동해 울릉 배호 분지 남부 대륙붕의 석유 탐사 가이드
고재홍1)* · 윤준일2)
Petroleum Exploration Guide for the Southern Shelf of the Ulleung Back-Arc Basin, East Sea, Korea
Jaehong Ko
*
and Junil Yoon(Received 7 June 2016; Final version Received 1 August 2016; Accepted 18 August 2016)
Abstract : The Ulleung Basin was formed as a result of extension in Miocene behind the island-arc with the Japan and Yamato basins. The southern shelf of the basin was constructed by stacked prograding deltaic sequences over 10 km in thickness. Three depositional sequences, separated by unconformities of 12.5 and 6.3 Ma, portray the major transgressive-regressive-transgressive cycles of the back-arc. Each cycle corresponds to opening and continuous subsidence, destruction of back-arc due to compression, and post-closure regional subsidence, respectively. Source rock is not confirmed yet, but deep water facies and prodeltaic shales in the lower sequences are potential candidates.
Sandstones of good porosity are widespread as delta front and plain sands of shelfal sequences. Deep water turbiditic sandstones also frequently have good reservoir quality. Transgressive and prodeltaic shales provide seal. Structural traps are along NE-SW and N-S folds. Numerous geophysical anomalies indicative of hydrocarbon presence are common in deeper sections of the basin.
Key words : Ulleung back-arc, Southern shelf basin, Petroleum geology, Geophysical amomalies
요 약 : 울릉 분지는 일본 분지, 야마토 분지와 더불어 마이오세 화산호 배후에서 확장에 의해 형성된 배호 분지이다. 울릉 분지 남부 대륙붕은 전진 구축하는 삼각주 퇴적층이 해침 ․ 퇴로 겹겹이, 두께 10 km 이상으로 쌓여 조성되었다. 층서는 12.5 Ma와 6.3 Ma 부정합면으로 구분되는 3개의 순차층군으로 구성된다. 하부 층군은 동해가 열리고 지속적인 침강으로 해침 우세 환경에서 퇴적되고, 12.5 Ma 남부에 습곡-단층대를 형성시킨 압축 구조 운동으로 해퇴 우세로 바뀌는 대변화가 일어났으며, 6.3 Ma 부정합면을 경계로 융기 지역들이 평탄화되고, 침강하면서 해진 우세 환경으로 되돌아가게 된다. 근원암은 확실치 않으나 하부의 분지 퇴적상 및 전 삼각주 셰일이 유력하다. 삼각주 전면 및 평원에서 퇴적된 공극률이 양호한 사암이 대륙붕 경사층형의 표면층으로 널리 분포하여 저류암을 형성한다. 심해에서 퇴적된 저탁류에도 저류에 적합한 사암의 빈도가 높다. 덮개암은 해침성 셰일과 전 삼각주 셰일이다. 탄화수소의 트랩은 북동-남서 및 남-북 방향의 습곡이 구성한다. 분지의 심부에서 석유 부존을 지시하는 지구물리적 이상이 흔하게 관찰된다.
주요어 : 울릉 배호 분지, 남부 대륙붕, 석유 지질, 지구물리적 이상
1) 한국지질자원연구원 석유해저연구본부
2) 한국가스공사 자원기술연구센터
*Corresponding Author(고재홍) E-mail; [email protected]
Address; Petroleum and Marine Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, 124 Gwahang-no, Yuseong-gu, Daejeon, 34132, Korea
서 론
울릉 분지는 현재 우리나라 유일의 산유 분지이다. 울릉 분지의 석유 개발은 1968년 미국 해군성과 유엔 산하
ECAFE(Econonmic Commission for Asia and the Far East; 현재 ESCAP, Economic and Social Commision for Asia and the Pacific) 의 한 ․ 중 ․ 일 주변해역에 대한 지구물 리 조사(Emery et al., 1969; Wageman et al., 1970)를 계기 로, 석유부존 가능성이 제기되면서 시작되었다. 1970년 ｢해 저광물자원개발법｣이 제정되고 울릉 분지 남부 대륙붕에 6 광구가 설정되어, Shell 사가 조광권을 확보하고 1972년 돌 고래 I 공을 시추하여 유징은 발견하였으나 이후 조광권을 포기하고 철수하였다.
1980 년대 이후 한국석유공사가 탐사를 주도하여 1998
년 가채 매장량 ～200 Bcf의 소규모 가스전 발견이 있었으
해 설
Fig. 1. 3-D submarine topography of the East Sea, Korea and its surroundings. Dashed lines in the index map represent inferred spreading axes of the Japan, Yamato, and Ulleung basins, respectively (Hilde and Wageman, 1973).
나, 분지 규모에 비해 성과가 미흡하였다. 최근 호주 Woodside 사와 석유공사가 인근 8 광구에서 공동 탐사 및 시추를 수행하고, 대우인터내셔널이 고래 I 구조를 재시추 하는 등, 석유 개발에 새로운 전기를 맞는 듯 하였으나 실망 스러운 결과와 최근의 저유가로 인하여 탐사 및 개발 사업 이 답보 상태이다.
