전기 고생대 태백산분지의 분지 진화

권이균,권유진,여정민,이창윤,Kwon, Yi Kyun,Kwon, Yoo Jin,Yeo, Jung Min,Lee, Chang Yoon 대한자원환경지질학회 2019 자원환경지질 Vol.52 No.5

본 연구는 최근 수행된 퇴적층서학 및 고생물학적 연구결과를 종합하고, 새롭게 분석된 자료를 보강하여, 전기 고생대 태백산분지의 고환경과 고지리를 복원하였다. 또한 순차층서학적 방법을 사용하여 조구조적 운동과 해수면 변동을 추적하여 종합적인 분지해석을 수행하였다. 태백산분지는 태백, 정선-평창, 영월-제천, 문경 지역에 넓게 분포하고 있으며, 암상 및 층서 특성에 따라 태백, 영월, 용탄, 평창, 문경 층군으로 구분되어 조사 및 연구가 진행되어 왔다. 태백산분지의 퇴적체는 탄산염암과 규산쇄설성 퇴적암이 혼합되어 있는데, 최근 쇄설성 퇴적물의 기원과 퇴적 연대에 대한 연구가 집중적으로 이루어졌다. 태백산분지에 공급되는 쇄설성 퇴적물의 근원지는 크게 곤드와나지괴와 한중지괴 기원지로 나누어진다. 태백산분지의 형성 초기에 태백대지와 정선-평창대지는 주로 한중지괴 기원지로부터 퇴적물을 공급 받았으며, 영월-제천 대지는 지리적 혹은 지형적 분리에 의해 한중지괴의 영향이 차단되고, 주로 곤드와나지괴 기원지로부터 퇴적층을 공급받았다. 쇄설성 저어콘 분석 결과는 중기 캠브리아 시기의 전 지구적 해수면 상승으로 인해 태백산분지 전체적으로 곤드와나지괴 기원의 퇴적물이 공급되었으며, 한중지괴 기원의 퇴적물은 공급이 멈추었음을 보여주고 있다. 한편, 태백산분지의 북쪽에 분포하는 정선-평창 대지의 퇴적체는 전기 캠브리아기와 오르도비스기 지층사이에 부정합 관계를 보여주고 있는데, 이것은 중기-후기 캠브리아 시기에 전 지구적 해수면 상승효과를 상쇄할 규모의 지역적 융기 운동이 정선-평창 대지 인근에서 존재했음을 보여준다. 이러한 융기운동은 최후기 캠브리아기와 최전기 오르도비스기에 태백산 분지 전역으로 확대되었다. 최전기 오르도비스기 이후에 태백산 분지는 조구조적으로 안정화되었고, 분지 전체적으로 해수면이 상승하면서 천해 탄산염 퇴적환경이 조성되어 두꺼운 탄산염암이 형성되었다. 전기 고생대 태백산분지의 퇴적작용은 후기 오르도비스기 동안 태백산분지와 한중지괴 전역에서 발생한 융기운동에 의해 종료되었다. This study reconstructed the paleoenvironments and paleogeography of the Taebaeksan Basin, through a review of the previous researches on sedimentology, paleontology and stratigraphy. This study also carried out a sequence stratigraphic analysis on regional tectonism and sea-level fluctuations on the basin during the Early Paleozoic. The basin broadly occur in the Taebaek, Yeongweol-Jecheon, Jeongseon-Pyeongchang, and Mungyeong areas, Gangwon province, South Korea. The basin-fills are composed mainly of mixed carbonates and siliciclastics, divided into the Taebaek, Yeongweol, Yongtan, Pyeongchang and Mungyeong groups according to lithologies and stratigraphic characteristics. Recently, there are a lot of studies on the provenance and depositional ages of the siliciclastic sequences of the basin. The detrital sediments of the basin would be derived from two separated provenances of the core-Gondwana and Sino-Korean cratons. In the Early Cambrian, the Taebaek and Jeongseon-Pyeongchang platforms have most likely received detrital sediments from the provenance of the Sino-Korean craton. On the other hand, the detrital sediments of the Yeongweol-Jecheon platform was probably sourced by those of the core-Gondwana craton. This separation of provenance can be interpreted as the result of the paleogeographic and paleotopographic separation of the Yeongweol-Jecheon platform from the Taebaek and Jeongseon-Pyeongchang platforms. The analyses on detrital zircons additionally reveal that the separation of provenance was ceased by the eustatic rise of sea-level during the Middle Cambrian, and the detrital sediments of the Taebaeksan Basin were entirely supplied from those of the core-Gondwana craton. During that period, sediment supply from the Sino-Korean craton would be restricted due to inundation of the provenance area of the craton. On the other hand, the Jeongseon-Pyeongchang platform sequences show the unconformable relationship between the Early Cambrian siliciclastic and the Early Ordovician carbonate strata. It is indicative of presence of regional uplift movements around the platform which would be to the extent offset of the effects of the Middle to Late Cambrian eustatic sealevel rise. These movements expanded and were reinforced across the basin in the latest Cambrian and earliest Ordovician. After the earliest Ordovician, the basin was tectonically stabilized, and the shallow marine carbonate environments were developed on the whole-platform by the Early Ordovician global eustatic sea-level rise, forming very thick carbonate strata in the basin. In the Late Ordovician, the Early Paleozoic sedimentation on the basin was terminated by the large-scale tectonic uplift across the Sino-Korean platform including the Taebaeksan Basin.

