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(1)지질학회지 제 48권 제 2호, p. 149-162, (2012년 4월). 미국 유타 그린리버 지역에서 관찰되는 이산화탄소 누출에 의한 탈색현상과 제어요인 고경태1,2․김영석1,‡ 1. 2. 부경대학교 지구환경과학과 한국지질자원연구원 석유해저연구본부 요 약. 전 세계적으로 지구 온난화 문제를 해결하기 위하여 이산화탄소 지중저장과 관련하여 많은 연구가 수행되어 져 왔으며, 국내에서도 지중저장 후보지를 선정하기 위해 활발한 연구가 수행 중이다. 미국 유타의 그린리버 지 역은 천연 CO2가 지표로 누출되고 있는 곳으로 이러한 누출사례에 대한 연구를 통하여 지중저장 후의 CO2 누출 패턴과 이들의 제어요인을 연구할 수 있는 아주 좋은 지역이다. 이 지역에서는 지하로부터의 천연 이산화탄소가 자연적으로 누출되는 현상이 쉽게 관찰되며, 비교적 넓은 지역의 사면에서 이산화탄소를 함유한 유체의 누출로 인해 다양한 관련 세맥들과 탈색현상이 관찰된다. 이번 연구에서는 먼저 노두에서 관찰되는 다양한 탈색패턴들 을 분류하였고, 이들의 제어요인들을 알아보기 위하여 탈색에 의해 변질된 암석과 변질되지 않은 암석을 비교하 는 면밀한 야외지질조사를 실시하였다. 현재까지의 예비적인 연구결과는 다양한 탈색패턴의 제어요인이 입자크 기와 공극률 등 암석자체의 물성과 단층 및 단열의 밀도와 간극 등 지질구조들임을 지시하고 있다. 그러나 유체 유동의 주요한 제어요인들 간의 중요도를 더욱 명확히 판단하기 위해서는 추가적으로 유기적이고 복잡한 단열망 의 3차원적인 특성과 단열 내 충전물질의 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이와 같은 단열의 특성에 의존하는 유체의 거동에 대한 연구는 향후 이산화탄소 지중저장을 위한 후보지의 선정, 후보지의 지질구조적 특 성의 고려 그리고 지중저장 후의 누출을 대비하는데 매우 유용한 정보로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 주요어: 이산화탄소 누출, 탈색, 지질구조, 단열 특성, 이산화탄소 지중저장 Kyoungtae Ko and Young-Seong Kim, 2012, Patterns and controlling factors of CO2 related bleaching in Green River, Utah. Journal of the Geological Society of Korea. v. 48, no. 2, p. 149-162 ABSTRACT: As a result of high global CO2 levels, many geological studies are being carried out to locate storage areas for CO2 within the earth’s crust. Understanding the causes of CO2 leakage from naturally occurring storage sites to the surface is essential for successful geological CO2 storage in the future. In this study, we selected outcrops near to the Green River area of Utah to analyze the structural controls that contribute to CO2 leakage, based on the form of bleaching patterns that formed during CO2 leakage. Various outcrops, that display various bleaching patterns, were selected to try and decipher the characteristics and controls of this natural seepage. Several bleached areas were mapped and their pattern of bleaching was compared with bedrock lithology and local fracture patterns. Based on the preliminary results, bleaching patterns are controlled by lithological properties and fracture characteristics. Some unusual bleaching types could be due to other controlling factors, such as fracture connectivity. A more detailed investigation of veins and vein-fill minerals, such as calcite and travertine, which could affect CO2 leakage, is required. This study provides us with a better understanding of underground natural CO2 leakage mechanisms and could therefore help locate and construct suitable geological CO2 storage sites. Key words: CO2 leakage, Bleaching, Geological structure, Fracture characteristics, CO2 storage (Kyoungtae Ko, Dept. of Earth Environmental Sciences, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea & Petroleum and Marine Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Daejeon 305-350, Korea; Young-Seong Kim, Dept. of Earth Environmental Sciences, Pukyong National University, Busan 608-737, Korea) ‡. Corresponding author: +82-51-629-6633, E-mail: [email protected].

