서해 군산분지 이산화탄소 잠재 저장층 탐색을 위한 시추암편 공극률 분석

1. 서 론

지구 온난화에 대응하기 위해 많은 국가들이 2050년까지 이산화탄소 순배출 제로를 목표로 제시하고 있으며, 이를 달성하기 위해 에너지 전환과 저탄소 기술 개발을 적극적으로 추진하고 있다. 2021년에 우리나라는 2050 탄소중립을 선언하였으며, 이 도전적인 목표를 달성하기 위해 2050년에 연간 최대 6천만톤의 이산화탄소를 포집 및 저장 기술(CCS, CO₂ capture and storage)로 처분해야 한다(Republic of Korea, 2021). 정부는 국내와 해외에서 CCS 사업을 통해 각각 연간 3천만톤을 지중에 처분하는 것을 제안하였는데(Republic of Korea, 2021), 현재 국내외 기술 수준을 고려하면 도전적인 목표가 아닐 수 없다. 최근 산업부와 해수부가 공동으로 발표한 국내 저장용량 평가 결과에 따르면, 현재까지 가용한 자료와 분석기법을 통해 추정한 저장용량은 대략 7.3억톤 정도로 평가 되었다(Kwon, 2021). 특히, 서해 군산분지의 퇴적층을 최대한 활용하는 경우 이론적으로 대략 42억톤의 이산화탄소를 처분할 수 있을 것으로 추정되었다(KIGAM, 2019).

군산분지 저장용량 평가를 위한 기존 연구는 물리검층 자료로부터 도출한 공극률 값을 이용하였다. 본 연구에서는 서해 군산분지의 잉어-1 및 까치-1 공에서 채취한 시추암편(drill cuttings)의 암상과 공극 특성을 분석하였다. 공극은 서로 연결되어 있어 지하유체의 이동경로가 되고 자원이나 폐기물의 저장 공간이 되기 때문에 암석의 매우 중요한 특성이다. 또한 지각응력이나 공극압에 의한 암석의 변형은 압축성이 거의 없는 고체입자보다는 훨씬 유연한 공극에서 많이 발생한다. 암석의 파괴도 대부분 이 공간으로부터 시작되기 때문에 암석의 물리역학적 성질이 빈공간의 특성과 관련이 깊다. 퇴적층에서 공극의 크기와 형태는 퇴적환경 및 속성작용 등 지질학적 조건에 따라 변화한다. 특히 퇴적암의 공극률은 지질작용 및 구조를 이해하는데 중요할 뿐 아니라 석유가스자원, 이산화탄소 지중저장, 분지해석 연구에 꼭 필요한 기본인자이다. 이번 연구에서는 가용한 시추암편 시료를 이용하여 저장용량 평가의 기본적인 매개변수인 공극률을 심도별로 최대한 많이 측정하여 잠재 저장층 구간을 제시하고자 한다. 연구결과는 기존의 물리검층 공극률 자료를 보완하고, 향후 이산화탄소 저장소 탐색을 위한 시추 위치 선정과 지구물리 탐사 지역을 선정하는데 기여할 것이다.

2. 군산분지 지질

군산분지는 서해 중부에 위치하고 있으며, 면적은 30,000 km² 이상으로 대략 경상남북도 면적과 유사하다(그림 1). 분지 충진물은 백악기-신생대 육성층으로 알려져 있고, 퇴적층의 두께는 최대 6 km에 이른다(Ryu et al., 2000; Park et al., 2010; Shinn et al., 2010). 1970년대 이래 이루어진 석유탐사 활동을 통해 분지내 발달하는 습곡과 단층에 의한 집유 구조가 다수 존재함이 밝혀졌으며, 5 공의 탐사시추가 있었지만 탄화수소의 발견은 이루어지지 않았다.

Fig. 1.

Major geological structures demarcating basement highs and subbasins in the Gunsan Basin (after Shinn et al., 2010). The Cretaceous to Tertiary basin-fills comprise nonmarine deposits up to 6 km thick. A black dashed-line box denotes location of Fig. 7. bsl = below sea level; GB = Gunsan Basin; NSYSB = Northern South Yellow Sea Basin; SB = Subei Basin; SSYSB = Southern South Yellow Sea Basin; CS = Central Subbasin; ES = East Subbasin; WS = West Subbasin; HP = Haema Platform; NS = North Subbasin; NES = Northeast Subbasin.

