 1984). 이 때 수층의 화학 및 생물학적 조건에 따라 세립입자의 응집(flocculation) 현상이 일어나게 되면 입도에 따른 분급이 충분히 이루어지지 않아서 엽층리나 점이층리와 같은 퇴적구조의 발달이 미약하게 된다. 이와 같은 고농도 수층으로부터의 퇴적은 저탁류 외에도 홍수기에 하구로부터 유입되는 탁류나 폭풍파에 의해 야기된 과밀도류(hyperpicnal flow)에서도 유사하게 일어날 수 있으며(그림 4), 이때 비교적 두꺼운 균질 니질층이 형성될 수 있다(Plint, 2010).

Fig. 4.

Schematic diagram showing depositional environments and sedimentary processes of the Montney Formation.

한편, 균질 퇴적상은 강한 생물교란 활동의 결과로 퇴적물이 심하게 혼합되고 층리와 같은 원래의 1차 퇴적구조가 완전히 파괴된 경우에도 나타날 수 있다(Reineck and Singh, 1980). 중대형 생물에 의한 교란구조는 일반적으로 다양한 형태의 서식구조(burrow)로써 퇴적층 내에서 인지가 가능하지만 퇴적물 내 공극에 서식하는 미생물이나 소형 저서생물의 경우에는 교란흔적의 크기가 작아서 개별 서식구조가 육안으로 쉽게 구분되지 않기 때문이다. 몬트니층은 중생대 초기 트라이아스기에 형성된 퇴적층으로서 2억년 내외의 오랜 기간 동안 퇴적층이 압밀되고 교결되는 속성작용이 진행되는 과정에서 원래의 생물교란구조가 희미하게 되었을 가능성도 배제하지 못한다.

6. 토의: 퇴적환경

몬트니층과 그 상부의 도이그층은 전기 및 중기 트라이아스기 동안 서부 캐나다 지역에 발달하였던 비활성 대륙주변부(passive margin)에서 형성되었다(Edwards et al., 1994). 이 지역은 당시 북반구 중위도에 위치하고 있었는데 기후는 건조하였고 계절적으로 무역풍과 주기적인 용승의 영향을 받았던 것으로 추정된다(Davies, 1997). 광역층서와 고지리 연구결과에 따르면, 몬트니층의 전반적인 퇴적환경은 지구조적으로 안정적인 비활성 대륙주변부의 대륙붕-대륙사면 혹은 완만하게 경사진 램프(ramp) 지형으로서, 북동쪽으로 해안과 연안역이 발달하였고, 남서쪽으로 가면서 점차 깊어지는 외해역을 이루고 있었던 것으로 알려져 있다(Kuppe et al., 2012).

몬트니층의 암상은 분지 내 위치에 따라 사암에서 이암까지 다양하게 나타나는데(Moslow and Davies, 1997; Kendall, 1999; Zonneveld et al., 2010), 이 연구의 몬트니층에서는 전 구간에 걸쳐 대부분 실트와 점토로 이루어진 세립질 퇴적물이 우세하게 나타난다. 일반적으로 해양환경에서 대부분의 니질 퇴적물은 파도나 해류의 영향이 상대적으로 약한 저에너지 해저에 분포하는 것으로 알려져 있다. 특히, 고에너지의 수력학적 조건에 평형을 이루고 있는 대륙붕 등 천해환경에서는 연안역에 사질 퇴적물이 분포하고 있으며, 니질 퇴적물은 수심이 상대적으로 깊은 해파기저면 하부의 중부 대륙붕과 그 외해역에 주로 분포하는 것이 전형적이다. 그러나 상부 몬트니층에서는 고에너지 수층운동(파도, 폭풍)에 의한 퇴적과 침식 구조(퇴적상 HM, PL, XL), 그리고 퇴적 직후의 활발한 생물교란 및 물리적 변형 구조(퇴적상 BT, DF) 등을 특징으로 하고 있다(그림 4).

최근 니질 퇴적물의 집적에 대한 실험연구와 대륙붕 니질 퇴적층에 대한 현장조사에서는 세립질 퇴적층들이 단순히 부유상태에서 서서히 침전되어 쌓이기만 하는 것이 아니라 퇴적, 침식(재동), 수평이동 등 상당히 역동적이고 복잡한 과정을 거치면서 예상보다도 얕은 고에너지 연안역에도 두껍게 분포하고 있음이 밝혀지고 있다(Plint, 2010). 이러한 고에너지 환경에서의 니질 퇴적물 집적은 주로 수층 내에 부유되어 운반되는 세립질 퇴적물의 농도에 크게 영향을 받는데 대륙붕으로 유입되는 하천을 통해 연안역으로 들어오는 고탁도의 표층류(hypopycnal riverine plumes)가 주요 공급원이 되고 있다(Hill et al., 2007). 고탁도의 하천 유입수 내에 부유된 니질 퇴적물들은 해수와 만나면서 서로 응집(flocculation)되어 실질적인 입도가 증가하게 되는데, 하구로부터 멀어지면서 빠른 속도로 침전하여 기저혼탁층(turbid bottom nepheloid layer)을 형성하게 된다(Potter et al., 2010). 이와 같은 고농도의 퇴적물 수류는 강한 조류나 높은 파도 조건에도 불구하고 연안 해저에 상당량의 니질 퇴적물이 집적될 수 있는 주요 요인이 되고 있다(Rine and Ginsburg, 1985).

