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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.30 No.3 pp.113-126
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2017.30.3.113

Mineral Compositions and Distribution in the Drilling Cores from the Miocene Pohang Basin, Korea

Jinhyun Lee, Jinyeon Hwang*, Moon Son, Byeong Seo Son, Jiho Oh, Hyomin Lee
Department of Geological Environmental Sciences, Pusan National University
Corresponding author : +82-51-510-2254, hwangjy@pusan.ac.kr
20170817 20170924 20170926

Abstract

In order to investigate the geological storage potential of CO2, X-ray diffraction analysis were conducted for drilling core samples collected from the two drilling sites located in Yonil group of the Miocene Pohang Basin. As a result, various minerals were identified such as quartz, plagioclase, orthoclase opal-CT, smectite, mica, illite, kaolin mineral, chlorite, calcite, gypsum, pyrite, dolomite, and siderite. Smectite was detected in almost all of core samples, and relatively large amounts of smectite were observed in the cores from deeper strata. Opal-CT, mainly occurred in the upper interval of cores, was formed by diagenesis of amorphous diatoms. It shows a tendency that d101 value of cristobalite decreases with depth from 4.10 Å to 4.05 Å. The almost identical variations in mineral composition with depth are observed at the two sites. This fact indicates that rocks distributed at the two sites were probably deposited in the similar depositional environments. It is determined that the strata in the study area can play roles of cap-rock for CO2 storage, because the considerable amounts of smectite were contained in the rocks through the cores.


마이오세 포항분지 시추코어의 구성광물과 분포특성

이 진현, 황 진연*, 손 문, 손 병서, 오 지호, 이 효민
부산대학교 지질환경과학과

초록

이산화탄소 지중저장 실증연구를 위하여 마이오세 포항분지의 연일층군에서 굴착한 2곳의 시 추코어 시료에 대해 X-선회절분석을 통하여 구성광물을 분석하였다. 그 결과, 석영, 사장석, 정장석, Opal-CT, 스멕타이트, 운모, 일라이트, 카올린광물, 녹니석, 방해석, 석고, 황철석, 돌로마이트, 능철석 등의 다양한 광물이 나타났다. 스멕타이트는 대부분의 시료에서 산출되고 있으며, 하부에서 비교적 많 이 함유되었다. 상부지층에 주로 산출하는 Opal-CT는 비정질 규조의 속성작용에 의한 것으로, 깊이에 따라 크리스토발라이트의 d(101) 값이 4.10 Å에서 4.05 Å으로 대체적으로 감소하는 경향이 나타났 다. 두 시추공에서 광물성분의 분포가 서로 유사하게 대비되어, 거의 같은 퇴적환경에서 형성된 것으 로 생각된다. 스멕타이트가 대부분의 심도에서 상당량 함유되어 있으므로, 이들 지층은 이산화탄소의 지중저장시 덮개암의 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.


    Pusan National University

    서 언

    전 세계적으로 이산화탄소 지중저장의 유망지층 으로 대염수층, 석유와 가스층, 탄층 등이 제안되 고 있다(IEA, 2008, Metz, et al., 2005). 이 중 가 장 높은 저장능력을 보이는 것은 지하 800 m~수 km 심부의 안정적인 지질구조 내에 존재하는 대염 수층이다. 대염수층은 사암과 같은 다공성 퇴적암 층 내 공극수가 오랫동안 흐름이 정체되어 암석과 반응하여 염수화된 지층을 말하며 주로 성숙된 퇴 적분지 내에 존재한다. 국내에는 다수의 퇴적분지 들이 발달하고 있으나 상대적으로 높은 투수율과 공극률을 보이는 퇴적층이 존재할 수 있는 곳으로 는 한반도 남동부의 신생대 마이오세 분지들이 우 선적으로 검토되고 있다(Song et al., 2015).Fig. 1