군산분지는 내부에 발달하는 기반암 융기대에 의해 구획되는 적어도 5개의 소분지로 구성된다(그림 1). 소분지의 경계 단층과 내부에 발달하는 단층은 북동-남서 방향의 주향이동성 단층, 동-서(혹은 서북서-동남동) 방향과 북서-남동 방향의 공액단층 시스템이 우세하게 나타난다.

시추공 생층서 연구에 따르면, 군산분지는 전기 백악기-신생대 퇴적층으로 충진되어 있다(그림 2). 초기 연구에서 시추공 생층서는 주로 화분/포자 화석을 바탕으로 분대를 구분하였고 고제3기 지층이 주로 분지를 충진하고 있는 것으로 해석하였다(Ryu et al., 2000; Byun et al., 2013). 선행 연구는 신생대 화분/포자 화석과 동시에 산출되는 백악기 개형충 화석을 재퇴적에 의한 결과로 해석하였으나, 일부의 연구는 개형충 화석을 바탕으로 퇴적시기가 백악기일 가능성을 제안하였다(그림 2)(KIGAM, 2004).

Fig. 2.

Lithologic unit, geologic log and biostratigraphy of Kachi-1 and Inga-1 boreholes (modified from Cheong et al., 1998; Shinn et al., 2010). Note that capitalized lithologic units have no correlation between the two boreholes. LU = lithologic unit; Md = measured depth; Paly = palynology; Charo = charophytes.

군산분지 발달사는 전기 백악기에서 신생대 동안 탄루 단층에 의한 광역적인 변형과 고태평양판의 섭입 작용에 영향을 받았다(Ryu et al., 2000; Shinn et al., 2010; Shinn, 2015; Lee et al., 2016). 전기 백악기 군산분지는 주변의 분지와 유사한 열개분지 혹은 인리형 분지로 해석되었다(Ryu et al., 2000). 기존의 생층서에 의하면 백악기 퇴적층이 국지적으로 얇게 나타나고, 고제3기 퇴적층이 두껍게 분지를 충진하고 있기 때문에 분지가 대규모로 확장되는 시기를 고제3기로 해석하였다(Ryu et al., 2000; Park et al., 2010). 백악기를 지시하는 개형충 화석을 근거로 고제3기 퇴적층을 백악기 퇴적층으로 해석한 연구 결과는 분지의 주요 확장 시기가 백악기일 수도 있음을 지시한다. 하지만 소분지마다 분지 형성 시기와 진화 과정이 다를 수 있기 때문에 군산분지 전체를 하나의 기작으로 설명하기는 어렵다. 분지의 본격적인 확장이 언제 있었는지 이견이 있을 수 있으나, 대개 올리고세와 중기 마이오세에는 압축성 구조운동이 우세했던 것으로 알려져 있다(Shinn et al., 2010; Shinn, 2015). 중기 마이오세에 압축성 구조운동이 끝나고 광역 부정합면이 서해 전역에 형성되었고, 중기 마이오세-현생 퇴적층이 평탄하게 퇴적되었다(Chough et al., 2000; Hong and Shinn, 2014).

3. 연구 방법

공극 특성 중 가장 중요한 인자는 공극률(n)로 암석 전체부피(bulk volume)에 대한 공극부피(pore volume)의 비로 표현된다.

여기에서 V_p와 V_b는 각각 공극부피와 공극을 포함하는 암석의 전체부피이다. 공극률은 암석 내의 빈공간의 크기를 나타내며 유체의 저장량에 관한 인자로 가장 기본적인 공극의 특성이다. 본 연구에서는 공극률을 측정하기 위하여 두 가지 방법을 사용하였다. 첫 번째 방법은 가스밀도측정기(gas pycnometer)를 이용하여 암석시료의 건조밀도와 포화밀도를 구하고 이들의 상 관계(phase relationship)를 이용하여 공극률을 계산하는 간접적 방법이고, 두 번째 방법은 수은에 압력을 가하여 시료의 공극에 주입하고 주입된 양을 측정하여 공극률을 계산하는 직접적 방법이다.

4. 시추암편 암상

한국석유공사와 한국지질자원연구원의 시추암편 시료 분석 보고서와 본 연구를 위해 채취한 시추암편 시료 암상 분석을 종합하여 암상과 퇴적환경을 다음의 절에서 정리하였다(표 1, 2)(Waton et al., 1989; Parson and Saltmarsh, 1991; PEDCO, 1991; Park et al., 1997; Cheong et al., 1998).