울릉 분지에는 두께 4 km 이상의 퇴적층이 광범위하게 분포하고, 특히 남부 대륙붕 대부분은 두께 10 km 이상의 퇴적층을 포함하며(Chough and Barg, 1987; Lee et al., 2001), 동해-1 가스전으로 증명된 석유 시스템의 존재, 거 의 모든 시추공에서 확인된 유징, 흔하게 관찰되는 진폭 이 상과 편평 반사 등의 직접적 탄화수소 지시자(D.H.I., Direct Hydrocarbon Indicator) 등이 보다 풍부한 석유 부존을 기 대하게 한다(Ko and Yoon, 2010, 2011), 지금까지의 지지 부진한 실적은 울릉분지의 지체 구조, 분지 형성, 발달, 퇴 적, 층서 및 석유 지질에 대한 통섭적 이해 부족에 일부 기인 한 것으로 사료된다.
이 논문은 울릉 분지의 지질을 종합 ․ 분석적으로 고찰하 여 분지 전역에 적용이 가능한 일관성 있는 석유 탐사 지침 을 제공하고자 한다. 이 논문이 향후 울릉 분지의 효과적인 탐사 ․ 개발 사업 추진을 위한 실용적인 안내서로 활용되기 를 기원한다.
지리 및 지형
울릉 분지는 일본 분지, 야마토 분지와 더불어 동해의 심 부를 형성하는 북동～남서 방향의 3대 주축을 구성한다 (Hilde and Wageman, 1973)(Fig. 1). 수심 2,000～2,500 m 의 울릉 분지와 야마토 분지는 한국 대지(Korea Plateau), 울릉 대지, Yamato Ridge 등 얕은 수심에 위치한 육괴 조각 들(continental fragments)에 의해 깊은 일본 분지(수심 3,000 ～3,700 m)와 분리되고, 울릉 분지와 야마토 분지는 Oki Bank 에 의해 나뉜다. 울릉 분지의 서쪽은 폭 25 km의 좁은 대륙붕과 급한 경사(>6°)의 사면이 위치하고, 남쪽과 동쪽은 대한해협과 일본 연안으로부터 연장된 대륙붕과 완 만한 사면이 넓게 분포하며, 분지의 중심부는 울릉도, 독도 및 해저 화산대 인근을 제외하고는 비교적 평탄하고 북쪽 으로 완만하게 경사하는 평원이다.
울릉 분지 남부 대륙붕은 완만한 경사(<1°)의 평탄한 지
역으로, 붕단이 수심 약 150 m에 위치하며 심해 쪽으로 오
목한 형태를 띤다. 대륙붕에는 동중국해와 동해를 연결하
는 남서-북동 방향의 대한 해협이 주변 지형을 지배한다. 대
한 해협은 폭 200 km의 얕은 수도로 대마도에 의해 서수도
(Western Channel) 와 동수도(쓰시마 해협)으로 나뉘는데,
서수도 지역은 경사가 상대적으로 급하고 최대 수심이 227
m 에 달하며, 동수도 지역은 수심이 100 m 내외로서 폭이
넓고 완만하다(Park et al., 2000).
Fig. 2. Drilled prospects and results in the southern shelf of the Ulleung Basin (KNOC, 2005). Red line represents boundary of the block 6-1, and blue contours represent bathymetry.
울릉 분지는 중위도에 위치하여 온대성 기후대에 속하 며, 지구에서 가장 큰 대륙과 대양 사이에 위치하여 계절적 으로 독특한 양상을 보인다. 겨울에는 아시아 대륙의 한랭 한 고기압이 우세하여 북서풍이 강하게 불고, 여름에는 고 온 다습한 북태평양 고기압의 영향으로 무덥고 비가 많이 오며, 봄과 가을에는 이동성 고기압이 발달하여 대체로 맑 고 건조하다(Englebretson and Gilmore, 1988; Dorman et al., 2004; Dorman et al., 2005). 태풍은 북태평양 서부에서 연중 평균 26회 발생하며, 이중 약 3개 정도가 울릉 분지에 직 ․ 간접적 영향을 미친다. 남부 대륙붕의 연 평균기온은 15°C 이며, 여름 평균기온은 20°C 내외이고, 가장 추운 1월 에도 쿠로시오 해류의 영향으로 평균 5°C 이상이다.
탐사연혁
1970 년 울릉 분지와 남해 대륙붕 일부에 6 광구가 획정 된 이후, 조광권을 확보한 Shell 사가 1970/71년 총 5,193 L-km 에 달하는 탄성파 자료를 취득하고, 1972/73년 돌고 래 I 구조를 시추하여 다중 구간에서 가스 징후를 포착하였 으나, 1976년 조광권을 포기하고 철수하였다(Fig. 2).
1978 년 울릉분지 남부 대륙붕은 6-1 단독 광구(면적 12,918 km
2) 로 분리되었으며, 1979년 한국석유공사가 설 립되어 자주적 탐사를 착수하였다. 1983년 2,838 L-km의 탄성파 탐사를 실시하고, 1984년 국적 시추선 두성호를 건 조하여, 1987년 돌고래 III 공을 시추하였다. 1,259～1,370 m 구간에서 생산성 산출시험을 통해 가스 유동을 확인하고, 1988 년 2개의 평가정(돌고래 III-1, 2)을 시추하였으나 건
공으로 판명되어 발견으로 이어지지는 못하였다(KNOC, 2005).
