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5-3. 화석 연료의 형성과 개발
화석연료(fossil fuel)이란 과거의 살던 생물의 유체가 지층 중에 묻혀 연료화된 것을 말한다. 이 화석연료에는 석유(petroleum 또는 oil),
석탄(coal) 및 천연가스(natural gas) 등이 포함된다. 최근 많은 관심을 받고 있는 메탄하이드레이드(methane hydrate)도 넓은 의미에서 화석연료에
포함되지만, 이 장에서는 다루지 않는다.
석유는 과거에 살던 조류(藻類; algae)나 동물성 플랑크톤(zooplankton)과 같은 미생물로부터 주로 만들어진 것이다. 이들 생물들의
유해가 지층 중에 묻히면, 산소로부터 차단되어 산화 분해되는 것으로부터 보호받게 되며, 점점 깊이 묻힐수록 좀 더 높은 열과 압력을 받게 된다.
이 과정을 통해 생물체를 이루던 고분자 화합물들이 재구성되고 점점 작은 분자로 쪼개지는데, 적당한 온도 압력 조건이 되면 액상의 분자를 생성하며,
이것이 모여 석유가 된다. 온도 압력 조건이 석유 생성 조건 보다 낮으면 유기물들은 대부분 아직 복잡한 거대 고형 물질(케로젠; kerogen) 상태로
존재하게 되며, 반면에 이보다 높으면 가스 상의 분자로 쪼개지게 되어 석유가 존재할 수 없게 된다. 이와 같이 석유를 생산 특정 조건, 특히 온도
조건을 ‘oil window'라고 부른다(그림 5-3-1).
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| 그림 5-3-1. 온도에 따른 유기물의 변화와 석유 및 가스의 생성 조건
(그림 출처: http://quakeinfo.ucsd.edu/~gabi/sio15/energy/energy.html).
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석유가 개발될 만큼 만들어지기 위해서는 생물의 번식이 왕성하여 충분한 유해를 공급할 수 있어야 하고, 매년 가라앉는 이들 생물의
유해를 차곡차곡 묻을 수 있어야 한다. 이러한 환경은 미생물이 번성하는 한편 퇴적물이 끊임없이 공급되는 호수나 얕은 바다에서 쉽게 찾아볼 수
있으며, 이때의 퇴적물이 굳어지면 유기물이 다량 포함된 셰일을 만든다.
셰일 내 유기물이 지층의 매몰과 함께 숙성되면 석유를 만드는데, 이때 그 양이 많아 셰일로부터 직접 석유를 추출할 만하면 이를 오일
셰일(oil shale)이라고 한다(그림 5-3-2). 하지만, 실제로 우리가 현재 사용하는 석유의 대부분은 이 오일 셰일이 아니라, 셰일 내 형성된 석유가
이차적으로 다시 모여 이루어진 석유 저류층(oil reservoir)로부터 채취한 것이다. 오일 셰일에서 채취한 석유가 드문 이유는 오일 셰일 자체가
귀하기도 하지만, 오일 셰일로부터 석유를 추출하는데 드는 비용이 만만치 않기 때문이다. 하지만, 요즘은 석유 값이 워낙 높아 오일 셰일로부터
석유를 직접 추출해도 이익을 남길 정도가 되었으며, 이런 이유로 최근에는 오일 셰일이 잠재적 석유 자원으로 크게 주목 받고 있다.
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| 그림 5-3-2. 영국 남부 에섹스 도르셋 지역의 오일 셰일이 불에 타는 모습. 왼쪽 불에 타기 전의
회색 오일 셰일이 불이 붙은 후 많은 유독 가스를 내면서 검게변하고 있는 것을 볼 수 있다 (사진 출처: http://www.southampton.ac.uk/~imw/kimfire.htm).