한편, 연안역에 퇴적된 하천기원의 니질 퇴적물의 일부는 간헐적 혹은 계절적으로 발생하는 폭풍 시에 강한 파도와 외해로 흐르는 폭풍기원의 지형류(geostrophic current)에 의해 재동되어 언덕사층리나 평행엽층리를 보이는 폭풍퇴적층을 형성하거나, 퇴적물중력류의 형태로 외해역으로 이동하여 균질 퇴적상을 특징으로 하는 퇴적층을 집적시킬 수 있다(Plint, 2010). 특히, 현생의 대륙붕에서의 관측에 따르면, 폭풍파는 세립질 모래나 니질 퇴적물을 부유시켜 고농도의 파도기저경계층(wave boundary layer)을 형성하고 외해로의 흐름, 즉 파도기원 퇴적물중력류(WESGF: wave-enhanced sediment graivity flow)을 일으킬 수 있는 주요 요인으로 제시되고 있다(Macquaker et al., 2010). 또한 해저면 경사가 큰 연안역에서는 폭풍파에 의해 재동된 세립질 퇴적물들이 고농도의 저층수를 형성하면서 경사진 해저를 따라 외해로의 흐름을 야기하기도 한다(Plint, 2010).

하부 몬트니층에서는 상부 몬트니층에서와는 달리파도에 의한 연흔이나 사층리 복합체는 거의 나타나지 않고, 대신 지속적인 저에너지의 퇴적을 지시하는 세립질 퇴적상(IL)이 층 전반에 걸쳐 우세하며 상대적으로 높은 점토와 유기물 함량을 보인다. 이는 하부 몬트니층이 상부 몬트니층의 형성환경에 비해 수심이 다소 깊은 폭풍파 기저면 하부의 외해 혹은 심해의 저에너지 조건에서 집적되었음을 지시한다(그림 4). 다만 희미한 엽층리 퇴적상에서는 평상시에 지속적으로 집적된 반원양성의 니질 퇴적구간 사이에 천해에서 발생한 WESGF가 유입되어 형성된 규질 엽층이 간헐적으로 나타난다(그림 4f). 그런데 하부 몬트니층의 상단부에서 이들 규질 엽층의 출현빈도와 두께는 상부로 가면서 점차 증가하는 경향이 확인된다. 이러한 특징은 단순히 WESGF의 발생빈도나 강도가 증가한 결과로 볼 수도 있지만 하부 몬트니층(총두께 91 m) 상단부 약 20 m 구간에 국한하여 나타나며 그 상부의 구간(상부 몬트니층)에서는 천해환경을 지시하는 퇴적상이 우세하게 나타나는 것을 고려한다면, 상대적 해수면의 점진적인 하강으로 인해 발생지가 점차 가까워진 결과로 해석하는 것이 더 타당하다. 한편, 하부 몬트니층에서는 상부 몬트니층과는 달리 생물교란이 일부 구간(3339-3350 m)에만 제한적으로 나타나는데, 퇴적층 내 유기물 함량이 상대적으로 높고 파도나 해류의 영향이 적은 안정적인 조건에서 형성되었음을 감안한다면 수층 내 산소의 결핍이 저서생물들의 서식을 방해하였던 주요 요인으로 해석된다.

7. 결 론

중생대 트라이아스기에 형성된 Kakwa 시추공의 몬트니층에서는 전 구간에 걸쳐 대부분 실트와 점토로 이루어진 세립질 퇴적물이 우세하게 나타난다. 그러나 전반적인 암상과 퇴적상의 세부구성은 상부와 하부 몬트니층에서 서로 다른 양상을 보인다. 상부 몬트니층의 퇴적상은 고에너지 수층운동(파도, 폭풍)에 의한 퇴적(퇴적상 HM, PL, XL)과 침식/변형 구조(퇴적상 DF), 그리고 퇴적 후의 생물교란에 의한 구조(퇴적상 BT) 등을 특징으로 하고 있으며, 반면 점토광물과 유기물 함량이 상대적으로 높은 하부 몬트니층에서는 안정적이고 지속적인 저에너지 환경에서의 퇴적을 지시하는 퇴적상(IL)이 우세하게 나타난다. 이와 같은 퇴적상 해석결과는 상부 몬트니층이 전반적으로 파도가 우세하고 폭풍의 영향도 빈번한 대륙붕 연안 환경에서 형성되었으며, 하부 몬트니층은 이보다 수심이 깊은 폭풍파 기저면 하부의 외해 혹은 심해 환경에서 집적되었음을 지시한다. 따라서 하부 몬트니층이 형성되는 동안의 해수면은 상부 몬트니층 시기보다 상대적으로 높은 상태에 있었으며, 하부 몬트니층 형성 후기에 점진적으로 하강하였던 것으로 해석된다. 하부 몬트니층이 형성되던 시기에는 높은 해수면으로 인해 해안선이 육지 쪽으로 후퇴하면서 수심이 깊어지고 육성기원 퇴적물의 유입이 제한되었기 때문에 저에너지의 외해 혹은 심해 환경에서 반원양성의 니질 퇴적층이 우세하게 형성되었으며 간헐적으로 폭풍파 기원 밀도류에 의한 퇴적이 이루어졌다. 한편, 상부 몬트니층 형성 시기에는 상대적 해수면의 하강으로 해안선이 전진하여 육상(하천)으로부터의 퇴적물 공급이 증가하였고, 수심이 얕아지면서 파도와 간헐적인 폭풍파의 영향으로 실트 우세 니질 퇴적물이 다양한 유동구조를 보이면서 집적되었다.

Acknowledgments

이 논문은 2016년도 제주대학교 연구교수 기간에 연구되었다. 시추코어는 한국가스공사에서 주관한 ‘셰일가스층 파쇄효율 향상을 위한 탐사프로세스 및 실증연구(2013～2017년, 산업통상자원부 에너지기술개발사업)’의 일환으로 한국석유공사에서 취득한 것이다.

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