Table 1.

Lithology and depositional environment analyzed from drill-cuttings of Kachi-1 borehole (Parson and Saltmarsh, 1991; Park et al., 1997; Cheong et al., 1998). mMD = meters measured depth.

Table 2.

Lithology and depositional environment analyzed from drill-cuttings of Inga-1 borehole (Waton et al., 1989; Chang et al., 1990). mMD = meters measured depth.

4.1 까치-1 공

까치-1 공은 군산분지 서소분지의 단층 연계 배사구조에 위치한다(그림 3a). 기존의 생층서 연구는 까치-1 퇴적층이 전기 백악기(1,445~2,280 m) 및 후기 백악기(613~1,445 m)에 퇴적되었고(그림 2), 이 백악기 지층은 압축구조 운동에 의해 융기와 변형을 겪으면서 삭박되어 약 613 m 심도에서 중기 마이오세 지층과 부정합 관계로 만난다(그림 3a).

Fig. 3.

A geological cross section of (a) the West Subbasin and (b) the East Subbasin of the Gunsan Basin. Note the upper boundaries of lithologic units at Inga-1 borehole. Geological ages of seismic units recognized in the East Subbasin are not fully established. For location of the cross section see Figure 1. SU = seismic unit.

까치-1 시추 보고서는 암편시료의 암상을 이용하여 까치-1 시추공을 10개의 구간으로 구분하였다(표 1; 그림 2)(Parson and Saltmarsh, 1991; Park et al., 1997; Cheong et al., 1998). 구간 A는 미고결된 사암과 석회질 이암으로 주로 구성된다. 구간 B와 C는 주로 실트질 이암으로 구성되며 약간의 사암, 사질 실트암, 미결정질 석회암을 포함하고 있다. 구간 D는 상위에 올라오는 구간과 암상이 유사하나 상대적으로 사질 또는 실트질 입자들이 많이 포함되어 있고, 석회질 입자들이 좀 더 빈번하게 나타난다. 구간 B, C, D는 적갈색 퇴적층의 발달이 미약하고, 탄산염질 성분이 상대적으로 많은 것으로 보아 수심이 얕은 호소성 환경에서 퇴적된 지층으로 해석된다(Park et al., 1997; Cheong et al., 1998).

구간 E는 주로 실트암과 이암으로 구성되어 있고, 얇은 사암과 석회암을 포함한다. 구간 E는 적갈색을 띠는 퇴적암의 발달이 뚜렷하며, 이는 하성/삼각주 환경에서 퇴적되었음을 지시한다(Park et al., 1997; Cheong et al., 1998). 구간 F는 실트암, 이암, 사암이 교호하는 퇴적층으로 구간 E의 암상과 유사하나 상대적으로 사질과 실트질 함량이 높고, 수 m 두께의 사암층이 협재한다. 사암은 대개 분급이 불량하고, 암편, 중광물, 석탄 파편, 석회질 입자들을 포함하고 있다.

구간 G는 잘 깨지는 실트암과 박리성(fissile) 셰일로 구성되며, 사암의 양이 현저히 적은 것이 특징이다. 구간 H는 화산암체로 두께가 약 70 m이고 주로 비현정질(aphanitic) 안산암 또는 현무암으로 구성되어 있다. 화산암체 상부는 대기 중에 노출되어 풍화되었고 변질된 흔적이 나타난다. 구간 I는 화산암체 직하부에 나타나는 균질한 사암층으로 구성된다. 사암 분급이 매우 불량하고, 주로 세립질에서 중립질 입자로 구성되며 화산암편을 포함한다. 방해석 교질물에 의한 충진으로 조직이 치밀하다(Park et al., 1997). 중성자/밀도 검층은 공극률이 평균 3~5% 정도임을 지시한다(Parson and Saltmarsh, 1991). 사암층 내 얇은 실트암과 이암이 협재한다. 구간 J는 백운암질 실트암, 이암, 백운암으로 구성된다. 잔자갈 크기의 백운암, 쳐트 역을 포함하는 역암이 일부 구간(2,670~2,684 m)에서 나타난다(Park et al., 1997).