한국 이산화탄소 포집 및 저장 기술개발 및 상용화 추진 전략 제안

권이균,신영재,Kwon, Yi Kyun,Shinn, Young Jae 대한자원환경지질학회 2018 자원환경지질 Vol.51 No.4

본 연구에서는 2030년 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위한 실질적인 수단인 이산화탄소 포집 및 저장 상용화를 위한 구체적인 전략과 실행 계획을 검토하였다. 우리나라의 포집 및 저장 사업의 경제성 확보를 위한 추진 전략으로 1) 대용량 저장소 확보와 실질적 저장용량 평가의 시급성, 2) 포집원-저장소 수송거리 최소화, 3) 기술 혁신을 통한 비용 효율화, 4) 공공성 확보와 민간 참여를 유도하는 정부 정책 도입을 제안한다. 이러한 전략들을 바탕으로 2030년까지 이산화탄소 포집 및 저장 상용화를 위한 실행 계획이 수립되어야 한다. 실행 계획은 대규모 포집 및 저장 통합 실증과 이어지는 상용화 사업이 동일한 지역(저장소)에서 수행되도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한 단계별로 구체적인 목표를 세우고 목표 달성 여부를 면밀히 판단하여 계속 수행 여부를 단계마다 결정하는 시스템이 필요하다. 1단계(2019년~2021년)는 대규모 저장소 선정과 포집 기술 상용화 단계이다. 최종 부지 선정을 위한 시추와 조사가 이루어져야 하고, 연소 후 습식 포집 기술의 격상과 적용성이 확보되어야 한다. 저장소 및 포집원이 선정되면, 2단계(2022년~2025년)에 정부 주도의 100만톤급 이산화탄소 포집 및 저장 대규모 통합실증을 수행할 수 있다. 저장, 수송, 포집 설비 및 시설의 설계와 구축, 기술의 통합과 실증이 요구된다. 2단계 종료 시점에서 통합실증 성과와 탄소 시장의 성숙도 등을 바탕으로 상용화 사업 진입 여부를 결정해야 한다. 상용화 사업 추진이 결정되면, 포집 설비의 증설과 수송 및 저장 설비의 격상, 보완을 통해 3단계(2026년~2030년) 민간 주도의 400만톤급 이산화탄소 포집 및 저장 상용화 사업이 가능할 것이다. This study examines strategies and implementation plans for commercializing $CO_2$ capture and storage, which is an effective method to achieve the national goal of reducing greenhouse gas. In order to secure cost-efficient business model of $CO_2$ capture and storage, we propose four key strategies, including 1) urgent need to select a large-scale storage site and to estimate realistic storage capacity, 2) minimization of source-to-sink distance, 3) cost-effectiveness through technology innovation, and 4) policy implementation to secure public interest and to encourage private sector participation. Based on these strategies, the implementation plans must be designed for enabling $CO_2$ capture and storage to be commercialized until 2030. It is desirable to make those plans in which large-scale demonstration and subsequent commercial projects share a single storage site. In addition, the plans must be able to deliver step-wised targets and assessment processes to decide if the project will move to the next stage or not. The main target of stage 1 (2019 ~ 2021) is that the large-scale storage site will be selected and post-combustion capture technology will be upgraded and commercialized. The site selection, which is prerequisite to forward to the next stage, will be made through exploratory drilling and investigation for candidate sites. The commercial-scale applicability of the capture technology must be ensured at this stage. Stage 2 (2022 ~ 2025) aims design and construction of facility and infrastructure for successful large-scale demonstration (million tons of $CO_2$ per year), i.e., large-scale $CO_2$ capture, transportation, and storage. Based on the achievement of the demonstration project and the maturity of carbon market at the end of stage 2, it is necessary to decide whether to enter commercialization of $CO_2$ capture and storage. If the commercialization project is decided, it will be possible to capture and storage 4 million tons of $CO_2$ per year by the private sector in stage 3 (2026 ~ 2030). The existing facility, infrastructure, and capture plant will be upgraded and supplemented, which allows the commercialization project to be cost-effective.

