자원의활용에너지원별의존도

지하자원의 탐사와 개발

전 효 택

서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부

Tel. 880-7225 CP. 017-206-7225

Fax. 871-7892

E-mail: chon@snu.ac.kr

Ekati diamond mine, Northwest Territories, Canada

http://ekati.bhpbilliton.com

목 차

서론 서론

예비조사 및 탐사 예비조사 및 탐사

개발 개발

폐광 및 환경정리 폐광 및 환경정리

연구사례 연구사례

서 론

„

자원의 분류

„ 재생 가능한 자원

„ 목재, 수자원, 공기 및 식량자원

„ 지구 순환계의 일부로서 재생 가능

„ 재생 불가능한 자원

„ 금속 광물자원

„ 비금속 광물자원

„ 에너지자원

(Craig et al., 1996)

자원 활용의 특징

„ 자원의 유한성

„ 기술개발과 인구증가에 의한 급격한 생산 증가

„ 자원에 대한 사회의 요구

„ 유용한 광물자원의 추출을 최대로 증가

⇒ 자원고갈문제, 지표환경오염 야기

자원의활용

시간 →

공급과잉 공급부족

새로운 자원의 활용

에너지원별의존도

1900 1600

(Mckinney and Schoch, 1996) 현재 목재

석탄 ?

석유

1) 재생 불가능한 자원 2) 자원의 편재성

광물자원의 특성

몇 가지 금속광물자원의 국가별 매장량이 세계의 확보광량에서 차지하는 비율

금 백금 니켈 코발트

(한국자원정보서비스(KOMIS) 자료; USGS, 2006)

3) 생산이 증가해도 생산비 감소 없음

생산이 증가하면 생산비가 적게 드는 개발이 용이한 자원이 소진됨

4) 생산 증가에 따른 환경 오염 증가

미국, 동광석의 채광품위가 1900년대 2.5%, 1990년대 0.5%

⇒ 5배의 폐석 발생

5) 개발대상이 기술과 환경변화에 따라 변화

보크사이트로부터 알루미늄 분해

6) 대규모의 초기 투자 후 자본 회임기간이 김

광물자원의 특성

유용성분의 농집

„ 광상(鑛床, Ore deposit)

„ 지각의 국부에 유용광물이 천연적으로 집합하여 채굴의 대상이 되는 곳

„ 광화작용(鑛化作用, Mineralization)

„ 유용금속들의 지각평균함량은 매우 낮아 농집되어야 채광 경제성이 있으며 이 농집작용을 광화작용이라고 함

„ 광석(鑛石, Ore)

„ 광화 작용을 거쳐 금속 및 비금속이 광물의 집합체를 이룬 것

Ore and minerals

Torbernite Uraninite

Diamond Ullmannite NiSbS

Cu(UO

)

(PO

)

·12H

O

UO

Gold

Copper

http://www.unitednuclear.com

http://www.mindat.org

에너지자원-석탄

„ 석탄의 성인

1) 고생대 석탄기와 페름기 초의 고온 다습한 기후에서 다양한 종류의 식물 성장 2) 유해가 습지 및 얕은 물에 쌓여

3) 지각의 침강으로 상부에 새로운 지층 형성

4) 형성된 지층의 압력을 받아 하부 식물층에 함유된 수소, 질소 및 산소의 대부분이 제거 5) 탄소를 주성분으로 한 물질이 고화되어

„ 석탄의 분류, 물리화학적 특성 및 발열량

종류 탄소성분

(%)

수분

(%)

발열량

(Kcal/Kg)

특징 및 이용

토탄 (이탄)

70 이하 20~30 4000 이하

- 식물질이 확인됨 - 연료로 사용 가능

갈탄 70~80 15 4000 - 흑갈색으로 점결성이 없음 - 착화성은 좋지만 열량이 적음 유연탄

역청탄 78~90 8 5000~

6500

- 황색 불꽃을 냄

- 가열시켜 휘발성분을 제거한 후 제철용 코크스의 원료로 사용

무연탄 90 이상 2 이하 6000~

7000

- 흑색을 띠고 광택이 남

- 연기 없이 파란 불꽃을 내며 연소 - 난방용으로 사용

에너지자원-석유

„ 석유

„ 지층에서 산출되는 가연성의 액상 탄화수소 혼합물(원유, Crude oil)과 이를 정제하여 얻은 유상유체(석유제품)를 총칭

„ 석유의 생성 과정

1) 유기물 속에 함유된 산소, 질소 및 기타 원소가 제거되고 탄소, 수소 성분만 잔존 2) 유기 퇴적물 위에 새로운 지층이 퇴적되어 열과 압력을 받아 화학적 변화