5. 공극률 분석 결과

5.1 까치-1 공 시추암편 공극률

까치-1공으로부터 추출된 전체 171개 시추암편 시료의 포화질량(M_b), 건조질량(M_d) 및 건조부피(V_d)의 측정치로부터 식(2)-(7)의 상 관계를 이용하여 각 상의 질량과 부피를 구하였다. 이들로부터 각 시료의 포화밀도(ρ_wet), 건조밀도(ρ_dry), 광물밀도(ρ_min) 및 공극률(n)을 구하였다(표 3). 각 시료는 같은 깊이(10 m 단위)에서 나온 여러 개의 암편으로 구성되어 있으며 크기에 따라 분류하였기 때문에 단일 암종으로 3.35 mm 이상되는 암편이 충분하지 않을 경우 다른 암종이 다소 섞여있을 수 있다. 각 시료의 건조밀도가 가장 작고, 포화밀도, 광물밀도의 순으로 커진다. 광물밀도는 암석의 구성광물과 부피의 비율로부터도 구할 수 있으며, 공극의 크기나 모양과는 관계가 없다(Goodman, 1989). 따라서 광물밀도는 암석의 광물성분만을 반영하며 조암광물의 경우 보통 2.6~3.0 g/cm³의 좁은 범위를 가지기 때문에 측정오차를 가늠할 수 있는 자료로 사용될 수 있다. 본 조사에서는 대부분의 측정치가 이 범위 안에 들고 있어 신뢰도가 상당히 높다고 할 수 있다(그림 4a). 광물밀도의 평균값(μ)은 2.87 g/cm³로 일반적인 해저퇴적물의 평균값(2.74 g/cm³) 보다 약간 크다(Noorany, 1984; ASTM International, 2005). 이로 미루어 광물조성은 약간 염기성을 띄는 것으로 보인다.

Table 3.

Summary of lithologic interval, sample numbers, major lithology, density and porosity of Kachi-1 borehole. MST = mudstone; VOL = volcanics; SST = sandstone.

Fig. 4.

The distribution of the mineral density measured from drill cuttings of (a) Kachi-1 and (b) Inga-1 boreholes. Note that μ is the average density and σ is the standard deviation of data.

그림 5는 깊이와 암종에 따른 각 물성의 변화를 보여준다. 까치-1 공에서의 공극률은 깊이 614 m에 있는 부정합을 경계로 확연히 달라진다(그림 5a). 부정합 상위의 중기 마이오세 지층인 구간 A에서는 공극률이 44.09±3.54%로 매우 높으나 부정합 하위의 백악기 지층에서는 8.65±2.42%로 심도 및 암상 분대와 상관없이 비교적 일정하다. 이는 백악기 지층이 오래 전에 2,000 m 이상의 깊이에서 고결작용으로 암석화 되어 있다가 상부 지층이 삭박된 후 마이오세 지층이 퇴적된 것으로 보인다. 구간 I에서는 현무암이 산출되었으며 공극률이 ~10%로 상위층에 비해 소폭 증가하였고 광물밀도도 ~3.0 g/cm³로 염기성 광물로 구성되었음을 보여준다(표 3). 광물밀도(ρ_min)가 1,500 m 이하 깊이에서부터 서서히 증가하는 것으로 보아 퇴적암의 광물성분이 염기성 광물을 많이 포함하는 것으로 보인다. 백악기 지층에서는 낮은 공극률로 포화밀도(ρ_wet), 건조밀도(ρ_dry), 광물밀도(ρ_min)의 차이가 심하지 않다.

Fig. 5.

Porosity measured from drill cuttings of (a) Kachi-1 and (b) Inga-1 boreholes.

5.2 잉어-1 공 시추암편 공극률

잉어-1공으로부터 추출된 전체 155개 시추암편 시료에서 포화질량(M_b), 건조질량(M_d) 및 건조부피(V_d)로부터 식(2)-(7)에 나타낸 상 관계를 이용하여 각 상의 질량과 부피를 구하였다. 이들로부터 각 시료의 포화밀도(ρ_wet), 건조밀도(ρ_dry), 광물밀도(ρ_min) 및 공극률(n)을 구하였다(표 4). 까치-1 공에서와 마찬가지로 3.35 mm 이상 되는 암편이 최소 3 g 이상이 되어야 하기 때문에 하나의 시료에는 하나 이상의 암종이 섞일 수 있다. 입도와 분급에서 일정하지 않을 수도 있다. 까치-1공과 마찬가지로 광물밀도의 분포가 2.6~3.0 g/cm³ 범위에 있으며 평균값은 2.72 g/cm³으로 보통 해저퇴적물의 평균값(2.74 g/cm³)과 일치한다(그림 4b). 까치-1공의 광물보다는 약간 낮은 범위의 밀도를 보여준다.