(2) 150. 고경태․김영석. 1. 서 론 최근 화석연료의 사용량 증가로 인해 CO2와 같은 온실가스의 양이 매우 빠른 속도로 증가하고 있으 며, 이로 인해 향후 지구온난화 문제가 심화되어 심 각한 자연재해가 우려되고 있다(IPCC, 2007). 이러한 지구환경의 변화로 말미암아 인간과 자연 생태계가 위협받을 수 있다는 연구결과를 바탕으로 이산화탄 소를 저감하려는 노력이 세계 각국에서 이루어지고 있 으며, 특히 선진국들을 중심으로 가장 효율적인 방법 으로 판단된 이산화탄소 지중저장에 대한 연구가 활발히 수행중이다(e.g. Bachu et al., 1994; Tanaka et al., 1995; Hitchon et al., 1999; Ivory et al., 2000; O'connor et al., 2000; Gale, 2003; Gerdemann et al., 2003; Akimoto et al., 2004; Voormeij and Simandl, 2004; White et al., 2004; Mets et al., 2005). 하지만 이산화탄소 지중저장은 저장 후의 누출에 대한 우려가 있어 지속적인 모니터링과 누출방지에 대한 대책이 필요하다. 노르웨이, 호주, 미국 등과 같 은 선진국들은 이미 1990년대 중반부터 이산화탄소 지중저장 파일럿 및 실증 저장프로젝트를 활발히 진 행하고 있어 저장 후의 안정성 및 효율성 평가에 대한 많은 원천기술을 확보하고 있다(박용찬 외, 2009). 현재 우리나라에서도 정부차원의 이산화탄소 감 축을 위한 다양한 연구를 지원하고 있으며, 2020년 까지 국가 온실가스 감축 목표치를 실현하기 위해 노력하고 있다(녹색성장위원회, 2009). 이에 따라 국 내에서는 이산화탄소 지중저장 후보지를 선정하기 위해 육상 및 육상연안의 퇴적분지를 대상으로 한 저장 능력 예비 평가(유동근 외, 2007; 이용일, 2008; 홍성경 외, 2009; 에가와 코우스케 외, 2009), 이산화 탄소 지중저장과 관련한 수치모델링(김중휘 외, 2009; 최병영 외, 2009) 그리고 지구화학적 연구(채 기탁 외, 2005) 등 이산화탄소의 지중저장을 위한 다 양한 연구들이 수행되고 있다. 그러나 아직 국내 이 산화탄소 지중저장과 관련된 연구는 대부분 모델링 과 관련된 연구에 많이 집중되고 있으며, 실제 검층 과 시추코어분석을 통하여 획득한 입력자료 값들을 사용하여 모델링 결과의 신뢰성을 확보하려 노력하 고 있다. 하지만 이산화탄소 지중저장 후의 실질적 인 거동 및 누출을 예측함에 있어서 단층 및 단열과 같은 지질구조의 영향에 대한 고려는 아직까지 미흡. 한 실정이다. 최근의 연구들에 따르면 일반적으로 지하의 유체 유동은 암석자체의 공극이나 투수성보다는 단층이 나 단열과 같은 지하의 지질구조적 불연속면에 의해 주로 좌우되는 것으로 보고되고 있다(Leckenby et al., 2005; Kim and Sanderson, 2010). 따라서 이산 화탄소 지중저장 후의 안정성 평가 및 모니터링을 위해서는 구조지질학적 요인에 대한 고려가 반드시 필요하다. 특히, 국내 이산화탄소 지중저장 후보지 중 유력 후보지인 경상분지 및 포항분지는 양산단층 및 울산단층과 같은 대규모 단층대가 인접해 있어 많은 취성의 변형작용을 겪었던 것으로 보고되고 있 고(Kim and Park, 2006), 많은 활성단층들이 발달 하고 있어(김영석 외, 2011) 지질구조의 영향에 대한 연구가 반드시 선행되어야 한다. 따라서 본 연구에 서는 지하의 천연 이산화탄소가 지표로 누출되어 암 석을 탈색시킨 현상이 잘 관찰되는 미국 유타 그린 리버 지역을 대상으로 이산화탄소의 유동과 지질구 조와의 상관성에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위 해 연구지역에서 나타나는 다양한 탈색패턴을 분류 하고, 그 원인을 분석하기 위하여 통계처리를 통하 여 탈색 폭의 변화에 대한 다양한 구조지질학적 제 어요인을 도출하고자 하였다.. 2. 연구지역 연구지역은 미국 유타 중부의 그린리버 지역으로 콜로라도 대지(Colorado Plateau)의 파라독스 분지 (Paradox basin) 북쪽 끝에 위치하고 있으며, 유기 물이 풍부한 후기 고생대에서 중생대의 증발암, 석 회암 그리고 쇄설성 퇴적암으로 이루어진 기반암을 쥬라기와 백악기 퇴적암들과 제4기 지층이 피복하고 있다(그림 1; Hintze, 1993). 이번 연구는 풍성기원의 적황색 세립질 사암과 이암으로 주로 이루어진 중기 쥬라기의 엔트라다 층(Entrada Formation) (Doelling, 1994)을 대상으로 실시하였다. 연구지역에 발달하는 지질구조는 리틀 그랜드 워시 (Little Grand Wash) 단층과 솔트 워시(Salt Wash) 단층이 각각 동-서 방향과 서북서-동남동 방향으로 발달하고 있다(그림 1). 리틀 그랜드 워시(Little Grand Wash) 단층은 약 61 km의 연장성을 보이는 대규모 단층으로 주향은 동-서방향이며 남쪽으로 경사진 정.