1988 년 돌고래 II공으로부터, 1989/90년 돌고래 V, V-1공, 1990 년 돌고래 VI공(유정 분발로 시추 중단), 1990/91년 돌 고래 VII공까지 6-1 광구 남동부 돌고래 구조대(충상 ․ 주향 이동 단층 및 습곡에 의한 변형지대)에서 집중적인 시추가 이 루어졌으나 경제성 있는 유․ 가스전의 발견에는 실패하였다.
1992 년 미시추 지역이던 광구 북서부 비변형 지대에 대 한 2,824 L-km의 정밀 탄성파 탐사를 실시하고, 1993년 고 래-I 구조를 시추하여 천연가스 5.5 MMcf/일, 컨덴세이트 70 배럴/일 산출이 확인되었으나, 1994/95년 2개의 평가정 ( 고래 I-1, 2)으로 확인 결과 치밀하고 경제성이 없었다(<50 Bcf).
1996/97 년에는 실질적인 탐사 활동을 잠정 중단하고 기 존 탐사자료에 대한 종합기술평가를 실시하여 실패 원인을 분석하고, 1997년 만료되는 탐사권을 2005년까지로 연장 하여 중장기 탐사계획을 수립하고 탐사를 재개하였다.
1998 년 고래-V 구조를 새로운 시추대상으로 선정하고
2,637 m 를 굴착하여 심도 2,300～2,500 m 구간에서 75
MMcf/ 일의 천연가스와 1,000 배럴/일의 컨덴세이트를 산
출하는 양질의 저류층을 발견하고, 1999년 평가시추 3공
( 고래 V-1, 2, 3)을 실시하여 가채매장량 200 Bcf를 확인하
였다. 2000년 고래-V 구조를 동해-1 가스전으로 명명하고
본격적인 개발에 착수하여 2002년 생산정 3 공(동해-1-1P,
2P, 3P) 을 유정완결하고 2004년부터 생산에 들어가 50
MMcf/ 일의 천연가스 및 1,000 배럴/일의 컨덴세이트를 생
산하고 있다(Ryu, 2005). 2003년 생산정 시추 중 기존 저류
Fig. 3. Mechanisms of back-arc formation (Tamaki and Honza, 1991).
층 하부에서 발견된 가스층(B5 층)에 대한 평가 시추(고래 V-4) 를 실시하여 50 Bcf의 가채매장량을 추가로 확보하였다.
2002 년 소량의 가스가 산출됐던 돌고래 II 구조(돌고래 IIA-1X) 를 재시추하였으나 발견에 실패하고, 2003년 고래 -VII 구조를 시작으로 2005/06년 고래 지역의 5개 유망 구 조(VIII, IX, XI, XII, XIV)에 대한 집중적인 시추가 실시되 었으나, 고래-VIII와 XIV 구조에서 각각 40 Bcf, 10 Bcf의 매장량을 추가하는데 그쳤다.
2006 년 6-1 광구 북쪽 심해 지역으로 8 광구(면적 8,481 km
2) 가 신설되고, 2007년 한국석유공사와 호주 Woodside 사가 공동 탐사에 착수하여, 2012년 주작 구조를 시추하였 으나 실패하고 재평가 중이다. 한편 2014/15년 대우인터내 셔널이 고래 I 구조을 재시추(고래-D공)하였으나, 과거 시 추 결과를 다시 확인하는 수준으로 개발은 어려워 보인다.
지체구조
울릉 분지는 태평양 판의 섭입으로 형성된 화산 섬들과 부가복합체로 이루어진 일본 열도 배후에서 일본 분지, 야 마토 분지와 더불어 동해를 구성하는 배호 분지이다. 배호 분지는 판들이 수렴하여 압축력이 주도하는 경계부에서 모 순적으로 작용하는 신장력에 의해 형성되는데, 태평양 서 부 섭입대를 따라 집중적으로 발달하며, 열개와 해저 확장 이 돌연, 일시적(episodic and short-lived) 양상을 보인다.
배호 분지의 형성 기구로 해양 판의 후퇴 또는 섭입 각의 변
화로 야기된 해구 틈에서의 흡인, 섭입대에 고착된 상부 판 의 후진에 따른 분리, 섭입에 의해 유도된 맨틀 대류 또는 연 약권의 상승 작용에 의한 지각의 약화 등이 제시되었다 (Karig, 1971; Uyeda and Kanamori, 1979; Tamaki and Honza, 1991; Martinez et al., 2007)(Fig. 3). 동해의 배호 분지에 대해서 인도 판의 충돌로 파생된 주향이동 단층에 의한 인리형 분지 (Lallemand and Jolivet, 1986; Yoon and Chough, 1995; Yoon et al., 1997), 일본 열도의 부채꼴 회 전 이론(Otofuji et al., 1985; Otofuji, 1996) 등이 추가적으 로 거론되기도 하였다.