Table 4.

Summary of lithologic interval, sample numbers, major lithology, density and porosity of Inga-1 borehole. MST = mudstone; VOL = volcanics; SST = sandstone.

잉어-1 공의 공극률은 깊이에 따라 지수함수로 감소하는 경향을 보여준다(그림 5b). 그 이유는 상위 퇴적층이 두꺼워질수록 높은 하중에 의한 압밀현상 때문이다. 구간 A 상부의 높은 공극률(40~50%)과 구간 F의 두 시료(30~40%), 그리고 구간 B와 K에 있는 화산암을 제외하면 대체로 높은 상관관계를 보여준다(그림 5b). 구간 A 상부의 높은 공극률은 까치-1공의 구간 A와 비슷하며 미고결에 따른 결과로 보인다. 화산암의 공극률은 깊이와 관계없이 9.95±3.02% 정도의 분포를 나타내고 까치-1공의 화산암 공극률과 비슷한 결과를 보여준다. 이암과 사암의 공극률은 각각 15.87±8.99%, 20.92±8.77%로 그 차이는 미미하다(표 4).

수은 공극률 측정기로 측정한 이암의 공극률은 비슷한 깊이에서 상 관계를 이용한 공극률 보다 약 2% 정도 낮게 나왔으며 사암에서는 8% 정도 낮아 차이가 크게 나타났다(그림 6b). 수은 공극률은 암편의 불규칙한 표면에 의한 영향을 보정하기 때문에 상관계를 이용한 공극률보다 작은 값을 나타낸다. 사암의 수은공극률이 더 크게 감소하는 것은 그 표면의 불규칙한 정도가 이암에 비해 더 크기 때문일 가능성이 크다. 2,000 m 깊이 부근에서 몇 개의 사암시료에서 보여주는 높은 공극률(30~40%)은 수은 공극률 측정치로 보아 실험 오차일 가능성이 크다.

Fig. 6.

Porosity variation versus the effective vertical stress (σu′) of (a) Kachi-1 and (b) Inga-1 boreholes. MIP = mercury intrusion porosimeter.

잉어-1 공 시료들의 광물밀도가 약간 분산되기는 하지만 대부분 2.7~2.8 g/cm³ 근처에 모여 있으며 깊이와 암상 분대와 관계없이 거의 일정하다(표 4). 이 값은 규산염 광물로 이루어진 쇄설성 퇴적물의 밀도와 대체로 일치한다. 분산도는 깊이에 따라 감소하는 경향을 보여준다. 이는 깊이에 따라 암석의 고결 정도가 강해 암편이 커지고 시추이수의 영향이 작아져 나타나는 현상으로 보인다. 건조밀도와 포화밀도는 공극을 채우는 공기나 공극수를 포함하기 때문에 공극률이 커질수록 작아진다. 따라서 건조밀도와 포화밀도는 깊이에 따라 증가하는 경향을 보인다.

6. 토 의

6.2 이산화탄소 지중저장 잠재성

6.2.1 군산분지 서소분지

까치-1 공 백악기 지층의 구간별 시추암편 시료의 공극률 평균값은 대개 5.68~10.96% 범위에 있다(표 3). 경상분지에서 이산화탄소 저장지층 탐색을 위해 획득한 심부 시추코어의 공극률 측정 값도 대부분 8% 이하로 낮게 측정되었다(KIGAM, 2014). 낮은 공극률은 압밀 작용과 더불어 분지 심부 화성암 관입에 의한 열적 작용에 기인하는 것으로 여겨진다(Rong et al., 2021). 까치-1 공 시추암편 관찰에 따르면 사암은 화성활동이 활발했던 경상분지 백악기 사암과 유사하게 공극을 채우는 교질물이 잘 발달하여 조직이 치밀한 것이 특징이다. 따라서, 서소분지 백악기 퇴적층은 공극률이 낮고 암석이 비교적 치밀하여 이산화탄소 주입성과 저장용량 측면에서 저장 잠재성이 낮을 것으로 여겨진다.