(3) 미국 유타 그린리버 지역에서 관찰되는 이산화탄소 누출에 의한 탈색현상과 제어요인. 단층의 운동감각을 보이고 있다. 그린리버 지역에서 는 두 개의 평행한 분절(segments)로 이루어져 있으 며, 최대 수직변위는 180~210 m 정도이다(Shipton et al., 2004). 솔트 워시(Salt Wash) 단층은 거의 평 행한 세 개 이상의 분절들이 연결되어 하나의 단층대 를 이루고 있으며, 서북서-동남동 방향의 주향을 가지 며 좌수향 주향이동운동과 정단층의 운동감각을 복합 적으로 가지고 있다(Shipton et al., 2004). 연구지역은 오랜 시간에 걸쳐 생성된 다양한 저 류층으로 인해 천연 이산화탄소와 석유가 지하에 매 장되어 있어 석유자원과 관련된 다양한 조사와 연구 가 수행되어져 왔다(Allis et al., 2001). 또한 간헐천 과 같은 경로를 통하여 지하의 천연 이산화탄소가 지하수와 함께 다양한 형태로 지표로 분출되었으며, 현재에도 계속 자연적인 분출이 관찰되고 있어 이산 화탄소의 누출과 관련된 다양한 연구가 활발히 수행 되고 있다(Doelling, 1994; Moore et al., 2005). 특히 두 단층과 오일탐사공의 영향으로 인해 현재에도 이. 151. 산화탄소를 함유한 샘(spring)과 간헐천(geyser)이 단층을 따라 집중적으로 발달하고 있어 단층과 관련 된 유체의 이동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 (Dockrill and Shipton, 2010).. 3. 연구방법 본 연구를 위하여 먼저 탈색현상이 잘 나타나는 연구 지역 내 노두를 대상으로 정밀한 야외 조사를 수행하여 다양한 형태의 탈색현상들에 대한 특징을 기재하였 다. 암상의 물성에 따른 탈색현상의 차이를 알아보기 위해 탈색현상이 관찰되는 층과 관찰되지 않는 층의 시료를 채취하여 박편을 제작하여 현미경분석을 실 시하였고, 탈색현상에 따른 공극률의 차이 및 기본적인 광물학적 차이를 관찰하였다. 또한 단열을 따라 탈색현 상이 관찰되는 여러 지점을 조사하여 단열의 특성에 따른 탈색현상의 발생 유무와 폭의 변화를 조사하였다. 특히 단열의 수(탈색대 내에 발달하는 단열의 수)와 틈. Fig. 1. Locality and geological map of the study area in Utah, USA. Ju- Jurassic rocks; Ku- Cretaceous rocks; QaQuaternary alluvium (modified from Evans et al., 2004)..

(4) 152. 고경태․김영석. 새의 크기(두 개 이상의 단열이 발달한 경우, 각 틈새의 최대 크기들을 더한 값을 사용)가 탈색의 폭과 어떠한 관계가 있는지 알아보고자 하였으며, 탈색현상이 관 찰되는 단열과 관찰되지 않는 단열의 방향을 측정하 여 단열의 방향에 따른 영향도 알아보고자 하였다.. 4. 탈색현상의 특징 및 다양한 형태 연구지역에서 관찰되는 트래버틴(travertine), 탄 산염 세맥(calcite vein) 그리고 탈색현상(bleaching) 등은 과거에도 지속적으로 이산화탄소를 함유한 지 하수의 누출이 발생했다는 것을 뒷받침하는 증거이다 (그림 2). 특히 탈색현상(bleaching)은 과거 이산화 탄소의 누출경로와 과정을 매우 잘 지시하는 것으로 판단되어 이에 대한 집중적인 조사를 수행하였다.. 여기서 다루는 탈색은 지하에서 누출된 이산화탄 소를 함유한 물이 사암 입자들 주위를 감싸고 있는 적철석(Fe2O3) 띠의 결합을 약화시켜 적황색의 사암 을 노란색으로 변화시키는 현상이다(Dockrill and Shipton, 2010). 탈색현상에 따른 광물학적 변화와 공극률의 변화 를 알아보기 위하여 변질된 샘플과 변질되지 않은 샘플에 대해 각각 박편을 제작하였다(그림 3). 샘플 절단과정에서 발생한 파편 및 미세입자에 의한 영향 을 최소화하기 위해 초음파 세척기를 이용하여 약 10분간 세척 한 샘플을 박편 제작에 사용하였다. 박 편 제작용 샘플은 약 100℃에서 48시간 이상 완전 건조를 실시하여 샘플 절단과정과 세척기를 이용한 세척과정에서 발생한 물의 침투 영향을 최소화하였 다. 박편 제작 시 입자와 공극의 명확한 구분을 위해. Fig. 2. CO2-charged groundwater and its effects: (a) boundary between bleached part (lower light area) and unbleached part (upper dark area), (b) drill hole associated geyser, (c) travertine in the study area. Square box in (a) shows the fracture network study site..