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셰일과 같은 퇴적암은 깊이 묻힐수록 온도와 함께 좀 더 높은 압력을 받게 되며, 이로 인해 공극(퇴적물 입자와 입자 간의 빈 공간)이
압착되어 이곳에 있던 석유와 물이 밖으로 나오게 된다. 이 때 석유는 물보다 비중이 낮기 때문에 부력에 의해 경사 반대 방향으로 움직이며, 무언가에
의해 막히지 않는 한 계속 지표 쪽으로 움직이게 되고, 결국에는 지표 또는 지표부근에 도달하여 휘발 성분(분자량이 적은 것들)을 잃고
아스팔트(asphalt)화 된다. 만 석유의 움직임을 막는 장애물이 존재한다면, 이 장애물 때문에 석유는 계속해서 이동하여 그 밑에 모일 것이고,
그 결과 상당량 양의 석유가 모인 유전이 형성될 수도 있을 것이다. 개발 가능한 유전이 형성되기 위해서는 석유를 모을 수 있는 장애물의
존재뿐만 아니라, 모이는 석유를 수용할 수 있는 충분한 공극이 있어야 한다. 정리하면, 개발 가능한 유전이 형성되기 위해서는 충분한 석유를
공급할 수 있을 만큼의 유기물(생물의 유해)를 포함하는 암석이 있어야 하며, 이 암석이 석유가 생성되기에 적당한 온도 압력 조건을 경험하여야
하고, 생성된 석유가 암석에서 빠져나와 쉽게 이동할 수 있도록 적당한 지질 구조를 갖춰야 하며, 이동하는 석유가 고일 수 있도록 불투수성의
장애물이 존재하여야 하고, 고인 석유를 충분히 수용할 수 있는 공극이 풍부한 암석이 존재하여야 한다. 이때 석유를 공급하는 암석을
근원암(source rock), 석유의 이동을 막는 것을 덮개(cap; 암석이 이 역할을 할 경우 덮개암(cap rock)이라고 부른다), 그리고 석유가 고이는
암석을 저류암(reservoir rock)부른다. 유전은 이와 같이 여러 요인이 모두 적당하게 맞아 떨어질 때 형성되는 것이므로, 그리 쉽게 발견되지는 않는다.
그림 5-3-3는 석유가 어떻게 근원암으로부터 이동하여 저류암에 고이게 되는지를 보여준다.
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| 그림 5-3-3. 지층 중의 석유 및 가스가 근원암으로부터 이동하여 유전 및 가스 전을 만드는
모습 (사진 출처; http://archives.datapages.com/data/bulletns/2010/10oct/BLTN09122/BLTN09122.HTM).
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지금까지 발견된 석유 및 가스전의 지질시대를 정리하면, 약 2억년 전의 중생대 쥬라기 이후에 주로 분포하는 것을 알 수 있다(전체의 87%).
쥬라기 이전에도 가스전 등이 발견되기는 하나 그 수가 매우 적다. 이는 아마도 이들 시기의 지층이 너무 높은 온도와 압력을 경험해 유기물들이 대부분
흑연화됐거나, 지층의 변형에 따른 단열을 따라 모두 가스로 빠져나갔기 때문일 것이다.
석탄은 과거의 육상 식물이 지층 중에 묻혀 형성된 것이다(그림 5-3-4). 약 5억년 전 지구 상에 육상 식물이 처음 출현한 이후, 식물은
크게 번성하여 숲을 이루었다. 데본기에는 이 식물들이 너무 번성하여 지구 환경에 크게 영향을 줌으로써 많은 생물들이 멸종되게끔 하기도 하였다.
이러한 식물들은 여러 차례의 생물 멸종 사건 때에도 동물보다 비교적 적은 피해를 입었으며, 아직까지도 육상의 대부분을 덮고 있으면서 지구 환경의
중요한 조절자 역할을 수행하고 있다.
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| 그림 5-3-4. 카나다 노바스코샤의 고생대 지층에서 발견되는 포인트아코니 석탄 층
(사진 출처:http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sydney_Mines_Point_Aconi_Seam_038.JPG).