    이러한 이산화탄소 지중저장 실증을 위한 후보 지를 선정하기 위해 연구를 위하여 구조지질조사, 대심도 시추, 물리탐사, 지층의 물성 등에 관한 많 은 조사와 분석이 수행되고 있다(Song et al., 2015). 이러한 과정에서 신생대 포항분지 내의 연 일층군에 속하는 이암층의 2곳에서 굴착한 시추의 코어시료를 입수하였다. 이들 시추코어의 암질 종 류에 대한 평가는 수행되었으나(Song et al., 2015), 이들 암층의 광물성분에 대한 연구는 이루 어지지 않았다. 지층의 특성은 그 암층의 구성요소 인 광물입자들의 종류와 함량, 조직 등에 의해 특 징지어진다. 따라서 암층의 구성물질 단위인 광물 성분에 대한 검토가 매우 중요하다. 이러한 점을 감안하여 이들 코어시료에 대하여 X-선회절분석을 통하여 구성광물을 상세히 분석하여, 심도별 지층 의 분포특성을 광물학적으로 규명하고자 하였다. 시추코어 시료의 광물의 종류와 함량, 광물조합, 분포상태, 광물특성 변화, 형성과정 등을 검토하였 다. 또한 이러한 시추코어의 광물학적 특성분석을 통하여 지층의 대비와 형성과정과 함께, 그 하부 지하에 이산화탄소 지중저장의 가능성도 검토하고 자 한다.Fig. 2Fig. 3

    시료 및 연구방법

    시료는 연구과제가 완료되어 한국지질자원연구 소에서 보관 중인 시추코어에서 채취하여 사용하 였다. 이번 연구는 경상북도 포항시 흥해읍의 포항 분지 연일층군에서 심부 시추한 두 곳의 코어시료 를 대상으로 하였다(Fig. 1). 심도 552 m까지 시추 한 제1시추공(PHCLH1)에서 47개 시료와, 490 m 까지 시추한 제2시추공(PHCLH2)에서 38개 시료 를 채취하여 분석하였다. 코어의 암질을 고려하여 다양하게 시료를 채취하였으며, 대략 10~15 m 간 격으로 시료를 선택하였다. 시추코어의 주상도를 Figs. 2, 3에 나타냈으며, 각 시료별 암상에 대해서 도 Tables 1-2에 나타냈다.

    이들 시료에 대해 건조시킨 후 우선 모두 전암 으로 X-선회절분석을 행하였으며, 그리고 점토광 물에 대해서는 원심분리를 이용한 침강법으로 점 토입도로 분리하여 X-선회절분석을 실시하였다. 점토광물의 식별을 위해 에틸렌글리콜 처리 및 가 열처리 등을 행한 후에 X-선회절분석을 하였다.

    X-선회절분석은 Rigaku사의 CuKα선 분석 장 치로 수행하였고, 측정 시 전압 30 kV, 전류 15 mA, scan speed 2° 2θ/min, 시정수 1 sec, slit 1° (diverging slit)~0.3 mm (receiving slit)~1° (scatter slit)의 조건으로 측정하였다. 이들 X-선회절분석의 데이터를 Sietronics사 제품인 “Siroquant quantitative XRD software version 2.5”를 사용하여 광물성분 의 함량을 정량하였다.

    연구결과 및 토의

    지질과 시추코어 암상

    시추코어의 위치는 신생대 포항분지의 연일층군 에 속하는 지층이다. 연일층군을 Tateiwa (1924)는 천북역암과 연암셰일로 구분하였으며, 그 후 엄상 호 외(1964)는 이 중의 연암셰일을 학전층, 이동층, 두호층, 여남층으로 세분하였다. 그러나 그 후 Yun (1986)은 이들 지층에 대해 구조적, 암상적, 미고 생물학적으로 연구하여 학전층과 두호층만이 존재 하고 나머지 지층들은 이 두층들이 습곡으로 인해 반복되어 노출된 것으로 해석하였다. 학전층은 암 회색 이암으로 주로 구성되며, 역을 함유한 사암층 이 협재되기도 한다. 두호층은 포항시 주변에 많이 분포하며, 갈회색을 띠며 두껍고 균질한 이암으로 구성되나 사암이 얇게 포함되기도 한다. 천북역암 은 백악기의 화산암, 화강암, 세일로 주로 구성된 역들이 포함되어 있다. 이 역암층에는 사암과 이암 이 협재되기도 한다. 이 사암층에는 연체동물의 화 석이 다수 발견되는데, 이것으로 보아 천해환경임 을 지시한다(Yoon, 1975). 그리고 Yoon (2010)은 연일층군을 최상부를 흥해층, 그 아래의 학전층, 천곡사층, 단구리역암으로 구분하였다. 이상과 같 이 연일층군에 대해서 연구자들에 따라 층서와 지 층명이 달라져왔다. 그만큼 이곳의 지층들에 대한 구분과 상호관계가 다소 어려운 점이 있어 혼돈되 는 경우가 많다. Fig. 1에 나타낸 지질도는 Son et al. (2013)가 제시한 연일층군에 대해 지표에서 관 찰되는 암상의 형태로서 구분한 것을 사용하였다. 여기서 규조질 이암층(Te 1), 렌즈상의 역암과 사 암을 협재하는 이암층(Te 2), 역암과 사암층(Te 3) 으로 구분하였다. 이번의 두 시추지점은 규조질 이 암층에 위치한다.Fig. 4