이산화탄소 지중저장 사업의 추진현황 검토 및 한국의 추진방향 제안

권이균,Gwon, Lee-Gyun 한국전력공사 2016 KEPCO Journal on electric power and energy Vol.2 No.2

$CO_2$ 지중저장 기술은 가장 유력한 대용량 온실가스 감축기술의 하나이다. 이 기술을 적용하여 국제적으로 노르웨이, 알제리, 캐나다, 미국 등에서 이미 대규모 실증 및 상용화 사업이 수행되고 있으며, 호주, 일본, 네덜란드, 독일 등 그 밖의 여러 나라에서 다양한 내용과 규모를 갖는 중소규모 실증사업이 진행되고 있다. 한국도 소규모 육상 파일럿 저장 프로젝트와 중규모 해상 저장실증 프로젝트가 추진되어 착실하게 기술개발과 경험확보를 위해 노력하고 있다. $CO_2$ 지중저장 사업은 화석연료의 사용이 다른 에너지원으로 대체되기 전까지 지속적으로 확장될 것으로 예측되고 있으나, 온실가스 감축시장의 불안전성, 사업의 수익구조와 관련된 경제성, 누출에 대한 안전성 등의 위협요소를 갖고 있다. 따라서 이러한 위협을 극복하기 위해 많은 국가와 기업들이 저비용-고효율 지중저장 기술과 안전한 지중저장 기술의 확보를 목표로 연구개발 및 실증사업을 추진하고 있다. 한국의 경우에 저장소가 주요 포집원으로부터 상당한 거리를 갖고 있는 해저에 발달하고 있기 때문에 지중저장 사업의 경제성 확보가 매우 불리한 조건이다. 따라서 정부나 기업이 CCS 기술을 주요 온실가스 감축수단으로 채택하여 대규모 지중저장 사업을 본격적으로 착수하는 것을 주저하고 있다. 한국과 같은 불리한 조건을 갖는 국가의 경우에 특히 대규모 저장소의 확보를 포함한 저비용-고효율 지중저장 기술의 실용화가 절실하게 필요하다. 결론적으로 한국의 $CO_2$ 지중저장 사업의 성공적인 추진을 위해서는 대규모 저장소의 확보, 저비용-고효율 지중저장 기술의 개발과 실증을 통한 실용화, 중소규모 지중저장 실증사업으로 축적한 기술과 경험으로 대규모 지중저장 사업의 효율화 달성이 요구된다. 이를 위한 실천적인 로드맵과 프로그램의 작성과 착실한 이행 역시 중요하다. 이러한 기반이 착실하게 다져질 경우에 한국에서 대규모 CCS 통합실증과 $CO_2$ 지중저장 사업이 본격적으로 개시될 수 있을 것이다.

Late Quaternary Sequence Stratigraphy in Kyeonggi Bay, Mid-eastern Yellow Sea

권이균 한국지구과학회 2012 韓國地球科學會誌 Vol.33 No.3

The Yellow Sea has sensitively responded to high-amplitude sea-level fluctuations during the late Quaternary. The repeated inundation and exposure have produced distinct transgression-regression successions with extensive exposure surfaces in Kyeonggi Bay. The late Quaternary strata consist of four seismic stratigraphic units, considered as depositional sequences (DS-1, DS-2, DS-3, and DS-4). DS-1 was interpreted as ridge-forming sediments of tidal-flat and estuarine channel-fill facies, formed during the Holocene highstand. DS-2 consists of shallow-marine facies in offshore area, which was formed during the regression of Marine Isotope Stage (MIS)-3 period. DS-3 comprises the lower transgressive facies and the upper highstand tidal-flat facies in proximal ridges and forced regression facies in distal ridges and offshore area. The lowermost DS-4 rests on acoustic basement rocks, considered as the shallow-marine and shelf deposits formed before the MIS-6 lowstand. This study suggests six depositional stages. During the first stage-A, MIS-6 lowstand, the Yellow Sea shelf was subaerially exposed with intensive fluvial incision and weathering. The subsequent rapid and high amplitude rise of sea level in stage-B until the MIS-5e highstand produced transgressive deposits in the lowermost part of the MIS-5 sequence, and the successive regression during the MIS-5d to -5a and the MIS-4 lowstand formed the upperpart of the MIS-5 sequence in stage-C. During the stage-D, from the MIS-4 lowstand to MIS-3c highstand period, the transgressive MIS-3 sequence formed in a subtidal environment characterized by repetitive fluvial incision and channel-fill deposition in exposed area. The subsequent sea-level fall culminating the last glacial maximum (Stage-E) made shallow-marine regressive deposits of MIS-3 sequence in offshore distal area, whereas it formed fluvial channel-fills and floodplain deposits in the proximal area. After the last glacial maximum, the overall Yellow Sea shelf was inundated by the Holocene transgression and highstand (Stage-F), forming the Holocene transgressive shelf sands and tidal ridges.