(5) 미국 유타 그린리버 지역에서 관찰되는 이산화탄소 누출에 의한 탈색현상과 제어요인. 청색염료를 혼합한 에폭시를 사용하여 박편을 제작 하였다. 박편 관찰 시 상대적으로 변질되지 않은 암 석에서는 석영입자 주위의 적철석 띠가 선명하게 관 찰되며, 변질된 암석에서는 석영입자를 감싸고 있는 적철석 띠가 드물게 관찰되었다(그림 4). 박편 관찰을 통해 두 시료의 공극률 차이를 비교한 결과, 탈색의 영향을 받지 않은 암석의 공극률이 탈 색된 암석의 공극률보다 상대적으로 높게 관찰되었다 (그림 4). 이러한 결과는 이산화탄소를 함유한 지하수 가 모암의 공극으로 침투하여 화학적 반응을 통해 새 로운 광물을 생성하였거나, 기존의 공극을 채운 것으 로 판단된다. 이번 연구의 목적이 광물학적 반응이나 생성물의 특성에 있는 것이 아니기 때문에 광물학적인. 153. 연구는 심도 있게 수행되지 못하였다. 하지만, Chan et al. (2000)은 탈색현상이 일어난 암석의 광물학적 분석을 통해 이러한 암석 내에 철산화물 및 망간산 화광물이 재침전 되었다는 것을 보고한 바 있다. 우리는 연구지역에서 관찰되는 탈색현상을 단순히 형태에 따라 구름(그림 5a), 얼룩말 무늬(그림 5b), 물결(그림 5c), 십자가(그림 5d), 식물뿌리(그림 5e), 딱따구리(그림 5f), 땅콩(그림 5g), 이슬람식 궁전(그 림 5h), 폭포수(그림 5i) 등 다양한 형태로 분류하여 그 제어요인을 분석하고자 하였다. 이러한 다양한 형태의 탈색현상들은 유체유동과 이를 제어하는 요 소에 대한 많은 정보를 제공해 줄 수 있을 것이다. 이전의 연구자들(e.g. Dockrill and Shipton, 2010)에. Fig. 3. Photographs of unbleached (a) and bleached (b) rock slabs. The rock slabs show different colors due to the bleaching effects of CO2-charged groundwater.. Fig. 4. Photomicroscopic images from unbleached (a) and bleached (b) thin sections. Blue color denotes pores. In the unbleached rock, quartz grains are rimmed by haematite (a) which are removed in the bleached rock (b). The unbleached rock has more pore space than the bleached rock due to mineral fill associated with the bleaching process..

(6) 154. 고경태․김영석. 의하면 탈색현상과 탈색의 폭은 암상에 영향을 받으 며, 특히 낮은 공극률을 보이는 이암이 우세한 층(i.e. Morrison Formation)이 높은 공극률의 사암이 우세한 층(i.e. Curtis Formation)보다 상대적으로 탈색의 폭이 넓은 것으로 보고하고 있다. 하지만 연구지역 에 분포하는 엔트라다(Entrada) 층의 경우는 사암이 우세하지만 탈색현상들이 잘 발달하고 있다. 특히 연구지역에서 탈색현상들의 경계는 사암과 이암의 경계부 지점에서 유사한 높이를 보이며 발달하고 있 다(그림 5a). 그리고 탈색의 경계부가 암상의 경계와 일치하는지를 알아보기 위하여 탈색의 경계부를 기 준으로 아래와 위의 암상의 차이를 비교한 결과, 탈 색의 주 경계부가 암상의 경계부와 대부분 일치하고 있었다(그림 5a). 이는 지하에서 누출된 이산화탄소 를 함유한 유체를 투수율이 낮은 이암이 더 이상 위 로 올라가지 못하게 하는 덮개암 역할을 한 것으로. 판단되며 공극률과 투수율의 차이가 유체유동에 매 우 중요한 제어요소임을 지시한다. 그러나 부분적으 로 탈색의 경계가 암상의 경계와 일치하지 않는 부 분도 관찰되었다(그림 5b, c). 이는 기존에 발달한 단 열 또는 매질의 다른 물리적 또는 화학적 차이에 기 인하여 생성된 것으로 해석된다. 이는 유체가 사암 과 같이 공극률이 높은 저류암과 공극률과 투수율이 낮은 이암과 같은 덮개암 구조에 의해 주로 제어되 지만 단층이나 단열과 같은 불연속면들의 영향에 의 해 거동이 제어될 수 있음을 지시한다. 단열을 따라 발달한 탈색현상들의 특징은 일정한 두께를 보이지 않고 단열의 특성에 따라 매우 불규칙 한 폭 및 형태의 변화를 보이는 다양한 탈색패턴들이 관찰된다는 것이다(그림 5d-f). 하지만 단열을 따른 탈색의 폭이 일정하지 않으며, 단열이 발달하는 모든 곳에서 탈색현상이 관찰되지도 않았다(그림 5g, i).. Fig. 5. Photographs of various bleaching patterns produced by differences in bedrock lithology and fracture patterns. (a) Cloud type, (b) Zebra type, (c) Wave type, (d) Cross type, (e) Root type, (f) Woodpecker type, (g) Peanut type, (h) Palace type, (i) Fall type. The patterns are simply classified using their shape or the geometry of the bleached areas..