까치-1 공 시추 위치에서 백악기 지층은 반지구(half-graben)를 충진하였으나, 후기 백악기 이후에 횡압력 작용에 의해 반지구 구조가 역전되면서 백악기 지층이 경계 단층(까치 단층)을 따라 융기하면서 습곡되었다(그림 3a)(Shinn, 2015). 반지구 역전 구조를 형성하고 있는 경계 단층의 하반에 해당되는 동쪽 블록은 횡압력에 의한 구조 변형을 받지 않았다. 이 지역에서는 백악기 지층을 부정합으로 덮고 있는 신생대 지층이 비교적 두껍게 발달하고 있고, 초임계 이산화탄소 지중저장이 가능한 심도에 분포한다(그림 3a). 따라서, 서소분지는 까치-1 공 동쪽의 비변형 구조를 채우고 있는 두꺼운 신생대 지층에 대한 시추와 평가가 필요하다.

6.2.2 군산분지 동소분지

잉어-1 공 전체 시추암편 전체 시료의 평균 공극률은 16.80±9.08%, 사암 시료의 평균 공극률은 20.92±8.77%로 비교적 양호하다(표 4). 구간 A에서부터 F까지 비교적 높은 공극률을 보이고, 구간 G에서부터 공극률이 비교적 낮아지는 경향을 보여준다(그림 5). 가장 하부에 있는 화산암층 구간은 분출 화산암과 화산쇄설성 퇴적물이 복합적으로 퇴적되어 있으며 두께가 최소 1,000 m에 이른다. 이 화산암 복합층은 탄성파 단면에서 뚜렷하게 돌출된 기복을 보이며 상부 경계면을 따라 반사파들이 윗걸침(onlap)하는 배열이 잘 관찰된다(그림 3b). 화산암 복합체의 형성 시기는 최근 전기 백악기로 해석되었고(Kim et al., 2012), 상부에 퇴적된 퇴적층들은 최소 후기 백악기일 가능성이 높다. 상부 퇴적체 구간 H, I, J는 상대적으로 세립질이 우세하고, 공극률이 낮은 것이 특징인데 이는 재동된 화산쇄설성 퇴적물 공급에 의한 영향으로 추정된다. 장기분지 시추코어 속성작용 분석 결과에서도 하부 화산활동의 영향을 받은 지층이 불석화 작용 등에 의해 1차 공극의 감소가 일어난 것으로 보고된 바 있다(Kim et al., 2022). 따라서, 구간 H, I, J는 응회암질 사암이 속성작용을 받아 상대적으로 이산화탄소 지중저장 유망성이 낮을 것으로 여겨진다.

구간 B에서 G에 이르는 구간의 공극률 값은 거의 유사하나 시추 보고서에 따르면 구간 C, E가 비교적 사암이 우세하다. 이번 연구에서 관찰한 시추암편도 구간 C, E에서 비교적 사암이 우세한 것으로 파악되었다(표 4). 구간 F는 이암이 우세한 구간으로 일부 시료의 공극률이 현저하게 높게 측정되었는데 전반적인 공극률 변화 양상을 고려할 때 측정 오차일 가능성이 있다. 현미경 하 관찰에서 사암 시추암편은 전반적으로 유효 공극률이 낮고, 투수도가 불량할 것으로 보고되었다(PEDCO, 1991). 그럼에도 불구하고 공극률, 암상 및 분포 면적을 고려할 때 구간 E가 상대적으로 유망할 것으로 해석된다. 구간 E에 해당되는 지층은 잉어-1 공 위치에서 북쪽 혹은 북북서쪽으로 얕아지는 경향이 뚜렷하여(그림 3b) 동소분지 북부 지역에서 시추를 통해 평가가 가능할 것이다.

전반적으로 낮은 공극률은 잉어-1 공 시추 위치가 분지 경계와 가까워 일차적으로 사암의 조직이 미성숙되었을 가능성이 있으며 이차적으로 심부 화성활동에 의한 속성작용의 영향에 기인하는 것으로 여겨진다. 이러한 점을 고려할 때 분지 경계 단층에서 비교적 멀리 떨어져 있고, 화성활동의 영향이 상대적으로 작을 것으로 여겨지는 동소분지 북부 지역의 사암이 공극률과 사암의 조성이 보다 양호할 것으로 기대된다.