캐나다 오일샌드와 베네주엘라 초중질유 부존지층의 직질학적 특성 비교

권이균 대한지질학회 2009 대한지질학회 학술대회 Vol.2009 No.

Sequence Stratigraphy of the Yeongweol Group (Cambrian-Ordovician), Taebaeksan Basin, Korea: Paleogeographic Implications

권이균,Kwon, Y.K. The Korean Society of Economic and Environmental G 2012 자원환경지질 Vol.45 No.3

전기 고생대 태백산분지 영월층군은 탄산염-규산쇄설성 퇴적암 복합체로서 하부로부터 삼방산층, 마차리층, 와곡층, 문곡층, 영흥층으로 이루어져있다. 영월층군에 대한 순차층서학적 분석에 따르면 중기 캠브리아기에 일어난 범람에 의해 최하부의 규산쇄설성 사질 퇴적암이 우세한 삼방산층이 퇴적되었다. 이어지는 후중기 캠브리아기 ~ 전후기 캠브리아기에 지속적으로 발생한 빠른 해수면 상승으로 마차리층 하부에는 셰일, 입자암, 각력암층을 협재한 사면 혹은 심부 램프 시퀀스가 형성되었다. 후기 캠브리아기 동안 지속된 해수면 상승은 실질적인 퇴적가능공간을 창출하였고, 조하대 환경에 탄산염 퇴적물 공장이 만들어졌으며, 탄산염 대지에는 마차리층을 구성하는 탄산염암이 우세한 조하대 시퀀스가 형성되었다. 마차리층 상부의 와곡층은 후후기 캠브리아기의 완만한 해수면 상승국면에서 만들어진 탄산염 램프 시퀀스로 해석되며, 퇴적 당시에는 리본 탄산염암과 탄산염 역암을 포함하는 이회암으로 구성되었던 것으로 보인다. 와곡층은 퇴적직후에 일차적으로 캠브리아기와 오르도비스기 사이의 해수면 하강국면에서 불안전 백운암화 과정을 거치고, 후에 심부 매몰 속성환경에서 광범위한 백운암화 작용을 받은 것으로 해석된다. 전기 오르도비스기에도 세계적인 해수면 상승과 해침은 지속되었으며, 영월층군의 조하대 램프 퇴적환경은 그대로 유지되어 탄산염 역암층을 협재하는 석회이암과 이회암이 교호하는 전형적인 램프 시퀀스인 문곡층이 형성되었다. 문곡층은 중기 오르도비스기에 퇴적된 것으로 알려진 영흥층에 덮여 있다. 영흥층은 주로 윤회층리를 보이는 조석대지 탄산염암으로 이루어져 있으며, 문곡층의 최상부에서 조하대 퇴적환경이 영흥층의 조석대지 퇴적환경으로 변화한다. 세계적 1차 규모 순차 경계면인 소크(Sauk)와 티피카누(Tippecanoe) 시퀀스의 경계는 영흥층 중부에서 관찰되는 최소퇴적가능공간 부근에서 인지된다. 중기 오르도비스기 초기의 세계적 해수면 하강과 이어지는 해수면의 급격한 상승은 영흥층의 전반적인 상향 천해화 윤회층의 전진퇴적체를 형성하였다. 영월층군이 퇴적된 영월 탄산염 대지의 상대적 해수면 변동곡선을 복원해 보면 같은 태백산 분지의 태백층군이 퇴적된 태백 탄산염 대지의 해수면 변동 곡선과 유사함을 확인할 수 있다. 이것은 두 개의 탄산염 대지가 유사한 조 구조적 운동 역사를 갖는다는 것을 의미하며, 이러한 유사성은 영월층군이 형성된 영월 탄산염 대지가 비록 태백층군이 퇴적된 태백 탄산염 대지와 상이한 퇴적시스템을 갖기는 하지만 상대적으로 가까운 지역에 속해 있었음을 암시한다. 퇴적층서 분석결과에 따르면 영월 탄산염 대지는 태백 탄산염 대지에 비해 상대적으로 열린 천해 환경이었을 것으로 추측된다. 고생대 후기와 중생대 전기에 걸쳐 발생한 북중국지괴와 남중국지괴의 충돌 시기에 영월 탄산염 대지와 태백 탄산염 대지가 복잡한 이동과정을 거쳐 현재의 태백산 분지에 모이게 된 것으로 해석된다. The Yeongweol Group is a Lower Paleozoic mixed carbonate-siliciclastic sequence in the Taebaeksan Basin of Korea, and consists of five lithologic formations: Sambangsan, Machari, Wagok, Mungok, and Yeongheung in ascending order. Sequence stratigraphic interpretation of the group indicates that initial flooding in the Yeongweol area of the Taebaeksan Basin resulted in basal siliciclastic-dominated sequences of the Sambangsan Formation during the Middle Cambrian. The accelerated sea-level rise in the late Middle to early Late Cambrian generated a mixed carbonate-siliciclastic slope or deep ramp sequence of shale, grainstone and breccia intercalations, representing the lower part of the Machari Formation. The continued rise of sea level in the Late Cambrian made substantial accommodation