2010년 2차 울릉분지가스 하이드레이트 시추 (UBGH2)를 통하여 총 10개 정점에서 가스 하이드레이트 함유 퇴적물 코아를 채취하였다. 이 연구에서는 열화상 분석과 입도분석 결과에 따라 퇴적물 입도분포, 온도 이상(${\Delta}T$), 가스 하이드레이트 포화도, 가스 하이드레이트 산출형태간의 상관관계를 연구하였다. 가스 하이드레이트는 유형 I(니질층의 단열을 충진하는 형태), 유형 II(니질층의 산재하는 형태), 그리고 유형 III(사질층의 공극을 충진하는 형태)로 분류하였다. 입도분석 결과, 유형 I과 II는 가스 하이드레이트 함유 및 미함유 구간 모두 입도가 유사한 니질층으로 이루어진 반면, 유형 III는 입도가 뚜렷이 구별되는 사질층과 니질층으로 이루어져 있다. 유형 III에서는 모래 함량이 증가할 수록 가스 하이드레이트 포화도가 증가함을 확인하였다. 열화상에서 분석된 ${\Delta}T$는 가스 하이드레이트 산출형태와 상관없이 가스 하이드레이트 포화도와 비례하는 경향을 보인다. 시추지점의 암상과 탄성파 단면의 특징에서 보면, 탄성파 단면에서 침니 구조가 나타나는 지점은 유형 I이, 사질층이 거의 없는 분지사면에서는 유형 II가, 저탁류 사질층이 자주 협재하는 지점에서는 유형 III가 우세하게 나타난다. 이와 같은 특징으로 보아 가스 하이드레이트 산출형태는 가스 하이드레이트 함유 지층의 지질학적 특징과 관련 있으며, 특히 퇴적물의 입도분포에 큰 영향을 받음을 보여준다.
2010년 2차 울릉분지 가스 하이드레이트 시추 (UBGH2)를 통하여 총 10개 정점에서 가스 하이드레이트 함유 퇴적물 코아를 채취하였다. 이 연구에서는 열화상 분석과 입도분석 결과에 따라 퇴적물 입도분포, 온도 이상(${\Delta}T$), 가스 하이드레이트 포화도, 가스 하이드레이트 산출형태간의 상관관계를 연구하였다. 가스 하이드레이트는 유형 I(니질층의 단열을 충진하는 형태), 유형 II(니질층의 산재하는 형태), 그리고 유형 III(사질층의 공극을 충진하는 형태)로 분류하였다. 입도분석 결과, 유형 I과 II는 가스 하이드레이트 함유 및 미함유 구간 모두 입도가 유사한 니질층으로 이루어진 반면, 유형 III는 입도가 뚜렷이 구별되는 사질층과 니질층으로 이루어져 있다. 유형 III에서는 모래 함량이 증가할 수록 가스 하이드레이트 포화도가 증가함을 확인하였다. 열화상에서 분석된 ${\Delta}T$는 가스 하이드레이트 산출형태와 상관없이 가스 하이드레이트 포화도와 비례하는 경향을 보인다. 시추지점의 암상과 탄성파 단면의 특징에서 보면, 탄성파 단면에서 침니 구조가 나타나는 지점은 유형 I이, 사질층이 거의 없는 분지사면에서는 유형 II가, 저탁류 사질층이 자주 협재하는 지점에서는 유형 III가 우세하게 나타난다. 이와 같은 특징으로 보아 가스 하이드레이트 산출형태는 가스 하이드레이트 함유 지층의 지질학적 특징과 관련 있으며, 특히 퇴적물의 입도분포에 큰 영향을 받음을 보여준다.
During the 2nd Ulleung Basin Gas Hydrate Drilling Expedition (UBGH2) in 2010, gas-hydrate-bearing sediment cores were recovered at 10 drill sites. Base, on Infrared (IR) thermal image and grain-size analysis of the cores, three distinct types of gas hydrate are classified: Type I (fracture-filling i...
During the 2nd Ulleung Basin Gas Hydrate Drilling Expedition (UBGH2) in 2010, gas-hydrate-bearing sediment cores were recovered at 10 drill sites. Base, on Infrared (IR) thermal image and grain-size analysis of the cores, three distinct types of gas hydrate are classified: Type I (fracture-filling in mud layers), Type II (disseminated in mud layers), and Type III (pore-filling in sand layers). Types I and II gas hydrates occur in mud as discrete veins, nodules or disseminated particles. Type III fills the pore spaces of the sand layers encased in mud layers. In this case, the sand content of hosting sediments shows a general linear relationship with gas hydrate saturation. The degrees of temperature anomalies (${\Delta}T$) from IR images generally increase with gas hydrate saturation regardless of gas hydrate occurrence types. Type I is dominantly found in the sites where seismic profiles delineate chimney structures, whereas Type II where the drill cores are composed almost of mud layers. Type III was mainly recovered from the sites where hemipelagic muds are frequently intercalated with turbidite sand layers. Our results indicate that gas hydrate occurrence is closely related to sedimentological characteristic of gas hydrate-bearing sediments, that is, grain size distribution.
