차시명: 12주차 제2강

주제: 제 5장 화석연료, 5부 – 화석연료의 형성과 개발

동기 유발: 우리는 매일 화석연료를 사용합니다. 석유, 석탄, 그리고 가스.  이런 연료 없는 날이 하루라도 가능할까요?  화석 연료 자원의 국내 생산이 거의 없는 우리나라는 이 화석 연료의 안정적 수급이 국가의 최우선 과제입니다.  이 단원을 통해 이렇게 중요한 화석 연료가 어떻게 만들어지고 개발되는지 알아봅시가

학습 목표: 화석연료의 정의와 종류를 파악하고, 그들 각각이 어떻게 형성되었고 개발되는지 이해하자

강의 타이틀: 5-3. 화석 연료의 형성과 개발

안녕하십니까? 오늘은 화석 연료에는 어떤 종류가 있는지, 각각의 화석연료는 어떻게 형성되는지, 그리고 이들을 어떻게 개발되는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

[slide #1]

화석연료(fossil fuel)이란 과거의 살던 생물의 유체가 지층 중에 묻혀 연료화된 것을 말합니다. 이 화석연료에는 석유, 석탄 및 천연가스 등이 포함됩니다. 최근 많은 관심을 받고 있는 메탄하이드레이트도 넓은 의미에서 화석연료에 포함할 수 있지만, 이 장에서는 다루지 않습니다.

[slide #2]

석유는 주로 과거에 살던 조류, algae나 동물성 플랑크톤과 같은 미생물로부터 만들어진 것입니다. 이들 생물들의 유해가 지층 중에 묻히면, 산소로부터 차단되어 산화 분해되는 것으로부터 보호받게 되며, 점점 깊이 묻힐수록 좀 더 높은 열과 압력을 받게 됩니다. 이 과정을 통해 생물체를 이루던 고분자 화합물들이 재구성되고 점점 작은 분자로 쪼개지는데, 적당한 온도 압력 조건이 되면 액상의 분자를 생성하며, 이것이 모여 석유가 됩니다. 온도 압력 조건이 석유 생성 조건 보다 낮으면 유기물들은 케로젠이라 부르는 복잡한 거대 고형 물질 상태로 존재하게 되며, 반면에 이보다 높으면 가스 상의 분자로 쪼개지게 되어 석유가 존재할 수 없게 됩니다. 이와 같이 석유를 생산하는 특정 조건, 특히 온도 조건을 ‘oil window'라고 부릅니다. oil window 이후 주로 가스가 생산되는 온도 조건은 ’gas window‘라고 부립니다.

[slide #3]

이 그림은 매몰 깊이, 즉 매몰 온도에 따라 유기물들이 어떻게 변화하는지 그리고 어느 정도 깊이에서 oil window와 gas window가 존재하는지를 보여주는 것입니다. 온도가 증가함에 따라 원 유기물은 보다 복잡한 케로젠 형태로부터 좀 더 간단한 화합물로 끊어짐을 알 수 있습니다. 온도가 약 섭씨 100도 정도되면에 이르면 석유의 본격적인 생산이 시작되는 oil window가 시작되며, 그 이후 온도가 더욱 상승하여 섭씨 160도 정도가 되면 유기물들은 가스상의 매우 간단한 화합물로 모두 바뀌면서 gas window가 시작됩니다.

퇴적물이 oil window의 조건을 만족할 만큼 매몰되었다고 해서 항상 개발 가능한 석유가 나오는 것은 아닙니다.  석유가 개발될 만큼 만들어지기 위해서는 생물의 번식이 왕성하여 충분한 유해를 공급할 수 있어야 하고, 매년 가라앉는 이들 생물의 유해를 차곡차곡 묻을 수 있어야 합니다. 이러한 환경은 미생물이 번성하는 한편 퇴적물이 끊임없이 공급되는 호수나 얕은 바다에서 쉽게 찾아볼 수 있으며, 이때의 퇴적물이 굳어지면 유기물이 다량 포함된 셰일을 만듭니다.

[slide #4]

셰일 내 유기물이 지층의 매몰과 함께 숙성되면 석유를 만드는데, 이때 그 양이 많아 셰일로부터 직접 석유를 추출할 만하면 이를 오일 셰일이라고 합니다. 이 사진의 오일 셰일은 영국 에섹스 도르셋 지역의 오일 셰일인데, 암석에 불을 붙이면 이렇게 탈만큼 원유가 들어있습니다.

하지만, 실제로 우리가 현재 사용하는 석유의 대부분은 이 오일 셰일이 아니라, 셰일 내 형성된 석유가 이차적으로 다시 모여 이루어진 석유 저류층로부터 채취한 것입니다. 오일 셰일에서 채취한 석유가 드문 이유는 오일 셰일로부터 석유를 추출하는데 드는 비용이 만만치 않기 때문입니다. 하지만, 요즘은 석유 값이 워낙 높아 오일 셰일로부터 석유를 직접 추출해도 이익을 남길 정도가 된다고 판단하는 사람들이 생겼으며, 이런 이유로 최근에는 오일 셰일이 잠재적 석유 자원으로 크게 주목 받고 있습니다.

[slide #5]

(아래 석유 생성 및 이동 집적 애니메이션 가능?)

(설명 해당 부분 깜박이도록)

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 됩니다. 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 됩니다. 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 것입니다. 개발 가능한 유전이 형성되기 위해서는 석유를 모을 수 있는 장애물의 존재뿐만 아니라, 모이는 석유를 수용할 수 있는 충분한 공극이 있어야 합니다.