    시추 코어의 주상도(Figs. 2-3)에서 보는 바와 같 이, 이들 코어에는 대부분 이암(mudstone)으로 구 성되어 있고, 일부에서 사암과 역암이 포함되고 있 다. 이암에서는 회색, 담회색, 암회색을 띠는 것이 주로 나타나고, 국부적으로 석회질이암이 협재되어 있다. 제1시추 코어에서는 약 460 m까지 회색이암 이 주로 나타나고, 그 이하에서 550 m까지 다소 밝은 색을 띠는 담회색 이암이 주로 나타난다. 그 아래에 사암과 역암이 나타나고 552 m부터는 기 반암이 나타난다. 제2시추 코어에서는 약 360 m까 지 회색내지 암회색의 이암이 주로 나타나고, 그 이하에서 약 490 m의 기반암까지 다소 밝은 색을 띠는 담회색 이암이 주로 나타난다. 이처럼 두 시 추공에서 심도에 다소 차이가 있으나 암상의 분포 는 대체로 유사하다. 암회색, 담회색 등의 이암이 나타나는데, 이러한 암색은 유기물질의 함량에 크 게 좌우되는 것(Moon, et al., 1990)으로 암회색은 주로 유기탄소의 함량이 많기 때문으로 생각된다.

    X-선회절분석에 의한 구성광물과 조합

    2곳의 시추코어에 채취한 모든 시료들에 대하여 우선 전암으로 X-선회절분석을 수행하여 광물조성 을 분석하였다. 그리고 광물조성에 대한 정량분석의 결과를 Tables 1-2에 나타냈다. X-선회절의 분석결과 로 보면, 코어시료에는 석영, 사장석, 정장석, 크리스 토발라이트(cristobalite), 스멕타이트(smectite), 운모, 일라이트(illite), 카올린광물, 녹니석, 방해석, 석고, 황철석, 돌로마이트, 능철석 등의 다양한 광물이 나타났다. 대부분의 코어시료에서 석영과 장석을 포함하고 있으며, 장석에 비해 석영의 함량이 높게 나타난다. 석영은 4~88% 범위로 많은 함량을 보이 고 있으며, 사장석은 3~28% 범위로 적은 함량을 보인다. 이것은 장석은 석영에 비해 풍화에 약하기 때문으로 보인다. 장석으로는 사장석이 주로 나타 나고 칼륨장석은 가끔 소량 포함된다.Fig. 5

    시료에 따라 다양한 광물종이 포함되는데, 이들 의 광물조합을 자세히 검토하여 유사한 광물조합 으로 나누어 보았다. X-분석의 결과, 분석한 시료 들의 광물조합은 크게 4가지로 나누어 졌다. 즉, A 조합은 석영과 장석이 주요 구성광물로 나타나며 다른 광물들은 소량 수반되는 것이고, B조합은 크 리스토발라이트가 주요 구성광물로 나타나는 것이 고, C조합은 스멕타이트와 같은 점토광물이 주요 구성광물로 나타나는 것이며, 그리고 D조합은 방 해석과 시더라이트와 같은 탄산염광물과 석고 등 이 주로 포함되는 것으로 구분되었다. 이들 광물조 합에 대한 대표적인 시료에 대한 X-선회절패턴을 Fig. 4에 나타냈다. 그리고 각 시료별로 구분한 광 물조합을 Tables 1-2에 표시하였다. 여기서 광물조 합의 구분이 애매한 경우는 두 가지 조합을 같이 표시하였다.