During the 2nd Ulleung Basin Gas Hydrate Drilling Expedition (UBGH2) in 2010, gas-hydrate-bearing sediment cores were recovered at 10 drill sites. Base, on Infrared (IR) thermal image and grain-size analysis of the cores, three distinct types of gas hydrate are classified: Type I (fracture-filling in mud layers), Type II (disseminated in mud layers), and Type III (pore-filling in sand layers). Types I and II gas hydrates occur in mud as discrete veins, nodules or disseminated particles. Type III fills the pore spaces of the sand layers encased in mud layers. In this case, the sand content of hosting sediments shows a general linear relationship with gas hydrate saturation. The degrees of temperature anomalies (${\Delta}T$) from IR images generally increase with gas hydrate saturation regardless of gas hydrate occurrence types. Type I is dominantly found in the sites where seismic profiles delineate chimney structures, whereas Type II where the drill cores are composed almost of mud layers. Type III was mainly recovered from the sites where hemipelagic muds are frequently intercalated with turbidite sand layers. Our results indicate that gas hydrate occurrence is closely related to sedimentological characteristic of gas hydrate-bearing sediments, that is, grain size distribution.
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문제 정의
한국지질자원연구원은 2010년에 동해 울릉분지 가스 하이드레이트 부존량 평가와 시험생산 후보지 선정을 위하여 2차 울릉분지 가스 하이드레이트 시추(2nd Ulleung Basin Gas Hydrate Drilling Expedition, UBGH2)를 수행하였다(UBGH2 Scientists, 2010). 본 연구에서는 울릉분지 내 가스 하이드레이트의 부존량 파악을 위해서 UBGH2에서 획득된 시추자료를 바탕으로 가스 하이드레이트의 산출형태를 기술하고, 가스 하이드레이트 산출형태에 따른 가스 하이드레이트 함유 퇴적물의 입도분포와 가스 하이드레이트 포화도의 상관성과 시추지점 별 가스 하이드레이트 산출형태의 관계에 대하여 고찰하고자 한다.
제안 방법
, 2010). 따라서 가스 하이드레이트 산출형태 분류 시 디지털 암상사진과 대응하는 열화상 이미지를 상호 비교하여 방사율 차이에 의한 CTAZ를 배제하였다. 분석한 가스 하이드레이트 산출 형태는 니질층의 단열을 충진하는 형태(유형 I), 니질층의 산재되어 나타나는 형태(유형 II), 그리고 사질층의 공극을 충진하는 형태(유형 III)로 분류하였다(Fig.
따라서 가스 하이드레이트 산출형태 분류 시 디지털 암상사진과 대응하는 열화상 이미지를 상호 비교하여 방사율 차이에 의한 CTAZ를 배제하였다. 분석한 가스 하이드레이트 산출 형태는 니질층의 단열을 충진하는 형태(유형 I), 니질층의 산재되어 나타나는 형태(유형 II), 그리고 사질층의 공극을 충진하는 형태(유형 III)로 분류하였다(Fig. 4). 유형 I은 열화상의 온도가 낮은 구간에서 괴상이나 맥의 형태를 육안으로 확인을 할 수 있으며, 가스 하이드레이트 함유구간과 미함유 구간의 입도차이가 없고 모두 니질 퇴적물로 이루어져 있다(Fig.
입도분석은 공극수를 추출하고 남은 퇴적물인 스퀴즈 케이크(squeeze cake)를 대상으로 수행하였다. 약 0.05 g의 퇴적물을 스퀴즈 케이크로부터 골고루 채취하여 1 L 증류수 비커에 투입하고 확산제인 0.1% 칼곤(calgon, sodium hexametaphoshate)을 첨가하여 초음파 진동기를 이용하여 교반시켰다. 입도분석에 이용한 기기는 레이저 산란 입도분석기(Mastersizer 2000)로 입도 측정 범위는 0.
3b). 열화상으로 구분한 가스 하이드레이트 함유구간과 미함유 구간의 퇴적물은 따로 채취하여 공극수를 추출하였다. 추출한 공극수를 대상으로 질산은(silver nitrate)을 이용한 모아 적정법(Mohr titration)을 통하여 염소이온농도를 측정하였다(UBGH2 Scientists, 2010).