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지구상에서는 끊임없이 대규모의 지형 변화와 범람이 일어나는데, 이 때 식물들, 특히 저지대의 식물들은 물에 잠겨 지층 중에 묻히기도
한다. 이렇게 묻힌 식물의 유해는 깊이에 따라 증가하는 온도와 압력의 영향으로 점점 탄화되어 간다. 탄화란 유기물이 작용기(functional group; N, O,
S 등을 포함하는 분자의 일부분으로 반응을 할 때 특별한 역할을 하는 경우가 많다)을 잃고 탄소의 함량이 높아지는 것을 말한다. 이와 같이 탄화가
진행되면 결국은 탄소만 남아 흑연(graphite)가 된다. 석탄은 유기물과 흑연 사이의 다양한 탄화 정도가 진행된 지층 중의 식물의 유해를 다함께
지칭하여 부르는 말이다.
석탄은 탄화 정도에 따라 이탄(또는 토탄; peat) < 갈탄(lignite) (준역청탄; sub-bitumenous coal) <역청탄(bitumenous coal) <
무연탄(anthracite)로 구분한다(그림 5-3-5). 이중 이탄은 식물이 부분적으로 부패 분해된것이며, 갈탄 부터가 진정한 의미에서 석탄이라고 할 수
있다. 석탄의 이와 같은 구분은 가장 일반적으로 널리 통용되는 것이며, 이외 매우 다양한 석탄의 구분 방법이 있다. 아래 그림 5-3-6은
미국지질조사소(USGS; United States Geological Survey)에 의해 어떤 기준으로 이와 같은 석탄을 구분하는지를 보여준다.
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| 그림 5-3-5. 식물의 유해가 지층 중에 묻혀 탄화되면서 이탄으로부터 무연탄으로 변하는
모습(그림 출처; http://www.uky.edu/KGS/coal/coalkinds.htm).
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| 그림 5-3-6. USGS에 의한 석탄의 종류별
구분(그림 출처; http://pubs.usgs.gov/circ/c891/table1.htm.
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천연 가스는 앞서 설명한 바와 같이, 생물의 유해가 열분해되어 형성될 수도 있지만 미생물에 의해 직접 분해되어 형성될 수도 있다.
이렇게 형성된 가스가 채취될 수 있을 정도로 경제성을 갖기 위해서는 석유와 마찬가지로 이동하여 고여야 한다(그림 5-3-3). 이렇게 형성된 천연
가스를 가스전이라 하는데, 가스 전은 석유전이나 석탄층에 수반되는 경우도 있지만 가스 만 혼자 산출되는 경우도 많다.
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| 그림 5-3-7. 펌프(Pumpjack)으로 석유를 채취하는 모습, 미국 텍사스
(사진 출처: http://www.ngoilgas.com/news/independent-oil-producers/).
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이들 화석 연료를 개발하기 위해서는 먼저 화석 연료가 있는 곳을 찾아야 하며, 존재 여부가 확인된 화석 연료의 매장량을 평가한 다음,
이 연료를 채취하는 것이 경제적인가를 판단하여야 한다. 지하에 매장된 화석 연료를 찾는 일을 탐사(exploration)이라 하는데, 석유 및 가스 탐사는
다양한 지구물리, 및 지구화학 방법을 통해 하며, 석탄은 주로 좀 더 고전적인 지질 조사를 통해 한다. 화석 연료가 발견되고, 이것이 경제적이라고
판단되면 채취하는데, 석유 및 가스는 시추 후 파이프를 박아 넣어 펌프로 채취하는 경우가 대부분인 반면(그림 5-3-7), 석탄은 탄층이 드러날 때까지
퇴적층을 걷어내고 채취하는 지표 채탄법이나(그림 5-3-8) 탄층을 따라 지하로 굴을 파며 채취하는 지하채탄법(그림 5-3-9) 등을 사용하여 채취한다.
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| 그림 5-3-8. 독일 가르츠바일러의 지표 채탄모습
(사진 출처: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tagebau_Garzweiler_Panorama_2005.jpg).
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| 그림 5-3-9. 자동채탄기(shearer라 불리는 한 종류)를 이용해 채탄하는 모습. 독일 보쿰.
(사진 출처: http://en.wikipedia.org/wiki/File:SL500_01.jpg).
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