3) 수용 가능한 장소로 이동하여 형성

광구권 확보

석유탐사

시추

유정완결

유전평가

석유의 개발단계

석유수송 및

제품생산

석유회수

시작

종료

에너지자원-천연가스

„

천연가스의 성인

„ 바다, 호수 등에 퇴적된 유기물들이 오랜 시간 동안 분해되어 가스 상태로 보존 된 것

„ 생성 과정은 석유와 거의 동일함

„ 최근 들어 청정 에너지원으로 각광받고 있음

„

액화석유가스 (LPG)

„ 발열량 높음(12,000kcal/kg)

„ 오염물질이 석유보다 적음

„ 현재로서는 벙커유 사용에 비해 비경제적임

„

액화천연가스 (LNG)

„ 메탄, 에탄, 부탄 등으로 구성

„ 발화점 낮음, 열량 높음, 순도 높음, 공기보다 가벼워 위험도 낮음

„ 청정연료로서 각광

전세계 및 국내 에너지 소비 현황 (2003년)

1차 에너지 최종에너지

세계 OECD 한국 세계 OECD 한국

석유 34.4 40.7 52.0 석유 42.6 52.7 58.6 석탄 24.4 20.5 22.2 석탄 7.4 3.4 13.8 가스 21.2 22.0 11.2 가스 16.4 19.9 9.4 원자력 6.5 10.7 15.1 전력 16.1 19.4 15.4

수력 2.2 2.0 0.8 연소가능한

재생가능&폐기물 14.0 3.2 연소가능한

재생가능&폐기물 10.8 3.3 재생가능 3.5 1.4

2.8

1.5 재생가능 0.5 0.8

계 100 100 100 계 100 100 100

(IEA, 2005)

(단위 : %)

주요 국가의 석탄 생산량과 매장량 (2005년)

-100 100 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500

러시아 미국 중국 호주

석탄 생산량

유.무연탄 매장량

아역청탄,갈탄 매장량

생산량 단위 : 백만톤 매장량 단위 : 억톤 생산량 자료 : BP Statistical Review of World Energy 2006

매장량 자료 : WEC (World Energy Council), Survey of Energy Resources

석유의 매장량과 가채년수

대한석유협회 자료

The major commodity organizations

(Craig, et al., 1996)

Membership of the Organization of Petroleum Exporting Countries (OPEC)

Country Joined OPEC Location

Algeria 1969 Africa

Angola 2007 Africa

Indonesia 1962 Asia

IR Iran 1960* Middle East

Iraq 1960* Middle East

Kuwait 1960* Middle East

SP Libyan AJ 1962 Africa

Nigeria 1971 Africa

Qatar 1961 Middle East

Saudi Arabia 1960 Middle East

United Arab Emirates 1967 Middle East

Venezuela 1960* South America

*founder Members

http://www.opec.org

금속광물 가격 변동

금속 광물 가격 변화

0.00 10,000.00 20,000.00 30,000.00 40,000.00 50,000.00 60,000.00

2002년 1월 2002년 5월 2002년 9월 2003년 1월 2003년 5월 2003년 9월 2004년 1월 2004년 5월 2004년 9월 2005년 1월 2005년 5월 2005년 9월 2006년 1월 2006년 5월 2006년 9월 2007년 1월 2007년 5월

US$/톤

니켈 구리 주석 납

한국자원정보서비스(KOMIS) 자료

석유 가격 변동

Continued unrest in Venezuela and Iraq

Energy Information Administration (USA) 홈페이지

OPEC oil embargo OPEC tightens

supplies

New oil producers appear

Over production of oil

Allied force attack Iraq

Over production of oil (Iraq) OPEC pledges

production cuts Hurricane Ivan (USA)

Tropical Storm Cindy and Hurricanes

Dennis, Katrina, and Rita (USA)

예비조사 및 탐사

OTHER OPTIONS

purchase of mine, prospect, etc.