    이들의 광물조합과 그 해당 시료의 암상과 분포 상태를 검토해 보면 약간의 상관관계가 나타난다. 석영과 장석이 주를 이루는 A조합은 사암, 실트암, 이암 등의 일반적인 쇄설성 퇴적암에 해당되는 것 으로 생각된다. A조합은 제1시추공에서는 최상부 시료와 함께 186~340 m에서 나타나고, 제2시추공 에서는 최상부 시료와 함께 160~260 m에서 나타나 서 서로 다소 유사한 분포를 보인다. B조합은 크리 스토발라이트의 X-선회절선이 크게 나타나는 것으 로, 2θ, 20.5° 부근의 작은 트리디마이트(tridymite) 의 회절선도 대부분 같이 수반되고 있어 Opal-CT 에 해당되는 것으로 볼 수 있다. 이곳의 지질로 보 아서 B조합은 주로 단백석, 즉 Opal-CT에 해당되 는 규조토질 이암으로 보인다. 규조질 이암은 포항 지역에 널리 분포하고 있으며, 비정질의 규조가 속 성작용에 의해 결정화되어 Opal-CT로 변한 것으 로 보인다. B조합은 제1시추공의 74~180 m 사이 에서 주로 나타났으며, 제2시추공의 20~120 m 사 이에서 주로 포함된다. 두 시추공의 상부지점에서 공통적으로 나타났으며 이 구간이 규조질 이암층 에 해당되는 것으로 보인다. 점토광물은 스멕타이 트가 주로 포함되어 있으며, 스멕타이트 외에 일라 이트, 녹니석, 카올린광물 등이 소량 수반되어 나 타났다. 이러한 점토광물을 다량 함유하는 C조합 은 드물게 여러 심도에서 나타나고 있다. 일반적으 로 하부 시료에서 스멕타이트가 많이 포함되는 경 향을 보인다. 제1시추공의 350 m 이하의 심도에서 는 거의 모두 A조합과 C조합의 중간 형태로서 석 영과 함께 스멕타이트도 많이 포함되고 있다. 제2 시추공의 280 m 이하의 심도에서도 마찬가지로 A 조합과 C조합의 중간 형태로 석영과 함께 스멕타 이트를 많이 포함하고 있다. 방해석, 능철석, 돌로 마이트, 석고 등을 다량 함유하는 D조합은 제1시 추공에서는 40, 240, 489 m의 3곳 시료에서 나타 났으며, 능철석과 방해석이 주로 포함되었다. 제2 시추공에서는 151, 234, 362, 420 m의 4곳 시료에 서 나타났으며, 주로 돌로마이트가 많이 포함되고 있다.

    구성광물의 분포와 특성

    스멕타이트

    전술한 바와 같이 코어시료의 분석결과, 많은 종 류의 광물들이 포함되는 것으로 나타났다. 이들 광 물종에 대해서 분포상태와 광물학적 특성을 검토 해 보고자 한다. 우선 대부분의 시료에서 산출되고 있는 점토광물인 스멕타이트에 대해서 검토해 본 다. X-선회절의 정량분석의 결과, 스멕타이트는 탄 산염암체와 같은 특이한 시료를 제외하고는 거의 모든 시료에 포함되어 나타났다. 극히 일부 시료에 서 10~29%의 많은 함량을 나타내는 경우도 있지 만, 일반적으로는 약 1~5%의 함량을 주로 나타낸 다(Tables 2, 3). 제1시추공에서 특이하게 많은 시 료(A-15, A-21)를 제외하면 약 350 m 이내까지는 스멕타이트의 함량이 2% 미만의 시료들로 되어 있 다. 그 이상의 깊이에는 약 3~5%의 스멕타이트 함 량을 나타낸다. 제2시추공에서도 약 260 m 이내까 지는 스멕타이트의 함량이 2% 미만의 시료들로 되 어 있으나, 그 이상의 깊이에는 약 3~5%의 스멕타 이트 함량을 나타낸다. 이것으로 보아 하부에서 비 교적 스멕타이트의 함량이 다소 많은 것으로 보인 다. 하부의 거의 모든 시료에서 유사하게 다량 포 함되는 경향을 나타낸다. 스멕타이트와 같은 미립 의 점토광물은 일반광물과 함께 혼합된 시료에서 X-선회절 정량분석을 할 경우에 낮은 결정도 때문 에 보통 그 함량이 적게 나타나는 경우가 많아서, 정확한 정량이 어렵다. 따라서 여기에 제시된 분석 치보다 실제로는 함량이 더 높을 것으로 생각된다.