[slide #6]

(설명에 따라 해당 부분 진하게)

정리하면, 개발 가능한 유전이 형성되기 위해서는 충분한 석유를 공급할 수 있을 만큼의 충분한 유기물(생물의 유해)를 포함하고 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 합니다. 이때 석유를 공급하는 암석을 근원암, source rock, 석유의 이동을 막는 것을 덮개cap, 이 것이 암석일 경우 덮개암, cap rock, 그리고 석유가 고이는 암석을 저류암(reservoir rock)이라고 부릅니다. 유전은 이와 같이 여러 요인이 모두 적당하게 맞아 떨어질 때 형성되는 것이므로, 그리 쉽게 발견되지는 않습니다.

지금까지 발견된 석유 및 가스전의 지질시대를 살펴보면, 전체의 약 87% 정도가 약 2억년 전의 중생대 쥬라기 이후에 분포합니다. 쥬라기 이전에도 가스전 등이 발견되기는 하나 그 수가 매우 적습니다. 이는 아마도 이들 시기의 지층이 너무 높은 온도와 압력을 경험해 유기물들이 대부분 흑연화됐거나, 지층의 변형에 따른 깨진틈을 따라 모두 가스로 빠져나갔기 때문일 것입니다.

[slide #7]

석탄은 과거의 육상 식물이 지층 중에 묻혀 형성된 것입니다. 약 5억년 전 지구 상에 육상 식물이 처음 출현한 이후, 식물은 크게 번성하여 숲을 이루었습니다. 데본기에는 이 식물들이 너무 번성하여 지구 환경에 크게 영향을 줌으로써 많은 생물들이 멸종되기도 하였습니다. 이러한 식물들은 여러 차례의 생물 멸종 사건 때에도 동물보다 비교적 적은 피해를 입었으며, 아직까지도 육상의 대부분을 덮고 있으면서 지구 환경의 중요한 조절자 역할을 수행하고 있습니다.

[slide #8]

지구상에서는 끊임없이 대규모의 지형 변화와 범람이 일어나는데, 이 때 식물들, 특히 저지대의 식물들은 물에 잠겨 지층 중에 묻히기도 합니다. 이렇게 묻힌 식물의 유해는 깊이에 따라 증가하는 온도와 압력의 영향으로 점점 탄화되어 갑니다. 탄화란 유기물이 작용기를 잃고 탄소의 함량이 높아지는 것을 말합니다. 작용기,  functional group이란 N, O, S 등을 포함하는 분자의 일부분으로 반응을 할 때 특별한 역할을 하는 부분입니다. 이와 같이 탄화가 진행되면 결국은 탄소만 남아 흑연이 됩니다. 석탄은 유기물과 흑연 사이의 다양한 탄화 정도가 진행된 지층 중의 식물의 유해를 다함께 지칭하여 부르는 말입니다.

[slide #9]

석탄은 탄화 정도에 따라 이탄(또는 토탄; peat) < 갈탄(lignite) (준역청탄; sub-bitumenous coal) <역청탄(bitumenous coal) < 무연탄(anthracite)로 구분합니다. 이중 이탄은 식물이 부분적으로 부패 분해된것이며, 갈탄 부터가 진정한 의미에서 석탄이라고 할 수 있습니다. 석탄의 이와 같은 구분은 가장 일반적으로 널리 통용되는 것이며, 이외 매우 다양한 석탄의 구분 방법이 있습니다.  우리나라에서는 무연탄이 많이 나오고, 역청탄은 산출되지 않습니다.

천연 가스는 앞서 설명한 바와 같이, 생물의 유해가 열분해되어 형성될 수도 있지만 미생물에 의해 직접 분해되어 형성될 수도 있습니다. 이렇게 형성된 가스가 채취될 수 있을 정도로 경제성을 갖기 위해서는 석유와 마찬가지로 이동하여 고여야 합니다. 이렇게 형성된 천연 가스를 가스전이라 하는데, 가스 전은 석유전이나 석탄층에 수반되는 경우도 있지만 가스 만 혼자 산출되는 경우도 많습니다.

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 합니다. 지하에 매장된 화석 연료를 찾는 일을 탐사, exploration이라 하는데, 석유, 석탄 및 가스 탐사는 다양한 지질, 지구물리, 및 지구화학 방법을 통해 합니다. 화석 연료가 발견되고, 이것이 경제적이라고 판단되면 채취하는데,합니다.

[slide #10] 석유 및 가스는 유체이므로 시추 후 파이프를 박아 넣어 펌프로 채취하는 경우가 대부분입니다.

[slide #11]

현재 석유를 생산하는 국가들을 보여주는 지도입니다.  2016년 기준 세계 1위 산유국은 러시아입니다.  2위는 사우디아라비아, 3위는 미국입니다.  산유국 순위와 보유국 순위는 다릅니다.  세계 1, 2, 3위 보유국은 각각 네네수엘라, 사우디아라비아, 카나다입니다.  우리나라는 국내 생산이 없습니다만, 우리 자본의 해외 투자로 생산하는 양은 조금 있습니다.

[slide #11]

반면 석탄은 고체이므로 탄층이 드러날 때까지 퇴적층을 걷어내고 채취하는 지표 채탄법이나

[slide #12]

탄층을 따라 지하로 굴을 파며 채취하는 지하채탄법등을 사용하여 채취합니다.

세계 1위 석탄생산국은 중국, 2위는 미국, 3위는 인도입니다.

지금까지 화석연료의 종류, 형성, 그리고 개발에 대해 알아보았습니다.

다음 시간에는 화석 연료의 이용에 대해 알아보도록 하겠습니다.

안녕히 계십시오

[끝]

심화토론:

우리나라 국내 화석 연료 개발 및 생산 현황을 조사해봅시다.  어떤 종류의 화석연료가 생산되고 있습니까?  이렇게 생산된 화석연료는 우리나라 전체 에너지 수급량의 몇 퍼센트나 차지하고 있나요?