(7) 미국 유타 그린리버 지역에서 관찰되는 이산화탄소 누출에 의한 탈색현상과 제어요인. 이는 단열의 특성에 따라 유체가 선택적인 거동을 함 을 지시하며, 단열의 특성과 유체유동의 상관관계를 파악하기 위해서는 다각적인 단열의 특성에 대한 연 구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 일반적으로 지하 에서 누출된 이산화탄소와 지하수의 영향으로 인해 수직단열을 따라 발달한 탈색의 폭은 위로 갈수록 일 반적으로 좁아지는 양상을 보이고 있지만, 예외적으 로 위로 갈수록 폭이 넓어지는 양상을 보이는 탈색현 상이 관찰되기도 한다(그림 5e, h). 이는 주입방향의 차이나 단열말단부에서의 확산특성에 기인한 것으 로 판단된다. 특히 단층손상대 주변에서는 5 m 이상 의 폭과 9 m 이상의 높이까지 탈색현상이 관찰된다 (그림 5d). 이는 단층손상대와 같이 여러 개의 단열이 집중되어 단열망을 구성하는 경우 유체유동의 주 통 로가 될 수 있음을 지시한다(Caine et al., 1996).. 5. 단열의 특성과 탈색현상 최근 단층이나 단열의 영향이 유체의 유동에 있 어 중요한 제어요소가 된다는 연구 결과들이 많이 보고되고 있다(e.g. Randolph and Johnson, 1989; Caine et al., 1993; Antonellini and Aydin, 1994; Caine et al., 1996; Dholakia et al., 1998). Leckenby et al. (2005)에 의하면 단층과 단열들은 암석의 투수 성에 영향을 주기 때문에 유체유동의 중요한 제어요 소가 된다고 주장하였으며, Barton et al. (1995)은 단층과 단열에 의해 제어되는 유체는 단층과 단열의 특정한 방향을 따라 이동하기 때문에 유체유동이 높. 155. 은 단열은 특정한 방향성을 갖는다고 보고하였다. 그러나 단층 및 단열들은 실제 노두에서 관찰하는 것처럼 단순하지 않기 때문에 3차원적 모델화와 단 열망의 발달에 대한 연구를 통해 이들의 기하학적인 특성을 이해하려는 연구가 활발히 수행중이다(e.g. Martel and Boger, 1998; Kim et al., 2003; Kim and Sanderson, 2010). 따라서 단층 및 단열이 발달하는 지역에서의 유체유동을 고려할 때에는 단층 및 단열 의 발달방향, 기하학적 특징, 충전물의 영향 등에 대 한 다각적인 연구가 필요하다. 연구지역에서 관찰되는 다양한 형태의 세맥들과 탈색현상은 이산화탄소를 포함한 유체유동의 직접 적인 증거를 보여주는 것으로서, 특히 단열의 특성과 유체유동의 관계에 대한 연구에 매우 중요한 정보를 제공해줄 수 있다. 따라서 이번 연구에서는 유체유동의 증거인 탈색현상의 발생이 단층 및 단열의 어떠한 특 성에 의존하는지에 대한 연구를 집중적으로 수행하 였으며, 특히 유체유동의 집중을 의미하는 탈색의 폭 을 제어하는 단열의 특성에 대해 알아보고자 하였다. 5.1 단열 발달방향의 영향. 연구지역에 분포하는 야외 노두에서는 일부를 제 외하고 거의 대부분의 단열을 따라 탈색현상이 관찰 되었다. 따라서 먼저 단열의 방향성에 따른 유체유 동의 제어요인에 대해 알아보기 위해 탈색이 관찰되는 단열의 방향과 탈색이 발달하지 않은 단열들의 방향 성을 측정하여 등면적투영망에 도시하여 각각의 차 이를 비교하였다(그림 6). 그 결과 연구지역 대부분의. Fig. 6. Stereographic projections of bleached and unbleached fractures. The contour and pole plot show the differences between bleached and unbleached fracture orientations. The bleached fracture orientations (a) are more diverse and more scattered than the unbleached fractures (b)..