COMPANY POLICY

specialization; refining and marketing facilities

ECONOMIC ANALYSIS

OF

COMMODITY MARKETS

POLITICAL FACTORS

policies of governments

GEOGRAPHICAL FACTORS

GEOLOGICAL FACTORS

minerals

MINERAL EXPLORATION

광체를 찾기 위한 탐사 전략 수립 과정 (Govett, 1983)

ECONOMIC ANALYSIS AND

COMMODITY SELECTION

SELECTION OF REGION

SELECTION OF DISTRICT

SELECTION OF TARGETS

IDENTIFICATION OF MINERAL OCCURRENCE

drilling

IDENTIFICATION OF MINERAL DEPOSIT

regional scale geological data

IDENTIFICATION OF ORE DEPOSIT

Possible

Stop

> 5,000 km²

500 – 5,000 km²

5 – 50 km²

< 5 km²

SELECTION OF AREA

follow-up exploration reconnaissance

exploration

detailed exploration

IDENTIFICATION OF TARGET

drilling

development work

MINERAL EXPLORATION

Stages of an exploration project (Modified from Eimon 1988)

Target appraisal

Exploration drilling

Pilot metallurgical

studies

Mine develop.

Assessment drilling

Test mining and metallurgical

studies

Production shaft, decline or overburden

removal

Mining

Geochem, ground geophysics,

mapping, surveying Conceptual

planning

Detailed planning

Reconn- aissance exploration

Decommiss- ioning and rehabilitation Literature

review

Literature review Field visit

Remote sensing, regional geochem,

airborne geophysics

ACTIVITYEXPENDITURE –LOGARITHMIC SCALE

Regional Selection

Area Selection

Prefeasibility Study

Feasibility Study

Mine production

initiation HIGH RISK

DECREASING RISK Key decision node

Rate of expenditure

Selection of region

„

Acquisition of regional scale geological data

„ Region > 5,000 km²

„ 문헌조사 및 예비조사

„ 지질도 및 광역지구화학도 조사

„ 기존 광산개발 자료 조사

„ GIS를 활용한 자료 통합

„ Field visit

„ 지질조사 및 시료 채취

„ 항공기, 헬리콥터, 원격탐사영상, GPS 장비 등 활용

지질도 및 광역지구화학도 조사

영국의 구리

(Cu)

이상대

(Anomaly)

한국자원정보서비스(KOMIS) 자료

(Webb et al.,

1978)

기존 광산개발 자료 조사

한국자원정보서비스(KOMIS) 자료

보고서 및 논문 참고 광산개발 지도

GIS를 활용한 자료 통합

지질도

화강암질 심성암

(Granitoid

plutons)

(DEM)

지구물리탐사 자료

지구화학탐사 자료

미국 Nevada주 북중부 퇴적암내 금 광체의 위치 예측(Turner, 1997) 사용 자료

Selection of district

„

Reconnaissance exploration

„ District : 500 – 5,000 km² (서울시의 면적 : 605.40 km²)

„ 적용 가능한 탐사 방법

„ 원격탐사

„ 지구물리탐사

„ 지구화학탐사

원격탐사

Remote sensing result (San Francisco Bay area, California, USA)

Analysis of remote sensing result

(Hamblin and howard, 2005)

지구물리탐사

Ore deposit a)

b)

c)

d)

물리탐사

역산

(Moon et al., 2006)

지구화학탐사

„

암석지구화학 탐사

„ 암석의 화학조성

(일반적으로 미량원소)을 측정하여 광화작용과

(Craig et al., 1996)

(전효택 외, 1993)

지구화학탐사

„

토양지구화학 탐사

„ 금속이 풍부한 모재가 있는 곳에서 간단한 풍화작용에 의한 흔적의 양상은 매장된 광석에 대해 매우 직접적이고 명백한 지구화학적 지침을 제시

Geochemical differences between the clay-sized (<0.002mm) and silt and clay-sized (<0.063mm)

fractions reflect mineral partitioning (Shilts, 1993, 1995).

http://gsc.nrcan.gc.ca

(Quebec, Canada)