울릉 분지의 형성 시기가 언제인지, 울릉 분지가 일본 분 지, 야마토 분지와 동시 또는 선후 관계로 형성되었는지, 해 저 확장 단계에 이르렀었는지 불분명하다. 일본 분지에서 해양 지각의 특징적인 자기 이상 패턴이 발견되었으나 (Isezaki and Uyeda, 1973; Isezaki, 1975), 지자기 역전 시기 와의 확실한 대비는 이루어지지 못했다. Hilde와 Wageman (1973) 은 일본 분지와 울릉 분지가 먼저 발달하고, 야마토 분지가 나중에 형성된 것으로 추정하였으나(Fig. 1의 색인 도 참조), 해저지각 시추 프로그램(Ocean Drilling Program, ODP) 에 의해 일본 분지와 야마토 분지는 기반암 연대가 각 각 17～24 Ma, 18～21 Ma로 거의 동시대로 측정되며 (Kaneoka et al., 1992), 따라서 울릉 분지 기반암의 측정치 는 아직 없으나 이와 비슷할 것으로 추정된다. 일본 분지의 지각은 두께 8 km(2 km 두께의 퇴적층 포함)의 전형적인 해양 지각이며(Ludwig et al., 1975; Hirata et al., 1989), 야 마토 분지와 울릉 분지의 지각은 두께 14 km로 신장으로 얇 아진 대륙 지각 또는 마그마의 하부 부착(underplating)에 의해 두꺼워진 해양 지각으로 해석된다(Hirata et al., 1989;
Shinohara et al., 1992; Kim et al., 1998; Nakahigashi et al., 2013).
동해 배호 분지가 본격적으로 열린 마이오세 초 ․ 중기에 북동 일본 해안과 평행한 Okushiri 및 Sado 요철대(ridge and trough), 일본 중앙을 가로 지르는 Fossa Magna 분지, 한반도 동해안의 포항 분지, 길주 ․ 명천 분지 등이 동시적 으로 발달하였는데(Tamaki, 1988), 일본, 야마토 및 울릉 분지와의 시 ․ 공간적 연계 관계는 확실치 않다. 또한 활발 한 화산 활동으로 일본 서해안을 따라 녹색 응회암 지대가 발달하고, 한반도 남동부 해안에 현무암 및 석영안산암질 응회암(장기 층군)이 분포하는데, 그 성인이 열개, 아크 또 는 배호성 화산 작용에 의한 것인지는 아직 불분명하다.
배호 분지 형성 중 일본 남서 및 북동 블록이 회전하고,
필리핀 해양판이 섭입하면서 Izu-Bonin 등 호상열도가 충
돌하는데, 정확한 시기 및 상호적 영향에 대해서는 아직 일
치된 의견이 없다. 일본 남서 블록은 15 Ma 쯤에 갑작스럽
게 시계 방향으로 약 45° 회전하고, 북동 블록은 22 Ma부터
Fig. 4. Stratigraphy of the Ulleung shelf, Korea (Compiled after Minami, 1979; ExploiTech, 1989; Chough et al., 1997;
Yoon et al, 2002, 2003; Lee et al., 2004, 2011).
Fig. 5. SW-NE seismic profile across the Ulleng shelf and stratigraphic sequences (Modified after Lee et al., 2011).
15 Ma 에 걸쳐 반 시계 방향으로 40° 가량 회전하였는데 (Otofuji, 1996), 동해 배호 분지의 직접적 형성 기작인지, 아니라면 배호 분지 및 주변의 구조 및 퇴적 과정에 어떻게 투영되었는지 알아볼 필요가 있다.
필리핀 판은 서 필리핀 분지, Parece Vela 분지, Shikoku 분지, Mariana 곡분 등의 배호 분지와 Palau-Kyushu, Izu- Bonin, Mariana arc 등의 호상 열도로 이루어졌다(Hilde et al., 1977; Hall et al, 1995a, b; Deschamps and Lallemand, 2002; Sdrolias et al., 2004). 필리핀 판은 생긴지 얼마 안되 어 고온으로, 저온의 태평양 판과 달리 부력이 커서 상부 판 에 밀착하여 섭입하고 화산호들이 충돌하면서, 일본 열도 의 굴절, 조산, 회전, 융기 및 화산 활동 등 지체 구조에 많은 변화를 야기했을 것으로 추정되나, 시기 및 공간적 연계를 확정할 수 있는 연구가 아직 부족하다. 또한 동해 배호 분지 의 확장 축 방향이 동서 방향으로 태평양 판의 섭입으로 형 성된 화산호 및 해구의 배치에서 예상되는 방향과 일치하 지 않고, 비슷한 시기에 발달했던 Shikoku 및 Parece Vela 분지의 남북 방향과 다른데 어떻게 조화될 수 있었는지도 향후 연구 대상이다.
층 서
1970 년대 동해와 남해에서 한국과 일본의 조광권을 획
득하여 탐사를 수행했던 Shell 사는 울릉 분지 남부 대륙붕
35°30’N
35°20’N
Fig. 6. Shelf margin trajectory in the Ulleung shelf (Chough et al., 1997).