(8) 156. 고경태․김영석. Table 1. Outcrop data for fracture aperture, density and bleaching width. No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25. Aperture thickness (mm) 0.7 0.5 0.5 0.5 1.5 0.5 1.5 1 1 0.7 6 2 2 2 1.5 0.7 0.5 0.5 1.5 4 2 3 3 2 0.5. Fractures density (no.) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 2 4. 단열군들에서 탈색이 관찰되었으나, N88°W/73°SW 와 N68°W/78°NE 방향의 단열군을 따라서는 탈색 현상이 관찰되지 않았다(그림 6). 하지만 야외관찰 에서 탈색이 관찰되는 단열과 관찰되지 않는 단열의 선후관계를 인지할 수 없었기 때문에 단열의 방향성 에 따른 유체의 선택적 유동에 대해서는 좀 더 추가 적인 연구가 필요하다. 즉, 같은 시기에 발달한 단열 이라 하더라도 단열의 발달방향에 따라 유체유동의 특성을 다르게 나타낼 수 있으며, 서로 다른 시기에 발달한 단열들의 경우 단열면에 대한 채움 특성에 따라 유체유동의 특성이 좌우되기도 하고, 주요한 유 체공급 이후에 발달한 단열들은 유체에 노출될 기회 가 없었기 때문에 탈색이 진행되지 않았을 수도 있 다. 따라서 탈색이 발생되지 않은 단열은 탈색현상을. Bleaching width (mm) 5 5 5 10 10 11 15 20 20 22 22 24 26 27 30 30 30 32 40 40 40 47 50 55 55. Vein. ○ ○ ○ X ○ X X ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ X X ○ ○ ○ ○ ○ ○ X. 일으킨 유체의 주요 유동사건 이후에 발달했을 가능 성도 배제할 수 없다. 따라서 더욱 종합적인 해석을 위해서는 단열의 발달과 유체유동의 선후관계에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다. 5.2 단열의 밀도(density)와 간극(aperture)의 영향. 연구지역에서의 단열 밀도(density)와 간극(aperture) 특성이 유체유동에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보기 위하여, 하나의 단면에서 단열을 따 른 탈색현상이 잘 관찰되는 25개 단열의 밀도와 간 극의 크기를 각각 측정하여 탈색의 폭을 기준으로 정리하였다(표 1). 일반적으로 단열의 밀도가 증가할수록 유체유동이 집중된다고 알려져 있다(Tripp and Vearncombe,.

(9) 미국 유타 그린리버 지역에서 관찰되는 이산화탄소 누출에 의한 탈색현상과 제어요인. 2004). 단열 밀도의 영향에 따른 유체유동의 집중을 알아보기 위하여 간극의 크기는 비슷하나 단열의 개 수가 다른 것들에 대한 탈색 폭을 비교해 보았다. 그 결과, 하나의 단열이 발달한 곳이 여러 개의 단열이 발달한 곳보다 탈색의 폭이 상대적으로 좁게 관찰되 었다(그림 7). 이는 하나의 단열에서보다 인접한 여 러 개의 단열이 하나의 단열대로 작용하는 곳에서 유체의 유동이 집중되는 것으로 해석된다(Odling et al., 2004). 하지만 일부는 가까이에 위치한 단열들의 주변 탈색대가 서로 중첩되어 두껍게 인지되는 효과 가 있는 것으로 판단된다. 따라서 추가적인 연구에 서는 탈색의 폭을 단열의 수로 나누어 각 단열에 대. 157. 한 평균 폭을 비교분석하는 연구를 좀 더 심도 있게 수행하고자 한다. 기존의 연구에 의하면 유체의 흐름이 단열의 방 향성과 밀도보다는 단열의 간극에 더 좌우된다고 알 려져 있다(Leckenby et al., 2005). 따라서 단열의 간 극이 유체유동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 단 열의 간극이 다른 단열들의 탈색 폭을 비교하였다. 그 결과, 간극의 크기가 클수록 탈색의 폭도 역시 증 가하는 것으로 나타났다(그림 8). 이는 단열의 간극 이 크면 클수록 유체의 유동이 원활하게 이루어져 많은 양의 유체가 유동하였음을 의미한다. 따라서 우리는 단열의 밀도와 간극의 복합적인. Fig. 7. Relationships between bleaching width and fracture density. (a) Bleaching width of 3 cm developed across a single fracture, (b) Bleaching width of 5.5 cm developed across two fractures. This indicates that the width of bleaching is controlled by fracture density.. Fig. 8. Relationship between bleaching width and aperture thickness. Fractures with thicker apertures have wider bleached zones. (a) Bleaching width of 1 cm developed by a fracture with 0.5 mm aperture, (b) Bleaching width of 3 cm developed by a fracture with 2 mm aperture. This indicates that the width of bleaching is controlled by fracture aperture..