    스멕타이트에 대해서 점토입도로 분리한 시료에 대해 무처리와 에틸렌글리콜을 처리한 후 X-선회 절 분석을 행한 결과, 중요 회절선에 대한 자료를 Tables 3-4에 나타냈다. 제1시추의 시료(Table 3) 에서 무처리한 스멕타이트는 12.81~15.35 Å의 다 소 넓은 범위의 저면간격을 나타내고 있으며, 에틸 렌글리콜 처리 후에는 16.67~17.82 Å의 범위로 팽 윤하는 특성을 보인다. 또한 무처리에서 12.8~13.8 Å 부근의 회절선과 d 값이 다소 큰 14.2~15.3Å 부근의 회절선으로 구분되는 경향이 나타났다. 제2 시추의 시료(Table 4)에서도 무처리한 스멕타이트 에서도 12.81~15.23 Å의 다소 넓은 범위의 저면 간격을 나타내고 있으며, 에틸렌글리콜 처리 후에 는 16.99~17.54 Å의 범위로 팽윤하는 특성을 보 인다. 여기서도 무처리에서 12.8~13.5 Å 부근의 회절선과 14.4~15.2 Å 부근의 회절선으로 구분되 는 경향이 나타났다. 이것으로 보아 제1, 2시추공 의 스멕타이트에 대한 이들 자료들이 대동소이한 것으로 나타났다. 무처리 시 저면반사의 d 값이 다 소 작은 12.8~13.8 Å 부근의 회절선은 Na과 같은 1가 양이온을 주로 포함하고, d 값이 다소 큰 14.2~15.3 Å 부근의 회절선은 Ca과 같은 2가 양 이온을 주로 포함하기 때문인 것으로 생각된다. 이 처럼 시료에 따라 층간에 다양한 양이온을 가지는 것으로 보인다. 이러한 분석치는 깊이에 따른 특별 한 경향성은 나타나지 않고 불규칙적으로 분포하 고 있다. 이것은 퇴적물 자체의 성분이나 공극수와 의 반응에 따라 달라지는 것으로 생각된다. d 값이 다소 작은 12.8~13.8 Å 범위의 회절선이 더 많이 나타났다. 모든 스멕타이트 시료들은 에칠렌글리콜 후에는 거의 유사하게 16.6~17.8 Å으로 팽윤하였 다. 따라서 d 값이 다소 작은 12.8~13.8 Å의 회절 선을 보이는 시료들이 더 많은 범위로 팽창한다.

    석유자원 탐사를 위한 동해 대륙붕 지역의 시추 코어에서 2500 m 이상의 심도에서 R = 1의 규칙 형 일라이트/스멕타이트가 나타나며, 그 상부까지 는 불규칙 배열(R = 0)의 일라이트/스멕타이트 혼 합층광물이 나타나는 것으로 알려져 있다(손병국, 2011). 따라서 이곳에서도 일라이트/스멕타이트 혼 합층광물이 포함되는지를 검토해 보기 위해 Tomita et al. (1988)에 의한 방법을 사용해 보았다. 즉, 에 칠렌글리콜 처리 후의 X-선회절선에서 2θ, 5.1~7.6° (p1), 8.9~10.2° (p2), 16.1~17.2° (p3)의 범위에 나 타나는 3개의 회절선의 2θ각을 측정하였다. 그 2θ 각에서 △2θ1 = p2 - p1, △2θ2 = p3 - p2으로 그 사이의 각도 차이를 계산하여 혼합층성분을 판단 하는 그래프에 적용해 보았다. Tables 3-4에 △2θ1 과 △2θ2의 분석치도 제시하였다. 제1시추공 시료에 서는 △2θ1은 5.10~5.51의 범위, △2θ2는 5.25~5.58 범위로서 크게 차이가 나지 않으며, 심도에 따른 별다른 경향은 나타나지 않는다. 제2시추공 시료에 서도 △2θ1은 5.12~5.48의 범위, △2θ2는 5.28~ 5.76 범위로서 크게 차이가 나지 않으며, 심도에 따른 별다른 경향은 나타나지 않았다. 이들 모든 시료에 대해 Tomita et al. (1988)에 의한 일라이 트/스멕타이트 혼합층광물의 층성분비 도표에 적용 시켜 본 결과, 모든 시료의 △2θ1와 △2θ2의 범위 가 혼합층광물에 속하지 않는 영역에 표시되었다. 따라서 이들 시료들은 일라이트층성분이 거의 없 는 스멕타이트에 해당되는 것으로 나타났다. 그러 나 Inoue et al. (1989)에 의하면 에칠렌글리콜 처 리 후의 X-선회절선이 약 17 Å 피크의 저각도 쪽 으로 바탕선이 높게 올라가 있는 경우에는 일부 일 라이트의 층성분을 포함하는 불규칙 배열(R = 0) 의 일라이트/스멕타이트 혼합층광물에 해당된다고 하였다. 이번에 분석한 대부분의 스멕타이트 회절 선에서도 약 17 Å 피크의 저각도 쪽으로 바탕선 이 약간 높게 나타나는 경우가 있었지만, 이는 2θ 가 0°에 가까워지면서 나타나는 일반적인 강도증가 와 겹치기 때문에 판단이 어려웠다. Fig. 4에는 깊 은 곳의 한 시료(A-43, 520 m)에 대한 에칠렌글리 콜과 가열 처리를 행한 X-선회절선을 나타냈다. 여 기서 무처리에 14.9 Å의 회절선이 에칠렌글리콜 처리에 17.3 Å으로 크게 팽창하며, 300℃의 1시간 가열처리에서 9.8 Å으로 수축하며, 550℃ 가열처 리에서 9.5 Å으로 크게 수축하는 것으로 보아 이 것은 스멕타이트인 것으로 볼 수 있다. 극히 일부 일라이트의 층성분을 포함하는 불규칙 배열(R = 0) 의 일라이트/스멕타이트 혼합층광물이 있다하더라 도 그 층성분함량은 매우 적을 것으로 생각된다.