의 퇴적 층서를 D, K, N, X 층으로 구분하였다(Minami, 1979) (Fig. 4). 이중 최상위 D 층은 광역 부정합면에 의해 하부 층들과 구분되는데, 특히 남부에서 충상 단층과 습곡 으로 변형을 받은 마이오 세 이전 하부 층들이 평탄하게 놓 인 D 층과 확연히 구별된다. K 층은 마이오세 중기(Martin- ottiella communis 대; Blow zones ±N11～15) 압축 구조 운동으로 수심이 얕아지는 해퇴(sensu Embry, 1993) 기에 퇴적되었으며, 남부에서는 대부분 삭박되어 결층된다. N 층은 마이오세 초기로부터 중기(Cyclammina japonica 대;
Blow zones ±N4 ～N10)에 분지가 확장되고 침강하면서 해침과 점차적으로 깊어지는 환경에서 매우 두껍게 쌓인 울릉 분지의 주 퇴적층으로 포항 지역의 연일 층군에 대비 되었다. X 층은 열개 초기 단층에 의해 형성된 소규모 지구 (graben) 들을 충진하는 육성 쇄설암 및 화산암으로 분지 남 서주변부에 제한적으로 분포하며(Shin et al., 1997), 장기 층군에 대비되었다.
1980 년대 이후 순차 층서 개념이 적용된 울릉 분지의 새 로운 층서 체계가 확립되었다(ExploiTech, 1989). Exploi- Tech 은 탄성파 단면에서 해수면 하강시 삭박 또는 하도 침 식으로 형성된 부정합면과 그 연장에 있는 면을 식별하여 이를 순차 층서 경계면으로 삼고, 전 지구적 해수면 승강 곡 선에 대비하여 각 경계면의 연대를 지정하였다. D 층 하부 광역 부정합면은 생층서를 참고하여 6.3 Ma, 그 하부의 부 정합면들을 차례로 8.2, 10.5, 12.5, 13.8, 15.5, 16.5, 17.5 Ma 의 최대 해수면 하강기와 대비하였다(Fig. 4, 5).
17.5 Ma 이전은 깊이에 따른 탄성파 해상도 저하로 의미 있는 구분은 쉽지 않으나. 붕단이 발달한 대륙붕이 형성되 기 이전으로, 분지 초창기의 선상지 삼각주(fan delta), 심해 선상지(deep sea fan) 및 셰일 등이 주요 퇴적상을 구성하여
(cf. 연일 층군; Hwang et al., 1995) 하부를 두껍게 충진하 고 있을 것으로 예상된다.
17.5 Ma 이후 침강이 완화되고 퇴적면의 경사가 완만해 지면서 대륙붕이 확립되어, 표면층(topset), 전면층(foreset), 밑면층(bottomset)으로 이루어진 역 S자(sigmoid) 형태의 경사층형(clinoform) 퇴적체가 전진 구축(progradation)과 매적(aggradation)으로 분지를 채워나간다(Chough et al., 1997)(Fig. 6). 17.5 ～16.5 Ma 동안은 급속한 전진 구축으 로 붕단이 북동쪽으로 20 km 이동한다. 16.5～15.5 Ma 동 안은 퇴적물 유입이 줄어들면서 매적이 우세해진다. 15.5
～13.8 Ma 동안 대륙붕단이 뚜렷한 전진 구축 없이 10 km 정도 동쪽으로 이동하는데, 이는 삼각주 퇴적 중심(deltaic lobe) 의 횡적 이동에 의한 것으로 보인다. 13.8～12.5 Ma 동안은 매적 위주로 퇴적되고, 이후 11.6 Ma 해침기까지 붕 단의 위치가 거의 변하지 않는다. 11.6 Ma부터 10.5 Ma 까 지 붕단이 급속히 전진하면서 북동으로 20 km 가량 이동하 고, 밑면층들이 습곡을 받은 12.5 Ma 순차 층서 경계면에 아래(downlap) 또는 사면 걸침(onlap)한다. 10.5 Ma 이후 6.3 Ma 까지는 붕단의 전진이 늦춰지고 매적이 우세해지 나, 연안과 대륙붕은 침식으로 평탄화되며 층후가 별로 늘 지 않는다.
6.3 Ma 붕단이 갑작스럽게 북동쪽으로 9 km 가량 이동 하는데 전진 구축은 수반하지 않는다. 이후 대륙붕 전체가 잠겨서 천해 환경으로 바뀌게 되고, 붕단 가까이 침식곡 (incised valley) 이 발달한 해진 우세(transgressive; sensu Embry, 1993) 시스템이 강과 삼각주에 의한 퇴적을 대신하 게 된다. 3.8 Ma 무렵 동서 방향의 압축으로 고래 구조를 형 성한 남북 방향의 완만한 습곡들이 발달하고, 앞서 12.5 Ma 의 압축 구조 운동으로 형성된 돌고래 구조대는 습곡이 치 밀(tight)해지고, 충상단층 블록이 솟아올라(pop up) 지루 를 형성한다. 3.8 Ma 이후 침강과 해수면 상승으로 수심이 점차 깊어지고 대형 하천과 연결이 단절되면서 퇴적물 유 입이 줄어들어 판상의 얇은 대륙붕 퇴적층이 사면 걸침으 로 매적되었다.