space and activated subtidal carbonate factory, forming carbonate-dominated subtidal platform sequence in the middle and upper parts of the Machari Formation. The overlying Wagok Formation might originally be a ramp carbonate sequence of subtidal ribbon carbonates and marls with conglomerates, deposited during the normal rise of relative sea level in the late Late Cambrian. The formation was affected by unstable dolomitization shortly after the deposition during the relative sea-level fall in the latest Cambrian or earliest Ordovician. Subsequently, it was extensively dolomitized under the deep burial diagenetic condition. During the Early Ordovician (Tremadocian), global transgression (viz. Sauk) was continued, and subtidal ramp deposition was sustained in the Yeongweol platform, forming the Mungok Formation. The formation is overlain by the peritidal carbonates of the Yeongheung Formation, and is stacked by cyclic sedimentation during the Early to Middle Ordovician (Arenigian to Caradocian). The lithologic change from subtidal ramp to peritidal facies is preserved at the uppermost part of the Mungok Formation. The transition between Sauk and Tippecanoe sequences is recognized within the middle part of the Yeongheung Formation as a minimum accommodation zone. The global eustatic fall in the earliest Middle Ordovician and the ensuing rise of relative sea level during the Darrwillian to Caradocian produced broadly-prograding peritidal carbonates of shallowing-upward cyclic successions within the Yeongheung Formation. The reconstructed relative sea-level curve of the Yeongweol platform is very similar to that of the Taebaek platform. This reveals that the Yeongweol platform experienced same tectonic movements with the Taebaek platform, and consequently that both platform sequences might be located in a body or somewhere separately in the margin of the North China platform. The significant differences in lithologic and stratigraphic successions imply that the Yeongweol platform was much far from the Taebaek platform and not associated with the Taebaek platform as a single depositional system. The Yeongweol platform was probably located in relatively open shallow marine environments, whereas the Taebaek platform was a part of the restricted embayments. During the late Paleozoic to early Mesozoic amalgamations of the Korean massifs, the Yeongweol platform was probably pushed against the Taebaek platform by the complex movement, forming fragmented platform sequences of the Taebaeksan Basin.