    단백석(Opal-CT)

    전술한 바와 같이 B조합의 주성분 광물인은 단 백석은 규조질 이암에서 산출되는 것으로 판단된 다. 규조질 이암은 포항지역에 널리 분포하고 있으 며, 비정질의 규조가 속성변질작용에 의해 결정화 되어 Opal-CT로 변한 것으로 알려지고 있다 (Garrison et al., 1979; Noh, 1994). 이러한 변질정 도에 따라 비정질 실리카에서 Opal-CT를 거쳐 석 영으로 바뀌는 과정에서 크리스토발라이트의 d101 값은 4.10 Å에서 4.05 Å으로 감소하는 것으로 알 려져 있다(Mizutani, 1977). 따라서 이들 시료에 대 하여 크리스토발라이트의 d101 값을 측정해 보았다. 그 결과의 일부를 Fig. 6에 나타냈다. 그림에서 보 듯이 제1시추공에서는 d101 값이 40 m 깊이의 시 료(A-3)에서 4.103 Å으로부터 깊이가 증가할수록 점차 감소하여 240 m 깊이의 시료(A-18)에서 4.058 Å의 값을 나타낸다. 제2시추공에서도 유사 하게 20 m 깊이의 시료(B-51)에서 4.092 Å으로부 터 깊이가 증가할수록 점차 감소하여 140 m 깊이 의 시료(B-60)에서 4.051 Å의 값으로 변한다. 제1, 2시추공에서 d101 값이 변화되는 심도에 차이는 있 으나, 공통적으로 약 4.10 Å에서 약 4.05 Å으로 감소하는 경향을 나타낸다.

    이러한 결과는 규조의 비정질 실리카에서 Opal-CT를 거쳐 석영으로 바뀌는 과정에서 크리 스토발라이트의 d101 값은 4.10 Å에서 4.05 Å으로 감소하는 것으로 알려진 Mizutani (1977)의 연구와 대체로 잘 일치한다. 따라서 이러한 변화는 저온의 속성변질작용에 의한 것으로 생각된다. Behl and Garrison (1994)는 유기성 기원의 실리카 함량과 크리스토발라이트의 d101 값에 따른 생성온도와의 관계에 대한 연구를 수행하였다. 이곳의 시료에서 유기성 기원의 실리카 함량을 알 수 없기 때문에 온도 추정이 어려우나, d101 값이 대략 4.10 Å에서 4.05 Å의 범위로 생각할 때 대략적으로 온도가 50~80℃의 범위에서 변화된 것으로 추정된다.

    기타 광물

    전술한 광물성분의 분석결과를 보면, 코어시료에 는 석영, 사장석, 정장석, 크리스토발라이트를 포함 하는 opal-CT, 스멕타이트, 운모, 일라이트, 카올린 광물, 녹니석, 황철석, 석고, 방해석, 돌로마이트, 능철석 등의 여러 광물들이 나타났다. 여기서 석 영, 사장석, 정장석, 운모, 일라이트, 카올린광물, 녹니석 등은 일반적인 광물학적 특성으로 보아 쇄 설성 퇴적물에서 기원된 것으로, 기원암의 종류와, 침식, 풍화, 운반, 퇴적의 과정에 따라 다양한 성분 과 형태로 퇴적물에 포함된 것으로 생각된다. 앞에 서 검토되었듯이 Opal-CT는 규조의 퇴적과 속성 작용에 의해 형성되었다고 본다. 스멕타이트는 포 항분지 주변에 신생대 마이오세의 많은 화산활동 에 의한 화산암류가 분포하고 있어서 이러한 화산 암류의 응회암과 같은 화산유리질물질이 변질되고 속성작용을 받아 형성된 것으로 생각된다.