퇴적 환경
울릉 분지 남부 대륙붕은 하천과 범람원으로 이루어진
연안 평원으로부터 삼각주를 구성하는 평원, 전면, 전 삼각
주와 심해의 해저 선상지로 이어지는 경사층형(clinoform)
퇴적체가 배호 분지 주변부에서 축적 ․ 침강하면서 점진적
으로 형성된 지체이다(Fig. 5). 울릉 분지의 삼각주는 붕단
형(shelf margin delta)으로(Sneider, 2003), 연안 평원과 삼
각주 평원이 완만한 경사의 대륙붕 상에, 삼각주 전면과 전
삼각주가 각각 붕단과 사면 상부에, 해저 선상지가 사면 하
Fig. 7. Depositional system model, facies environments and corresponding gamma log characteristics for the Ulleung Shelf Basin.
부 및 분지저 평원에 분포한다(Fig. 7).
연안 평원은 15.5～6.3 Ma 사이 순차층의 서부에서 잘 나타나는데, 탄성파 반사는 연속성이 불량하고 약한 진폭 과 짧은 주기가 특징이며, 감마 검층은 들쑥날쑥한 양상을 보인다.
삼각주 평원은 조석의 영향을 받는 지역으로 분류 채널 (distributary channel) 과 채널 사이에 늪지(marsh), 소택지 (swamp), 만(bay) 등이 발달하는 환경으로, 연속성이 좋은 강한 진폭의 평행한 탄성파 반사 특성을 보이고, 감마 검층 에서는 분류 채널의 이동에 기인한 상향 세립화가 반복하 는 양상으로 나타나며, 분류 채널은 셰일로 충진되어 있다.
삼각주 전면은 하천에 의해 운반된 소류사(bed load)의 퇴적이 집중되는 간조와 정상 파도저면(fair weather wave base) 사이의 해양 환경으로 최상의 저류층을 형성한다. 탄 성파 단면에서는 삼각주 평원으로부터 연속된 반사층의 끝 단 부분을 구성하고, 감마 검층에서는 전진 구축으로 상향 조립화가 반복하는 양상으로 나타난다.
전 삼각주는 붕단 너머 주로 셰일이 퇴적되고 가끔 폭풍 으로 조립질 퇴적물이 유입되는 사면 환경으로, 탄성파 강 도(reflection strength)가 급격하게 약해지고, 감마 검층은 두꺼운 셰일에 얇은 세립질의 폭풍 퇴적층이 끼인 형태로 단조롭다.
해저 선상지는 저탁류로 퇴적된 사암과 셰일이 비교적 두꺼운 두께로 교호하여, 감마 검층은 사암과 셰일 구간이
큰 진폭으로 반복되며, 탄성파 반사는 빈도가 줄어들고 강 도가 약하다. 구조 운동으로 융기한 돌고래 구조들의 시추 공에서 깊은 수심을 지시하는 저서성 유공충 등을 통해 퇴 적 환경이 확인된다.
구 조
대륙붕은 구조적으로 돌고래 지역으로 알려진 충상 단 층-습곡대로 이루어진 남동부와 그 전면에 구조 운동의 영 향을 덜 받은 고래 지역으로 구분된다(Fig. 8). 충상 단층의 주향과 습곡 축은 북동-남서 방향으로, 북서-남동 방향의 압축 응력이 작용했던 것으로 보인다. 시기는 습곡으로 형 성된 돌고래 I 구조에 아래 또는 사면 걸침하는 순차층들과 의 선후 관계로부터 12.5 Ma 이후로 추정되는데(Fig. 5), Izu-Bonin Arc 의 충돌과 연관된 것으로 해석된다(Chough and Barg, 1987). 또한 돌고래 지역에 돌출(pop-up) 구조가 존재하는데, 플라이오세 남북 방향의 습곡을 형성시킨 동 서 방향의 압축 응력이 북동-남서 방향의 스러스트 블록에 렌치(wrench) 형태로 작용한 결과로 해석된다.
고래 지역에는 북동-남서 방향의 습곡과 남북 방향의 완
만한 습곡이 발달하는데, 북동-남서 방향의 습곡은 충상 단
층-습곡대와 동 시기에 형성되었고, 남북 방향의 습곡은 돌
고래 지역을 포함한 대륙붕 전역이 평탄화된 6.3 Ma 이후
에 형성되었다.
Fig. 8. Major geologic structures in the Ulleung shelf (Compiled after Minami, 1979; Chough et al., 1997; Yoon et al., 2003).
석유지질
근원암
울릉 분지 남부 대륙붕에서는 가스/콘덴세이트가 생산 되고, 대부분의 시추에서 가스 징후가 확인되며, 천부 가스 가 시추 위험 요소로 작용하고, 해저면에 다수의 폭(pock) 마크를 형성하는 등 풍부한 가스의 생성 및 유출을 시사하 는 증거들이 상당히 많다.