캐나다 아사바스카 오일샌드 지질특성

권이균,Kwon, Yi-Kwon 한국석유지질학회 2008 한국석유지질학회지 Vol.14 No.1

As conventional oil and gas reservoirs become depleted, interests for oil sands has rapidly increased in the last decade. Oil sands are mixture of bitumen, water, and host sediments of sand and clay. Most oil sand is unconsolidated sand that is held together by bitumen. Bitumen has hydrocarbon in situ viscosity of >10,000 centipoises (cP) at reservoir condition and has API gravity between $8-14^{\circ}$. The largest oil sand deposits are in Alberta and Saskatchewan, Canada. The reverves are approximated at 1.7 trillion barrels of initial oil-in-place and 173 billion barrels of remaining established reserves. Alberta has a number of oil sands deposits which are grouped into three oil sand development areas - the Athabasca, Cold Lake, and Peace River, with the largest current bitumen production from Athabasca. Principal oil sands deposits consist of the McMurray Fm and Wabiskaw Mbr in Athabasca area, the Gething and Bluesky formations in Peace River area, and relatively thin multi-reservoir deposits of McMurray, Clearwater, and Grand Rapid formations in Cold Lake area. The reservoir sediments were deposited in the foreland basin (Western Canada Sedimentary Basin) formed by collision between the Pacific and North America plates and the subsequent thrusting movements in the Mesozoic. The deposits are underlain by basement rocks of Paleozoic carbonates with highly variable topography. The oil sands deposits were formed during the Early Cretaceous transgression which occurred along the Cretaceous Interior Seaway in North America. The oil-sands-hosting McMurray and Wabiskaw deposits in the Athabasca area consist of the lower fluvial and the upper estuarine-offshore sediments, reflecting the broad and overall transgression. The deposits are characterized by facies heterogeneity of channelized reservoir sands and non-reservoir muds. Main reservoir bodies of the McMurray Formation are fluvial and estuarine channel-point bar complexes which are interbedded with fine-grained deposits formed in floodplain, tidal flat, and estuarine bay. The Wabiskaw deposits (basal member of the Clearwater Formation) commonly comprise sheet-shaped offshore muds and sands, but occasionally show deep-incision into the McMurray deposits, forming channelized reservoir sand bodies of oil sands. In Canada, bitumen of oil sands deposits is produced by surface mining or in-situ thermal recovery processes. Bitumen sands recovered by surface mining are changed into synthetic crude oil through extraction and upgrading processes. On the other hand, bitumen produced by in-situ thermal recovery is transported to refinery only through bitumen blending process. The in-situ thermal recovery technology is represented by Steam-Assisted Gravity Drainage and Cyclic Steam Stimulation. These