    그 외에 황철석, 석고, 방해석, 돌로마이트, 능철 석 등의 여러 광물들도 나타났다. 황철석은 거의 대부분의 시료에서 소량으로 고루 나타났으며, 석 고와 방해석은 함량의 차이가 다소 있으나 대부분 의 시료에서 산출되고 있다. 따라서 황철석, 석고, 방해석의 광물들은 이곳 퇴적암층의 일반적인 구 성광물로 볼 수 있다. 유기물질을 많이 포함하는 이암이 많아서 주로 유기물질에서 기원된 황에 의 해 황화광물과 황산염광물이 형성된 것으로 추정 된다. 즉 이에 부가하여 퇴적물의 Fe, Ca 등이 해 수와 반응해서 황철석과 석고가 생성된 것으로 볼 수 있다. 그리고 탄산염광물인 돌로마이트와 능철 석은 일부 시료에 대하여 집중적으로 산출되고 있 다. 능철석은 석회질이암이나 담회색 이암에서 대 체로 많이 나타나며, 방해석과 같이 공존해서 산출 한다. 이것으로 보아 퇴적물의 Fe이 탄산이 많은 조건에서 속성과정에서 형성된 것으로 생각된다. 서해안의 남양만 이질퇴적물에서도 능철석이 다량 발견되었으며, 이에 대한 연구 결과 퇴적층의 공극 내에서 초기속성작용에 의해 형성된 자생 능철석 으로 알려졌다(Cho and Lim, 2002). 이러한 예로 보아서도 이곳의 시추코어에서 산출되는 능철석도 속성작용의 과정에서 형성된 것으로 볼 수 있다.

    돌로마이트는 제2시추공의 B-61, B-80시료에서 다량 함유되고 있다. 거의 순수한 돌로마이트로서 국부적으로만 산출하고 있다. 이러한 산출상태로 보 아서 이것은 이곳 포항분지 연일층군의 육지 지층 에서 보고된 탄산염 결핵체(Woo and Noh, 1997; Woo et al., 2003)에 해당되는 것으로 생각된다. 이들 연구에서 퇴적물과 해수에서 공급된 Ca, Mg 이 퇴적환경과 매몰속성과정에서 지화학적 환경조 건에 따라 여러 형태의 결핵체가 형성된 것으로 나 타냈다.

    Grim and Guven (1978) 등의 연구와 같이 스멕 타이트는 흡착성, 흡수성, 이온교환성, 촉매성, 불 투수성 등의 많은 물리화학적 특성이 있으며, 스멕 타이트는 지층의 열극이나 균열, 공극에 침투하여 물의 이동을 차단하는 방수역활을 하기 때문에 그 라우팅의 재료로서, 방사능물질의 차단재로서 널리 이용되고 있다. 이처럼 스멕타이트가 많은 지층은 불투수층이 되고 지하수의 이동을 막으며, 석유 및 가스가 부존될 수 있도록 상부의 덮개암으로 역할 을 하는 것이 일반적으로 알려지고 있다. 따라서 전술한 바와 같이 이번 두 곳에서 시추한 지층에서 상당량의 스멕타이트가 거의 모든 지층에 포함되 어 있는 것으로 확인되었기 때문에, 만약에 그 하 부에 이산화탄소를 저장할 경우에 이 지층이 덮개 암으로 역할이 가능할 것으로 생각된다. 또한 이들 지층이 대부분 미립질의 이암층으로 구성되어 있 으며, 두 곳의 시추지점간 거리가 약 4.6 km으로 멀리 떨어져 있지만, 지하에서 서로 지층이 유사하 게 대비되는 것으로 보아 이들 퇴적층은 거의 수평 에 가깝게 분포되어 있는 것으로 볼 수 있으므로, 덮개암으로서의 좋은 조건인 것으로 생각된다.

    결 언

    이산화탄소 지중저장 실증연구를 위하여 신생대 포항분지의 연일층군에서 굴착한 2곳의 시추코어 시료에 대하여 X-선회절분석을 통하여 구성광물을 분석하여, 광물의 종류, 분포상태, 특성 등에 대해 검토하였으며, 그 결과는 아래와 같다.