동해 가스전에서 산출되는 가스는 탄화수소가 92～
98% 를 차지하고, 이산화탄소를 소량(0～1.75%) 포함하 며(Lee et al., 2005), 탄화수소 중 메탄 성분이 89 mol%인 건성 가스(dry gas)이다(Kwon et al., 2001). 콘덴세이트는 C
5～C
10성분이 주를 이루고, C
20이상은 매우 적은 API 비중 51 ～53°의 경질이다(Lee et al., 2005). 생물지표(biomarker) 는 프리스탄(C
19)/ 피탄(C
20) 비(pristane/phytane ratio, Pr/Ph) 가 6.5～6.7로 매우 높고, 올레아네인 지수(oleanane/C
30hopane) 도 38～45%로 높게 나타나 육상 식물로부터 유래 되었음을 지시한다. 스테란 분포 역시 C
27과 C
28에 비해 C
29이성체가 우세하여(29～35-21～24-44～47), 육상 기원 을 확인한다. 메탄의 탄소동위원소 값(δ
13Cmethane) 은 –32
～–36‰로 높은 수준(>150°C)의 열적 속성을 지시한다 (Schoell, 1983).
울릉 분지에서는 아직까지 확실한 근원암이 알려져 있 지 않다. 시추 심도내 셰일 시료의 유기물 함량은 대부분 1% 미만으로 매우 빈약하다(Lee and Son, 2007; Son and
Park, 2013). 유기물 유형은 대부분 수소지수가 200 mg HC/g TOC 이하로 매우 낮은 Type III이고, 일부 해성 기원 의 Type II를 포함한다. 유기물의 열적 성숙도는 고래 지역 에서 석유 생성 상한 심도(Ro≥0.6%, Tmax≥435°C)가 2,500 m 이상으로(Cheong et al., 2004), 40°C/100 m를 웃 도는 높은 지온구배에도 불구하고 깊은 편이다(Fig. 9). 반 면에 구조운동으로 융기된 돌고래 지역에서는 석유 생성 상한이 고래 지역에 비해 얕은데, 일부 지역에서는 800 m 부근까지 올라와 있으며, 습성가스 생성대에 2,000 m 부근 에서 도달하고, 약 2,450 m에서 건성가스 생성대에 진입해 있다(e.g. 돌고래 V).
울릉 분지에서의 석유 생성은 배호 분지 형성 초기의 빠 른 매몰(～700 m/m.y.; Chough and Barg, 1989)과 높은 지 온 구배로, 근원지로 추정되는 분지의 하부에서는 마이오 세 전기(16 Ma 이전)에 시작되었으며, ～18 Ma 이전의 근 원암은 이미 건성 가스 단계에 진입해 있을 것으로 보인다 (Lee and Kim, 2002; Lee et al., 2004)(Fig. 10).
저류암
울릉 분지 남부 대륙붕에서 저류층은 삼각주 전면에서
퇴적된 사암과 대륙 사면 및 심해저에서 퇴적된 저탁류 사
암에 주로 발달한다. 고래 I 구조 및 동해 가스전에서 저류
층을 구성하는 삼각주 전면 사암은 탄성파 단면에서 전 삼
각주에서 퇴적된 셰일과 대륙붕단을 경계로 확연히 구분되
고, 물리검층에서는 상향 조립화하는 층들이 전진 구축으
Fig. 10. Burial history, thermal maturation, and hydrocarbon generation model for Dolgorae I in the Ulleung Shelf Basin (Lee and Kim, 2002).
Fig. 9. Variation of rock-eval Tmax and vitrinite reflectance with depth in the Ulleung Shelf Basin (Cheong et al., 2004).
로 겹겹이 쌓인 형태를 보인다. 삼각주 전면은 저조위(low tide) 와 정상 파도저면(fair weather wave base) 사이의 내 해안(shoreface) 환경으로, 강과 해양의 상호 작용으로 분 급이 좋고 공극률이 높은 사암이 발달할 수 있는 최적의 조 건을 제공한다. 저류 사암은 세립 내지 중립질로, 분급은 보 통 정도이고, 헬륨 가스 공극률과 투과도는 각각 8～17%, 0.3 ～120 md이다(KIGAM, 2002). 공극률은 속성에 따른
교결 효과 보다 분급에 따른 퇴적 당시 점토 함량이 좌우하 는 것으로 보인다(Keehm and Hu, 2008).
돌고래 지역은 상대적으로 수심이 깊은 환경에서 반원 양성 점토질 입자(hemipelagic mud)와 중력류의 퇴적으로 사암과 셰일이 교호하여 평행한 탄성파 반사면을 보이며, 대부분 시추공에서 유징 또는 석유 ․ 가스 유동이 확인된다.
저류 사암은 세립 내지 극세립질이며, 헬륨 가스 공극률은 9 ～35%로 고래 구조들에 비해 양호한 편이나, 투과도는 0.2 ～24 md로 불량하다.
덮개암
울릉 분지 대륙붕은 해수면 변동이 빈번하여 해침성 셰 일이 반복적으로 퇴적하여 광역적 덮개를 형성하고, 국지 적으로는 삼각주 평원의 고수로를 채우는 세립질 암석이 고래 구조 등에서 일부 덮개로 작용한다. 고(paleo) 대륙사 면에서는 두꺼운 전 삼각주 셰일이 우수한 덮개를 형성하 여 도처에서 관찰되는 과압 현상을 야기한다. 심해저에서 퇴적된 저탁류 사암에 대해서는 협재하는 셰일 층들이 덮 개 역할을 한다.