technologies are based on steam injection into bitumen sand reservoirs for increase in reservoir in-situ temperature and in bitumen mobility. In oil sands reservoirs, efficiency for steam propagation is controlled mainly by reservoir geology. Accordingly, understanding of geological factors and characteristics of oil sands reservoir deposits is prerequisite for well-designed development planning and effective bitumen production. As significant geological factors and characteristics in oil sands reservoir deposits, this study suggests (1) pay of bitumen sands and connectivity, (2) bitumen content and saturation, (3) geologic structure, (4) distribution of mud baffles and plugs, (5) thickness and lateral continuity of mud interbeds, (6) distribution of water-saturated sands, (7) distribution of gas-saturated sands, (8) direction of lateral accretion of point bar, (9) distribution of diagenetic layers and nodules, and (10) texture and fabric change within reservoir sand body. 오일샌드는 비재래형(unconventional) 석유자원의 하나로서 비투멘(bitumen), 물, 점토, 모래의 혼합물이다. 오일샌드 비투멘은 API 비중이 $8-14^{\circ}$이고 점도가 10,000 cP 이상인, 매우 무겁고 점성이 큰 탄화수소 자원으로서 일반적으로 지표나 천부퇴적층에서 유동성을 갖지 않는다. 오일샌드 비투멘은 주로 캐나다 앨버타주와 사스캐추완주에 분포하고 있으며, 캐나다에만 원시부존량이 1조 7천억 배럴, 확인매장량이 1천 7백억 배럴에 달한다. 대부분은 앨버타주 포트 멕머레이(Fort McMurray) 인근의 아사바스카(Athabasca), 콜드레이크(Cold Lake), 피스리버(Peace River) 지역에 매장되어 있다. 캐나다 오일샌드 저류지층은 아사바스카 지역의 멕머레이층(McMurray Fm)과 클리어워터층(Clearwater Fm), 콜드레이크 지역의 멕머레이층(McMurray Fm), 클리어워터층(Clearwater Fm), 그랜드래피드층(Grand Rapid Fm), 피스리버 지역의 블루스카이층(Bluesky Fm)과 게팅층(Gething Fm)이다. 이들 지층은 하부 백악기 지층으로서 중생대 초-중기에 발생한 북미판과 태평양판의 충돌과 그로 인한 대륙전면분지(foreland basin)의 형성과정에서 퇴적되었다. 분지의 기반암은 복잡한 지형을 갖는 고생대 탄산염암이며, 그 위에 북미대륙 북쪽의 보레알해(Boreal Sea)로부터 현재의 북미대륙 서부를 남북으로 관통하는 전기백악기내해로(Early Cretaceous Interior Seaway)를 따라 해침이 발생하면서 오일샌드 저류지층이 형성되었다. 세 개의 주요 오일샌드 분포지역 가운데 80% 이상의 오일샌드를 매장하고 있는 아사바스카 지역의 저류지층인 멕머레이층과 크리어워터층의 최하부층원인 와비스코 층원(Wabiskaw Mbr)은 전기 백악기 시기의 해침층서를 잘 반영하고 있다. 멕머레이층 하부에는 하성기원의 퇴적층이 발달하고, 상부로 가면서 점차로 조석기원의 천해 퇴적층이 우세해지며, 와비스코 층원에 와서는 의해 세립질 퇴적층이 광역적으로 분포한다. 이러한 해침기원의 상향 세립화 경향은 아사바스카 오일샌드 부존지역에서 일반적으로 관찰된다. 오일샌드 부존지층은 일반적으로 불균질 저류층이며, 주요 저류층은 하성퇴적층이나 에스츄어리(estuary) 기원의 퇴적층에 발달한 하도-포인트 바 복합체(channel-pont bar complex)이다. 이러한 하도-포인트바 복합체는 범람원 및 조수평원 세립질 퇴적층이나 만-충진(bay-fill) 퇴적층과 함께 멕머레이층을 형성한다. 멕머레이층 상부에 오는 와비스코 층원은 주로 외해 세립질 퇴적층으로 이루어져 있으나, 멕머레이층을 대규모로 침식하는 하도사암층이 지역적으로 발달하기도 한다. 캐나다에서 오일샌드는 주로 노천채굴(surface mining)과 심부열회수(in-situ thermal recovery) 방식으로 생산한다. 50 m 미만의 심도에 묻혀있는 오일샌드는 노천채굴 방식으로 회수하여 비투멘 추출(extraction)과 개질(upgrading)과정을 거쳐 합성원유(synthetic crude oil)로 생산된다. 반면에 150-450 m 심도에 묻혀있는 오일샌드는 주로 심부열회수 방식으로 비투멘을 회수하여 비교적 간단한 비투멘 블렌딩(blending)과정을 통해 유동성을 증가시켜 정유시설로 운반한다. 심부열회수 방식으로 오일샌드를 개발할 경우 주로 스팀주입중력법(SAGD: Steam Assisted Gravity Drainage)이나 주기적스팀강화법(CSS: Cyclic Steam Stimulation)이 사용된다. 이러한 방법들은 저류층에 스팀을 주입하여 저류층 내의 온도를 상승시킴으로써 비투멘의 유동성을 증가시켜 회수하는 기술을 사용한다. 따라서 오