(10) 158. 고경태․김영석. 관계에서 유체유동과의 상관관계를 알아보기 위하 여 하나의 단열계로 연결되어 있는 노두를 선정하여 전체 25개의 단열에 대해 3차원 다이아그램을 통해 분석을 실시하였다(그림 9). 탈색의 폭이 55 mm로 가장 넓게 나타나는 단열의 경우, 4개의 단열이 발달 하고 있어 다른 단열과 비교하여 높은 단열 밀도를 보였지만 간극은 0.5 mm로 매우 좁게 관찰되었다 (표 1; no.25). 가장 넓은 간극의 크기를 가지는 단열의 경우에는 탈색의 폭이 22 mm로 가장 넓은 탈색과 상당한 차이를 보였다. 그러나 하나의 단열에 대한 평균값을 구한다면(55/4 = 13.75 mm), 역시 간극도 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다. 현재까지 분 석된 자료의 수가 너무 부족하여 이 결과를 가지고 탈색을 좌우한 주요 인자들 간의 상대적 중요도를 논하는 것에는 아직 무리가 있지만, 현재까지 분석 된 결과에 기초하면 연구지역의 단열망 내에서는 단 열의 밀도가 증가함에 따른 탈색 폭이 증가하는 경 향이 간극의 크기 증가에 따른 탈색 폭의 증가보다 약간 더 강하다는 것을 보여주고 있다. 따라서 일반 적으로는 유체유동이 단열의 밀도보다는 단열 간극 의 크기에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있지만, 이 번 연구에서는 단열의 간극뿐만 아니라 단열의 밀도 도 유체유동의 주요한 제어요인으로 작용할 수 있음. 을 보여준다. 그러나 이러한 요소들 간의 중요성에 대한 판단은 추후 더욱 다양하고 정밀한 분석과 통 계처리를 통해 이루어질 수 있을 것으로 사료된다. 6. 토 의. 이번 연구에서는 유체유동과 지질구조와의 상관 성을 알아보기 위하여 하나의 단열계를 선정하여 단 열의 특성에 따른 유체 흐름을 탈색의 폭에 근거하 여 연구하였다. 하지만 야외노두 상에서 실시하는 단열의 특성에 대한 분석은 한계가 있다. 특히 단열 망은 우리가 생각하는 것처럼 단순하지 않으며, 3차 원적으로 훨씬 복잡하고 유기적으로 연관되어 있어 서 아직까지 단열의 발달특성과 유체유동의 상관관 계에 대해 명확히 설명하지 못하고 있는 실정이다. 특히 얼룩말과 완두콩 모양 등 다양한 탈색의 형태 들과 단열이 발달하지 않는 지점에서의 탈색현상들은 지질구조요소 뿐만 아니라 더욱 복잡하고 다양한 제 어요인에 의해 유체유동이 발생하였음을 지시한다. 특히 연구지역과 같은 산화환경에서 퇴적된 붉은 색의 사암이 환원환경으로 변화되면서 암석 내에 유기물 핵과 같은 이물질 주변에서 환원점(reduction spot) 을 형성하였을 가능성도 배제할 수는 없다. 그러나. Fig. 9. 3-D block diagram showing the relationships between bleaching width, fracture density and aperture thickness. Bleaching width is affected by both fracture density and aperture. The effect of density is slightly higher than that of aperture..

(11) 미국 유타 그린리버 지역에서 관찰되는 이산화탄소 누출에 의한 탈색현상과 제어요인. 이 지역의 경우 이러한 형태들이 다른 이산화탄소 누출현상들이 관찰되는 지역 주변에서 관찰된다는 점으로 보아 이러한 현상이 이산화탄소의 누출과 관 련되어 있다는 것을 지시하는 것으로 해석된다. 따 라서 탈색현상과 단열의 방향성에 대한 연구를 위해 서는 추가적인 조사를 통해 더욱 많은 자료의 획득이 필요하며, 연구지역 이산화탄소 누출의 직접적인 원 인인 단층과 단열 발달사에 대해 먼저 이해하는 것이 필요할 것으로 판단된다. 하지만 이번 연구를 통해 단열의 특성이 유체유동과 밀접한 관련이 있음은 명 확히 확인할 수 있었다. Leckenby et al. (2005)는 유체유동이 단열의 밀 도보다는 단열의 간극에 영향을 받는 것으로 보고하. 159. 였다. 하지만 연구지역의 예비 조사 결과는 간극의 크기에 따른 영향과 단열 밀도의 영향 사이의 중요 성을 판별하기에는 아직 자료가 부족해 보이며, 현 재까지의 결과는 상대적으로 단열밀도가 탈색대 폭 의 변화에 더 많은 영향을 준 것으로 판단되나, 이는 또한 앞에서 언급한 인접한 단열들에 의한 탈색대의 중첩효과도 고려되어야 할 것으로 판단된다. 또한 기존 연구에 의하면 단열 및 단층은 이러한 유체의 이동에 대해 통로역할을 하기도 하지만 단층 이나 단열을 채운 물질의 성질에 따라 장벽으로 작용 하기도 한다고 보고되었다(e.g. Caine et al., 1996). 이에 더하여 간극을 다른 물질이 채우고 있는 것과 그렇지 않은 것 사이에는 유체유동의 특성에 있어. Fig. 10. Simple conceptual schematic diagram of bleaching patterns around faults and fractures. CO2-charged groundwater flows along main faults and damage zones, and some localized flow paths are affected by local fracture characteristics. Porous sandy layers are easily bleached, while muddy layers act as seals..