    • 1) 시추코어의 시료에서 석영, 사장석, 정장석, Opal-CT, 스멕타이트, 운모, 일라이트, 카올린광물, 녹니석, 방해석, 석고, 황철석, 돌로마이트, 능철석 등의 다양한 광물이 발견되었다.

    • 2) 스멕타이트는 무처리시 12.8~15.3 Å의 다소 넓은 범위를 보이며, 에틸렌글리콜 처리 후에는 16.7~17.8 Å으로 팽윤하며, 550℃ 가열처리에서 약 9.5 Å으로 크게 수축하였다. 스멕타이트는 대 부분의 시료에서 산출되고 있으며, 하부에서 비교 적 많이 함유되었다.

    • 3) 상부지층에 주로 산출하는 Opal-CT는 비정질 규조의 속성작용에 의한 것으로, 깊이에 따라 크리 스토발라이트의 d101 값이 4.10 Å에서 4.05 Å으로 대체적으로 감소하는 경향이 나타났다.

    • 4) 황철석, 석고, 방해석, 돌로마이트, 능철석 등 은 유기물에서 유래된 황과 탄소와 함께 모질물이 해수에서 퇴적되어 속성작용의 과정에서 형성된 것으로 생각된다.

    • 5) 약 4.6 km 거리의 두 시추공에서 광물성분의 분포가 서로 유사하게 대비되어, 거의 같은 퇴적환 경에서 거의 수평적으로 형성된 것으로 생각된다.

    • 6) 지층이 대부분 미립질의 이암층으로 구성되 며, 스멕타이트가 대부분의 심도에서 상당량 함유 되며 넓은 범위로 연장되어 있으므로, 이산화탄소 의 지중저장 시 덮개암으로서의 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.

    • 7) 이번의 결과들은 차후 이산화탄소 저장, 폐기 물 처분, 석유개발, 층서규명 등의 여러 연구에 기 초자료로도 활용될 것으로 기대한다.

    사 사

    이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하 여 연구되었음을 밝힙니다. 바쁘신 중에도 세심히 심사 해 주신 두 심사위원님들께 감사드립니다.

    Figure

    JMSK-30-113_F1.gif

    Geological map of the Pohang Basin showing the distribution of the Miocene sedimentary rocks and major faults (modified from Son et al., 2013; Song et al., 2015). Te1: Conglomerate and sandstone, Te2: Mudstone with lenses of conglomerate and sandstone, Te3: Diatomaceous mudstone.

    JMSK-30-113_F2.gif

    Columnar sections of rock cores of the 1st drilling site.

    JMSK-30-113_F3.gif

    Columnar sections of rock cores of the 2nd drilling site.

    JMSK-30-113_F4.gif

    Representative X-ray powder diffraction patterns of rock samples of drilling cores. Q; quartz, F; feldspar, Cr; cristobalite, Tr; tridymite, S; smectite, M; mica and illite, Ca; calcite, Si; siderite. A, B, C, D; the types of mineral assemblages.

    JMSK-30-113_F5.gif

    X-ray powder diffraction patterns of the sample A-43. NT; not treated, EG; treated with ethylene glycol, 300℃; heated sample to 300℃, 550 ℃; heated sample to 550℃.

    JMSK-30-113_F6.gif

    Correlation between the d101 spacing of cristobalite in opal-CT and the depth of sampling. A; the 1st drilling site, B; the 2nd drilling site.

    Table

    Mineral composition of rock cores of the 1st drilling site (wt%)

    Qtz : Quartz, Pla : Plagoclase, K-f : Potassium feldspar, Cr : Cristobalite, Tr : Tridymite, Sm : Smectite, Mi : Mica, illite, Ka : Kaolinite, Ch : Chlorite, Py : Pyrite, Si : Siderite, Cal : Calcite, Gyp : Gypsum, Dol : Dolomite

    Mineral composition of rock cores of the 2nd drilling site (wt%)

    Qtz : Quartz, Pla : Plagoclase, K-f : Potassium feldspar, Cr : Cristobalite, Tr : Tridymite, Sm : Smectite, Mi : Mica, illite, Ka : Kaolinite, Ch : Chlorite, Py : Pyrite, Si : Siderite, Cal : Calcite, Gyp : Gypsum, Dol : Dolomite

    XRD data of smectite in rock cores of the 1st drilling site

    NT; not treated, EG; treated with ethylene glycol.

    XRD data of smectite in rock cores of the 2nd drilling site

    NT; not treated, EG; treated with ethylene glycol.

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