-

광범위한 지역을 대표함

Stream sediments dilution formula

„

수계지구화학 탐사

„ 물, 퇴적물 시료 채취

지구화학탐사

지구화학탐사

지구화학탐사

„

식물지구화학 탐사

„ 생지구화학적 방법 (Biogeochemical

prospecting)

식물의 기관에 함유된 원소함량을 이용

„ 지구식물학적 방법 (Geobotanical

prospecting)

식물상 및 형태 등을

육안으로 관찰하여 탐사에 적용

소련 아르메니아 공화국 Okhchi River에서 식물회 및 토양 중의 Mo 함량

Cu-Mo 광화작용의 영향을 받은 Papaver commutatum의 꽃잎

a. 정상적인 꽃잎 b. 변형된 꽃잎

c. 꽃부리의 상호관계

a b

c (전효택 외, 1993)

Selection of area

„

Follow-up exploration

„ Area : 5 – 50 km²

„ 적용 가능한 탐사 방법

„ 원격탐사

„ 지구물리탐사

„ 지구화학탐사

원격탐사 자료를 활용한 암종 구분

(Utah, USA)

Selection of targets

„

Detailed exploration

„ Target : < 5 km²

„

적용 가능한 탐사 방법

„

원격탐사

„

지구물리탐사

„

지구화학탐사

중력 이상대가 주 광체

(+)와 일치 +

+

+

+

Portuguese pyrite belt (Data from Leca, 1990)

Identification of target

„

Exploration drilling

„ 탐사자료를 바탕으로 광체의 실재 여부와 연장부 파악을 위해 수행

„ 넓은 간격으로 시추

미국

Ontario주 Kirkland lake에서의 kimberlite 탐사 (McClenaghan et al., 1996)

Kirkland lake

Identification of mineral occurrence

„

Assessment drilling

„ 광체의 두께, 심도별 품위를 측정하고 광체의 넓이(맥폭)을 추정하여 광물의 매장량 계산

UDR 5000 (drilling rig) on site at Turquoise Hill, in Mongolia.

http://www.ivanhoe-mines.com

광물자원량의 분류

„

매장량과 관련된 용어

„ 확정광량(Measured resources) 지질조사가 완료되어 두 단면 이상에서 시추조사를 하여 확인된 광체만을 대상으로 계산된 광량

„ 추정광량(Indicated resources) 광체의 한 단면만을 확인하거나 확인된 구간으로부터 더 넓은 범위로 계산된 광량

„ 예상광량(Inferred resources) 지질학적 광량이라고도 하는데 지질조사 결과로서 확인된

광체로부터 지질학적 조건만으로 부존이 예상되는 구간을 대상으로 계산한 광량

(Kesler, S.E., 1994)

(전용원 외, 1997)

개발

„

Open pit mining

„ Productivity (high)

„ Production cost (low)

„ Size of mining equipment (big)

„ Ore with waste

„

Underground mining

„ Productivity (low)

„ Production cost (high)

„ Size of mining

equipment (small)

„ Ore only

(Hamrin, 1997)

Mining method

„

Affecting factors to select mining method

„ Size, shape, and orientation of the ore body, the grade of mineralization, the strength of the rock materials, and the depths involved must be considered.

„

Affecting factors for the size of opening

„ Structural defects

„ Filling materials

„ Orientation of ore body

„

Rock burst

„ A rock burst is a spontaneous, violent fracture of rock that can occur in deep mines because of intense pressure.

„ Major limitation to mining at depth

Open pit mining

„

Remove overburden

„

Dump down waste rock

„

Strip as conical chasms with terraced benches

„ Benches : haulage road and working platform

„

Extract materials (rocks and ore)

„ Drilling

„ Blasting

„ Loading

Underground mining

(a) Shrinkage stoping :

광체를 상부에서 폭파하고 파쇄된 광체 위에서 작업을 수행

(b) Cut and fill stoping :

광체를 제거하고 남은 공간을 폐석으로 다시 채우면서 진행

(c) Block caving :

광체 전체를 하부에서 폭파하고 광석들이 자연스럽게 draw point로 흐르도록 유도

(d) Room and pillar :

상부를 지지할 수 있을 정도의 광체를 기둥 형태로 남기고 채굴

(Craig et al., 1996)