한국의 이산화탄소 저장소 분포 현황 및 CCS 사업 추진 방향성 제안

권이균(Yi Kyun Kwon) 한국에너지기후변화학회 2019 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2019 No.11

대규모 CCS 통합실증 추진방향 제안

권이균(Yi Kyun Kwon) 대한지질학회 2015 대한지질학회 학술대회 Vol.2015 No.10

포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증연구 안전성 평가

권이균 ( Yi Kyun Kwon ),장찬동 ( Chandong Chang ),신영재 ( Youngjae Shinn ) 대한지질공학회 2018 지질공학 Vol.28 No.2

포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업은 저장소 선정 및 저장소 특성화 연구 과정에서 CO₂ 지중저장 실증의 지진 유발 가능성과 누출 가능성에 대하여 진지하게 검토하고 CO₂ 지중저장 실증의 안정성을 확보하기 위한 많은 노력을 경주해 왔다. 그럼에도 불구하고 2017년 11월 15일 발생한 규모 5.4의 포항 지진으로 큰 피해를 입은 포항시와 시민들은 CO₂ 지중저장 실증의 지진 유발 가능성에 대하여 큰 우려를 가지고 있는 상황이다. 포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구팀은 2017년 포항 지진 이후 포항 영일만 CO₂ 지중저장 실증의 안전성에 대하여 자체 조사를 수행하여, 2017년 포항 지진과 포항분지 영일만 해상 CO₂ 지중저장 실증의 관련성과 향후 본격적인 CO₂ 지중저장 실증이 수행될 경우 지진 유발 가능성이나 누출 가능성에 대하여 면밀하게 평가하였다. 자체 조사 결과, 포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업은 2017년 포항지진의 진앙과 약 10 km 떨어진 영일만 해역에 저장소가 위치하며, CO₂ 저장층의 심도도 해저면 아래 약 750-800 m 정도로서 포항 지진의 심도와 큰 차이를 보인다. 또한 포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업은 2017년 1월 12일부터 3월 12일까지 약 3개월간 CO₂ 시험 주입을 수행한 이후 수송체계 구축과 주입공 격상을 위해 CO₂ 주입 행위가 중지된 상황으로 2017년 11월 15일에 발생한 포항 지진과 직접적인 관련성을 찾기 어렵다. 무엇보다도 CO₂ 지중저장 기술의 개념이 지층을 파쇄하는 것이 아니라 염수와 같은 유체로 채워진 다공질 퇴적층에서 염수를 천천히 밀어내면서 초임계상의 CO₂를 주입한다는 측면에서 대용량의 CO₂를 장기간 주입하여 저장층의 압력이 크게 상승하는 경우를 제외하면 인간 사회에 피해를 가져오는 일정 규모 이상의 지진을 유발할 가능성이 크지 않은 것으로 분석되었다. 게다가 포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업의 CO₂ 시험 주입 규모가 약 100톤 정도로서 규모 5.0 이상의 지진을 유발할 수 있는 대규모 주입 행위가 없었기 때문에 2017년 포항 지진과의 연관성을 가정하는 것이 무리가 있다. 포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업의 연구팀은 자체 조사를 통해 향후 포항분지 해상 CO₂ 지중저장 실증 연구사업이 장기적으로 수행될 경우 지진 유발 가능성과 누출 가능성에 대하여도 평가를 수행하였다. 자체 평가 결과에 따르면, 저장층 상부의 덮개층이 파쇄되거나 주변 단층의 재활성화가 발생하지 않도록 정해진 범위에서 압력을 조절하면서 CO₂ 스트림을 주입할 경우 지진 유발이나 단층 재활성화를 초래할 가능성이 매우 희박한 것으로 분석되었다. 더불어, 포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업은 CO₂ 지중저장 실증 과정에서 주입된 CO₂ 스트림의 누출을 최소화하기 위해 저장소 인근 지층의 파쇄 압력, 저장소 인근 단층의 재활성화 압력, 주입공 누출을 방지하기 위한 완결 공정, 주입된 CO₂ 스트림의 누출 경로 파악과 거동 및 누출 모니터링, 안전한 CO₂ 저장을 위한 저장소 운영과 관련된 연구를 충실하게 수행하고 있으며, 연구팀의 자체 조사 결과 주입된 CO₂ 스트림이 인간 사회에 영향을 미칠 정도의 규모로 누출될 가능성은 크지 않은 것으로 평가되었다. 결론적으로 포항분지 해상 중소규모 CO₂ 지중저장 실증 연구사업은 인간이 감지할 정도의 지진 유발 및 주입된 CO₂ 스트림의 누출을 발생시 킬 가능성이 크지 않으며, 비록 적은 가능성이지만, 지진이나 누출이 발생하지 않도록 지속적으로 안전성 확보를 위한 연구개발을 최우선적으로 수행할 계획이다. During the selection and characterization of target formations in the Small-scale Offshore CO₂ Storage Demonstration Project in the Pohang Basin, we have carefully investigated the possibility of induced earthquakes and leakage of CO₂ during the injection, and have designed the storage processes to minimize these effects. However, people in Pohang city have a great concern on CO₂-injection-intrigued seismicity, since they have greatly suffered from the 5.4 magnitude earthquake on Nov. 15, 2017. The research team of the project performed an extensive self-investigation on the safety issues, especially on the possible CO₂ leakage from the target formation and induced earthquakes. The target formation is 10 km apart from the epicenter of the Pohang earthquake and the depth is also quite shallow, only 750 to 800 m from the sea bottom. The project performed a pilot injection in the target formation from Jan. 12 to Mar. 12, 2017, which implies that there are no direct correlation of the Pohang earthquake on Nov. 15, 2017. In addition, the CO₂ injection of the storage project does not fracture rock formations, instead, the supercritical CO₂ fluid replaces formation water in the pore space gradually. The self-investigation results show that there is almost no chance for the injection to induce significant earthquakes unless injection lasts for a very long time to build a very high pore pressure, which can be easily monitored. The amount of injected CO₂ in the project was around 100 metric-tonne that is irrelevant to the Pohang earthquake. The investigation result on long-term safety also shows that the induced earthquakes or the reactivation of existing faults can be prevented successfully when the injection pressure is controlled not to demage cap-rock formation nor exceed Coulomb stresses of existing faults. The project has been performing extensive studies on critical stress for fracturing neighboring formations, reactivation stress of existing faults, well-completion processes to minimize possible leakage, transport/leakage monitoring of injected CO₂, and operation procedures for ensuring the storage safety. These extensive studies showed that there will be little chance in CO₂ leakage that affects human life. In conclusion, the Small-scale Offshore CO₂ Storage Demonstration Project in the Pohang Basin would not cause any induced earthquakes nor signifiant CO₂ leakage that people can sense. The research team will give every effort to secure the safety of the storage site.