(12) 160. 고경태․김영석. 많은 차이가 있을 것으로 판단되어 이에 대해 구분 하여 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다. 따라서 특정한 지역에서의 유체유동에 대한 특성을 연구하 기 위해서는 그 지역에서 발달하는 단층 및 단열의 특성에 대한 연구뿐만 아니라 그 간극을 채우는 물 질의 영향에 대한 연구가 매우 중요하다고 할 수 있 다. 연구지역의 경우 많은 단열들 내에 방해석맥이 충전하고 있으며, 이러한 충전된 단열의 경우 충전 되지 않은 단열보다 탈색 폭이 더 얇게 발달하는 현 상을 보여준다. 이는 여러 번의 사건을 통해 유체가 유입이 되었으며, 천연 이산화탄소가 방해석맥으로 충전된 상대적으로 두꺼운 간극을 따라 이동하기보 다는 충전되지 않은 얇은 단열들을 따라 이동하기가 더욱 용이했다는 것을 지시하는 것으로 해석된다. 따라서 단층 및 단열을 따른 유체유동에서 열수물질 이동의 선후관계 등을 이해할 경우 이산화탄소 지중 저장 이후의 유출에 대한 모니터링을 연구하는데 있어 중요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 따 라서 이에 대한 더욱 정밀한 분석이 추후 더 많은 자 료를 통해 새롭게 시도되어야 할 것으로 판단된다.. 7. 결 론 연구지역에는 탈색현상에 의한 다양하고 불규칙 한 형태들이 관찰되며, 이는 이산화탄소를 포함한 유체의 누출이 다양한 지질구조적 제어요소에 의해 제어된 것을 지시한다. 야외지질조사를 통하여 얻은 다양한 제어요소에 의해 누출되는 과정은 다음과 같 다(그림 10). 지하심부의 저류암에서 생성된 천연의 이산화탄소가 지하수와 함께 주 단층과 주변의 손상 대를 따라 누출되었다. 탈색의 주 경계면은 이암과 같은 불투수층과 사암 같은 투수층 사이의 투수성 차이와 층간 단열의 영향으로 인해 형성되었으며, 단층손상대와 같이 단열의 밀도가 높거나 단열 간극 이 넓은 부분에서 유체유동이 집중되어 폭이 넓게 발달한다. 현재까지의 분석 자료를 통해서는 주요 제어요소들 간의 중요성을 언급하기 어렵지만, 모암 의 자체물성뿐만 아니라 단열의 방향, 단열의 밀도, 간극의 크기 등 단열의 특성에 따라 탈색 폭의 변화 가 심하게 나타나며 다양한 형태로 발달하고 있음은 명백해 보인다. 이러한 단열을 따른 탈색의 유무와 폭의 변화는. 이산화탄소가 함유된 지하수가 지표로 누출되는 과 정 중의 지질구조의 특성에 따른 제어원인과 유체의 이동경로를 판단할 수 있는 매우 중요한 정보를 제 공해 줄 것을 판단된다. 또한 단열의 특성에 따른 유 체유동의 거동에 대한 연구는 국내 이산화탄소 지중 저장후보지 선정과 지중저장 후의 누출의 발생을 예 측 및 판단함에 있어 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.. 사 사 이 논문을 위하여 야외지질조사를 같이 수행하여준 부경대 지질구조재해연구실의 가족들에게 감사를 드리며, 특히 논문의 꼼꼼한 검토를 통하여 유익하 고 건설적인 조언을 하여준 진광민, Paul Edwards 에게 진심으로 감사를 표한다. 박편분석을 해주신 공주대 김영석 교수님과 한준희 학생에게도 감사드 린다. 또한 이 논문을 꼼꼼하게 검토하고 오류를 지 적하여 더욱 나은 논문으로 출간될 수 있도록 심사 하여 주신 손문 교수님과 익명의 심사위원님 그리고 편집위원님에게도 감사를 전하고 싶다. 이 논문은 기상지진기술개발사업단(CATER 2008-5502)의 지 원에 의하여 수행되었으며 이에 감사드린다.. 참고논문 김영석, 진광민, 최원학, 기원서, 2011, 활성단층의 이해: 최 근의 연구에 대한 고찰. 지질학회지, 47, 723-752. 김중휘, 김준모, 왕수균, 2009, 심부 사암 대수층 내 이산화 탄소 지중 저장의 효율성 및 안정성에 대한 광물학적 조 성의 영향 수치 모의. 지질학회지, 45, 493-516. 녹색성장위원회, 2009, 국가 온실가스 중기 감축목표 설정 을 위한 3가지 시나리오 제시. 보도자료(8월 4일). 박용찬, 허대기, 유동근, 황세호, 이흥연, 노을, 2009, 국내 CO2 지중저장 사업화 방안 검토. 지질학회지, 45, 579-587. 유동근, 김길영, 박용찬, 허대기, 윤치호, 2007, 한반도 주변 해양의 이산화탄소 지중 처분 가능성. 한국지구시스템 공학회지, 44, 572-585. 에가와 코우스케, 홍성경, 이효종, 최태진, 이민경, 강정길, 유규철, 김진철, 이용일, 김중휘, 김준모, 2009, 백악기 경상분지 신동층군 사암의 이산화탄소 저장 능력 예비 평가. 지질학회지, 45, 563-472. 이용일, 2008, CO2 지중저장을 위한 국내지층의 특성 및 저 장 능력 평가. 교육과학기술부, 57 p..

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