Solution mining

(a) Bottom injection system : ^{암염과 같은}

용해성 물질이 대상

(b) The Frasch system :

고온의 물을 주입하여 황을 녹여냄

(c) In situ ore leaching :

산과 같은 용출제를 이미 파쇄된 곳으로 주입

(d) Heap leaching : ^파쇄된

암석을 유체가 투과하지 않는 막 위에 두고 용출제를 분사 최근 금 회수에 많이 사용됨

(Craig et al., 1996)

Mineral processing (Cu ore)

Crushing

Roasting

Leaching

Iron

Precipitation

Electrowinning

Refined Copper

Raffinate Pond

Offsite Recovery of Lead

Onsite Recovery of Lead

Solvent Extraction

Reclamation

Disposal

http://www.eere.energy.gov

폐광 및 환경정리

„

Laws regulating mining in USA

„ Surface Mining Control and Reclamation Act of 1977 (SMCRA)

„ Clean Water Act

„ Clean Air Act

…

„ Resource Conservation and Recovery Act of 1986 (RCRA)

„ National Environmental Policy Act

„

Reclamation

„ Removal of buildings

„ Restoration of the land surface to an acceptable contour

„ Alleviation of acid mine drainage

„ Filling

„ Revegetation

미국의 환경 법규가 강화됨

광업 활동에 기인되는 환경에 직간접으로 영향을 주는 요인

„ 채광방법

„ 지역적인 수문학적 특성

„ 기후

„ 암석의 종류와 조직

„ 채광규모

„ 채광지역의 지형적 특성

→ 복합적인 상호작용 영향 더 커짐

„ 광산 폐광 시 산성 갱내수의 발생으로 인한 수질오염

„ 유독원소의 분산(Cd, Co, Cu, Pb, Mo)

„ 지반침하

„ 비산되는 작은 입자들에 의한 공기오염

„ 지하수면의 변동(개발 : 하강, 폐광 : 상승)

„ 지형의 변화(자연경관 훼손)

„ 사회적인 문제(광산촌)

„ 토지이용 전환으로 인한 생태계 부작용

광물자원개발과 관련된 환경문제

Acid mine drainage

Alamosa River near the Summitville mine,

Colorado, USA (photo by Geoff Plumlee, 1994)

Production of sulfuric acid by reaction of pyrite

with air (King, 1995)

Land subsidence after solution mining

Cargill Sinkhole Hutchinson, Kansas, USA (Walters, 1978)

http://www.kgs.ku.edu

연구 사례

연구지역 지도 및 지질도

아프리카 말리 지역에서의

금광 탐사 (Chon, 1997)

연구지역 주변 사진 및 시료채취 과정

Reconnaissance survey : 37 traverse lines (259 km in total length)

2,597 개의 토양 시료 채취

Au As

Detailed

survey : 26 traverse lines (53 km in total

length)

2,146 개의 토양 시료 채취

개미집 (Termitaria) 시료 채취

Detailed survey 과정에서

Au As

Anomalous area Termitaria에서 채취한

토양의 Au, As 함량

국내 광산 주변 중금속 오염 사례

시흥 광산 관련기사

(경향신문, 1996년 3월 16일자)

시흥 광산 관련기사

(경향신문, 1996년 5월 7일자)

Geology and site description of the base metal mines and Au-Ag mine

Mine Type of ore

deposits Major metallic minerals

Main geology Working

period Topology and land use

Sambo hydrothermal

vein Pb, Zn

barite

Muscovite, schist, granite gneiss, two mica granite

1945-1991

1908-1970

1912-1973

Low hilly, flat paddy field, household garden

Kubong Au-bearing

quartz vein Au, Ag Granitic gneiss, lime-silicate

Low hilly, flat paddy field

Shi-Heung ^{skarn Pb, Zn, Cu} Biotite banded gneiss, schist, lime-silicates

Low hilly, flat

paddy field

Sampling location map of the Sambo Pb-Zn barite mine area

Taili ngs

Sample : tailings paddy soil farmland soil forest soil sediment stream water rice crops

Barite : BaSO

Pollution Index (PI) in soils from the Sambo Pb-Zn barite mine area

N

0 200 400m

Sambo mine

Tailings

Tailings

PI = [Cd/3+Cu/100+Pb/100+Zn/300]/4

Pollution Index (PI)