트랩
울릉 분지 남부 대륙붕의 구조들은 배사 트랩으로 12.5
～6.3 Ma의 북서-남동 방향의 압축과 ～3.8 Ma의 동서 방
향의 압축에 의해 형성되었다. 돌고래 지역에서는 다수의
시추에도 불구하고 아직까지 경제성있는 유전이 발견되지
못하였는데, 습곡과 동반된 단층들에 의한 트랩 훼손 때문
일 것으로 추정된다.
Fig. 11. Direct hydrocarbon indicators observed in the Ulleung Shelf Basin. Note flat and bright reflections highlighted by red ellipses.
고래 지역은 남북 방향의 완만한 배사를 셰일로 충진된 하 도가 부분적으로 덮개를 형성한 구조와 층서의 혼합형 트랩 이다. 충전 시기는 트랩이 형성된 3.8 Ma 이후로 추정된다.
진폭 이상으로부터 유추되는 잠재적 트랩은 고래 지역 심부에서 주로 관찰되는데, 심해저에서 퇴적된 중력류와 셰일이 북동-남서 및 남북 방향의 배사 구조와 결부되어 발 달한다(Fig. 11).
결 론
울릉 분지는 일본 분지, 야마토 분지와 더불어 동해를 구 성하는 배호 분지로, 남부 대륙붕에 두께 10 km 이상의 퇴 적층을 포함하고 있다. 울릉 분지 남부 대륙붕은 우리나라 유일의 유전인 동해-1 가스전이 위치하며, 거의 모든 시추 에서 유징이 확인되고, 심부에서 직접적 탄화수소 지시자 들이 흔하게 관찰되어 보다 풍부한 석유 산출을 기대하게 한다. 하지만 오랜 탐사 연혁과 투자에도 불구하고 성과는 부진하고, 분지의 지체 구조, 분지 형성, 발달, 퇴적, 층서 및
석유 지질에 대한 이해가 미진하며, 부족한 지식이나마 축 적과 승계가 제대로 이루어지지 않고 있어 우려스럽다. 이 논문을 계기로 울릉 분지 남부 대륙붕의 석유 잠재성이 재 평가되고, 체계적인 연구가 병행되어, 국내 대륙붕 사업에 새로운 전기가 마련되기 바란다.
울릉 분지 남부 대륙붕은 연안 평원, 삼각주 평원, 삼각 주 전면, 전 삼각주, 해저 선상지로 이루어진 삼각주 퇴적층 이 해침 ․ 퇴의 반복으로 겹겹이 쌓여 조성되었는데, 12.5 Ma 와 6.3 Ma 부정합면으로 구분되는 3개의 순차층서군 (megasequence) 으로 구성된다. 12.5 Ma 부정합면은 남부 에 습곡-단층대를 형성시킨 압축 구조 운동과 연관되며, 이 를 경계로 동해가 열린 이후 지속되었던 침강이 멈추고, 해 진 우세 환경이 해퇴 우세로 바뀌는 대변화가 일어났다. 6.3 Ma 부정합면을 경계로 이전의 융기 지역들이 평탄화되고, 침강 또는 해수면 상승으로 다시 해진 우세 환경으로 돌아 가게 된다.
울릉 분지 남부 대륙붕의 순차층을 구성하는 삼각주 다
발들은 해수면 변동에 따른 최대 해침면들로 구분되는데,
석유 부존과 관련하여 이상적인 저류암-덮개암 조합군을 구성한다. 삼각주 전면의 천해 환경에서 퇴적된 두껍고 연 속성이 좋은 사암은 분급이 좋고 초기 공극률이 높아 훌륭 한 저류암이 될 수 있으며, 해침면을 광범위하게 덮는 셰일 과 전 삼각주 셰일은 우수한 덮개암으로 작용한다. 반원양 성 이암과 중력류로 구성되는 심해 퇴적상은 저류에 적합 한 물성을 갖는 저탁류 사암의 빈도가 높다. 근원암은 아직 까지 확인되지 않았으나, 육상 기원 유기물을 많이 포함하 는 분지 형성 초기의 해양성 셰일이 유력하다. 트랩은 마이 오세 후기 북서-남동 및 플라이오세 동-서 방향의 압축 구 조 운동으로 형성되었으며, 분지 심부의 배사 구조에 탄성 파 진폭 이상 및 편평 반사 등의 석유 부존을 지시하는 지구 물리 이상이 흔히 나타난다.
사 사
한국지질자원연구원의 기초 ․ 미래선도형 주요사업 ‘울 릉분지 가스하이드레이트 생산기술 현장 적용성 연구’의 게재료 지원에 감사드립니다.
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윤 준 일
현재 한국가스공사 가스기술연구원 자원기술연구센터 연구원 (本 學會誌 第52券 第2号 參照)
고 재 홍
현재 한국지질자원연구원 석유해저연구본부 책임연구원 (本 學會誌 第52券 第6号 參照)