잉어-1 공 지층에서 공극률이 가장 양호한 구간은 A이다. 중기 마이오세 부정합면 바로 아래에 위치하는 퇴적층으로 퇴적 시기는 불명확하다. 화분/포자 화석 연구는 이 구간을 전기 마이오세로 제안하였고(Byun et al., 2013), 개형충 화석 연구는 후기 백악기일 가능성을 제시하였다(KIGAM, 2004). 구간 A의 시추암편은 회색 이암과 분급이 불량한 사암이 우세하며, 이는 까치-1 공의 후기 백악기 구간에 적갈색 이암이 빈번하게 출현하는 것과 대조적이다. 또한 공극률 값의 범위도 까치-1 공에서 나타나는 후기 백악기 시추암편 공극률 값의 범위와 상이하다. 암상이나 공극률의 유사성과 차이로 시대를 유추할 수 없으나, 전기 마이오세 지층일 가능성을 배제하기는 어렵다. 구간 A는 잉어-1 공 위치에서 분포 심도가 낮아 초임계 상의 이산화탄소 지중저장이 어렵다. 또한, 지층이 점진적으로 북쪽 혹은 북서쪽으로 앝아지며 중기 마이오세에 부정합면에 삭박되어 분포 면적이 좁다(그림 7). 따라서, 구간 A는 공극률이 매우 양호하더라도 잉어-1 공이 위치하는 동소분지 남쪽 지역에서는 저장층 구간으로 고려하기 어렵다. 하지만, 동소분지 북부 지역에 구간 A와 대비되는 전기 마이오세 지층이 두껍게 분포한다(그림 7). 이를 고려하면 동소분지 북부 지역에서 구간 A에 해당되는 전기 마이오세 지층에 대한 잠재성 평가가 필요하다. 특히, 기존의 시추공은 전기 마이오세 지층이 삭박되어 없거나 매우 얇은 지역에 위치하고 있어, 추가 시추를 통한 전기 마이오세 지층 평가는 매우 중요하다.

Fig. 7.

Time structure map of the lower boundary of possible early Miocene unit, corresponding to the lower boundary of lithologic interval A of Inga-1 borehole. Note the extensive distribution of the early Miocene unit in the northern part of the East Subbasin. For location of the structural map see Figure 1.

7. 결 론

군산분지 서소분지와 동소분지에서 각각 시추한 까치-1, 잉어-1 공의 시추암편을 이용하여 심도별 공극 특성과 암상을 종합적으로 평가하였다. 서소분지 까치-1 공에서 획득한 백악기 지층은 평균 공극률이 8.65±2.42%로 낮아 유망 저장층을 기대하기 어렵다. 하지만, 백악기 지층이 구조 역전을 겪으면서 동시에 형성된 제3기 지층이 까치-1 공 동쪽에 넓게 분포하고 있어 이에 대한 잠재성 평가가 필요하다. 동소분지 잉어-1 공의 주요 퇴적층은 최하부 전기 백악기 화산암 복합체를 덮고 있고 상부 퇴적층 구간에 대해서는 현재까지 지질 시대 구분이 정립되지 않았다. 중기 마이오세 부정합면 직하에 분포하는 지층 구간 A는 평균 공극률이 36.98%로 매우 양호하나 분포 심도가 낮아서 잉어-1 공 주변 지역에서는 저장층으로 기대하기 어렵다. 하지만, 이와 대비되는 지층이 동소분지 북부 지역의 적정 심도에 넓게 분포할 가능성이 있어 추가 시추가 필요하다. 하부 지층 구간에서는 지층 구간 E가 상대적으로 공극률이 양호하고 사암이 우세하다. 잉어-1 공에서 지층 구간 E는 두께가 약 192 m 이며 동소분지 북부 지역으로 가면서 점차 얕아 진다. 잉어-1 공은 분지 경계 단층 인근에 위치하고, 두꺼운 화산암이 하부에 분포하고 있어 지층 구간 E를 비롯한 퇴적층 구간에서 사암의 성숙도와 공극률이 불량한 것으로 해석되며, 동소분지 북부 지역에서 동 구간의 사암 성숙도와 품질이 양호할 것으로 기대된다.

Acknowledgments

이 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행한 “CO₂ 지중저장 안전성 확보 기술개발(20212010200020)” 사업의 연구결과 중 일부임을 밝히며, 연구비 지원에 감사드립니다. 또한, 이 연구는 2021학년도 한국해양대학교 신진교수 정착연구지원사업 연구비의 지원을 받아 수행된 연구임을 밝힙니다. 논문의 심사과정에서 많은 조언을 통해 논문의 질적 향상에 도움을 주신 익명의 심사자들께 감사드립니다.

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