= Σ(element contents in soil/tolerable level)

No. of analysed elements

0 500 1000m

Kubong mine

Tailings

Contaminated site Control site

Sampling location map of

the Kubong Au-Ag mine area

Distribution of Cd in stream sediments, paddy soils, rice

stalks and grains from the Kubong Au-Ag mine area

Topography of the Shi-Heung Cu-Pb-Zn mine area

30 m

50

70

90

110

130

150

170

190

210

Tailings

Waste Landfill Site

Sampling Point

Stream

Mine

Ore Dressing Plant

0 500m

Sampling location map of

the Shi-Heung Cu-Pb-Zn mine area

S1

S2 S3

S4

S5 S6

S7 S8 S9

S10 S11

S12

S13

S14 S15

S16 S17

S18 S19

S20 S21

S22

S23 S24

S25

S26

S27

S28

S29

S30 S31

S32

S34

S33 S35

S36

S37 S38

S39 S40

S41 S42

SS1 SS2

SS3

SS4

SS5

SS6

SS7

0 M 200 M CONTROL AREA 1 CONTROL AREA 3

W1

W3 (W2)

(W4) (W5)

(W6)

(W7) (W8) SS8

S43 S44

S46 S45

SS9

SS10 SS11

SS12 SS13

SS14

SS15

0 M 200 M CONTROL AREA 2

N

MINE TAILINGS

WASTE LANDFILL SITE CONTROL AREAS OBJECT AREA

PADDY SOIL FARMLAND SOIL FOREST SOIL

STREAM SEDIMENT ( AND / OR WATER )

TAILING SOIL, DRESSING SOIL

< 50 (ppm) 50 - 100 100 - 500 500 - 1000

> 1000

< 25 (ppm) 25 - 50

> 50

SOIL SEDIMENT

0 M 20 0 M

< 50 (ppm) 50 - 100 100 - 500 500 - 1000

> 1000

< 90 (ppm) 90 - 200

> 200

SOIL SEDIMENT

0 M 20 0 M

Pb

0 M 2 00 M 0 M 2 00 M 0 M 2 00 M

Cu

N N

Distribution of Cu, Pb, Zn and Cd concentrations in soils and

sediments from the Shi-Heung Cu-Pb-Zn Mine area

1 - 3 3 - 10 10 - 30

> 30

0 M 2 00 M 0 M 2 00 M 0 M 2 00 M

< 1 (ppm) 1 - 6

> 6

< 1 (ppm)

SOIL SEDIMENT

SEDIMENT

0 M 2 00 M 0 M 2 00 M 0 M 2 00 M 0 M 200 M 0 M 200 M

< 100 (ppm) 100 - 300 300 - 1000 1000 - 5000

> 5000

< 90 (ppm) 90 - 200

> 200 SOIL

Zn Cd

N N

Distribution of Cu, Pb, Zn and Cd concentrations in soils and

sediments from the Shi-Heung Cu-Pb-Zn Mine area

Heavy metal concentrations around the Shi-Heung Cu-Pb-Zn mine

Cd 97

Cu 5,820 Pb 10,410 Zn 14,960

Tailings (mg/kg)

Cd 25

Cu 794 Pb 1,630 Zn 2,950

Sediment (mg/kg)

Cd 6.0

Cu -

Pb 41

Zn 165

Stream water (ug/l)

farmland forest Cd 11 4.2 Cu 233 101

Pb 742 336 Zn 1,620 475

Soil (mg/kg)

참고 문헌

„ 전용원 외, 1997, 지구자원과 환경 : 서울대학교 출판부, 492p.

„ 전효택 외, 1993, 응용지구화학 : 서울대학교 출판부, 380p.

„ 전효택 외, 1998, 환경지질학 : 서울대학교출판부, 529p.

„ BP Statistical Review of World Energy 2006.

„ Craig, J.R., Vaughan, D.J. and Skinner, B.J., 1996, Resources of the earth : Prentice Hall, 472p.

„ Evans, A.M., 1995, Introduction to mineral exploration : Blackwell Publishing, 396p.

„ Gubins, A.G., 1997, Geophysics and geochemistry at the millenium : GEO F/X Division of AG Information Systems Ltd., 1068p.

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