열화상의 온도 프로파일에서 계산된 CTAZ와 배경값 구간 사이의 온도차이(∆T)와 선상에서 공극수의 염소이온 분석결과에 의해 계산된 가스 하이드레이트 포화도를 비교하였다. 염소이온 분석 결과 가스 하이드레이트 해리에 의하여 상대적으로 낮은 염소 이온 농도를 보이는 구간은 열화상의 CTAZ 구간과 대체로 잘 일치하였다(Fig.
이 연구에서는 UBGH2의 시추지점들을 탄성파 단면에서 확인된 특징과 시추지점의 암상을 기준으로 하여 탄성파 단면에서 침니 구조를 보이는 지점, 교호하는 저탁류와 반원양성 퇴적층으로 구성된 지점, 그리고 저탁류 퇴적물이 거의 없이 반원양성 퇴적물로 구성된 지점 등 3종류로 구분하였다(Table 1). 탄성파 단면에서 침니 구조를 보이는 지점은 내부에 가스 하이드레이트 부존을 간접적으로 지시하는 음향공백대 및 반사면 풀업구조가 나타나며(Fig.
시추 코아의 가스 하이드레이트 함유 구간은 코아 회수 시 발생하는 가스 하이드레이트 해리의 흡열반응으로 주위 퇴적물에 비해 상대적으로 낮은 온도를 보인다. 이런 점을 이용하여 시추 코아를 대상으로 회수 즉시 적외선 카메라로 코아의 열화상을 촬영하여 가스 하이드레이트 함유 구간을 파악하였다(Collett et al., 2008). 적외선 열화상에서 상대적으로 낮은 온도의 저온 이상대(Cold Thermal Anomaly Zone, CTAZ)를 포함하는 약 15-30 cm길이의 구간을 원형으로 절단한 후, 코아의 암상과 온도 분포를 비교 관찰하기 위해 코아의 플라스틱 라이너를 절개하여 제거하고, 노출된 퇴적물 표면에서 적외선 카메라와 디지털 카메라로 다시 열화상과 암상을 촬영하였다(Fig.
, 2008). 입도분석은 공극수를 추출하고 남은 퇴적물인 스퀴즈 케이크(squeeze cake)를 대상으로 수행하였다. 약 0.
, 2008). 적외선 열화상에서 상대적으로 낮은 온도의 저온 이상대(Cold Thermal Anomaly Zone, CTAZ)를 포함하는 약 15-30 cm길이의 구간을 원형으로 절단한 후, 코아의 암상과 온도 분포를 비교 관찰하기 위해 코아의 플라스틱 라이너를 절개하여 제거하고, 노출된 퇴적물 표면에서 적외선 카메라와 디지털 카메라로 다시 열화상과 암상을 촬영하였다(Fig. 3a). 이렇게 촬영 열화상은 ThermaCAMTM Researcher 프로그램을 이용하여 온도 프로파일을 분석한 다음, 가스 하이드레이트 함유구간과 미함유구간 사이의 온도차이(∆T)를 정량적으로 계산(Weinberger, 2005)하였다(Fig.
코아 라이너를 제거한 총 57개의 원형 퇴적물 시료의 암상과 열화상 CTAZ 구간에서 확인한 가스하이드레이트 형태를 바탕으로 가스 하이드레이트의 산출형태를 분류하였다(Fig. 4). 열화상에서 CTAZ는 가스 하이드레이트 함유구간뿐만 아니라 퇴적물의 구성입도, 함수율, 표면의 매끄러운 정도의 차이 등에 의한 방사율 변화에 의해서도 나타날 수 있다(Long et al.
대상 데이터
UBGH2에서 시추선 Synergy호를 사용하여 울릉분지 내 10개 지점에서 시추를 실시하였다(Fig. 1). 기존의 탄성파 탐사 자료에 따르면 울릉분지에서 가스 하이드레이트 부존 가능성을 간접적으로 지시하는 해저 모방 반사면(bottom simulating reflector, BSR), 침니 구조(seismic chimney), 폭 마크(pockmark), 음향 공백대(acoustic blanking), 속도 이상대가 광범위하게 분포한다(Ryu et al.
1). 연구지역인 울릉분지는 수심이 약 1,800-2,400 m로 동해의 남서부에 발달되어 있으며, 동쪽으로 오키뱅크, 서쪽으로 경사가 가파른 한반도의 대륙사면, 남쪽으로는 일본 열도의 완만한 사면, 그리고 북쪽으로 지형의 굴곡이 대체로 심한 한국대지에 의하여 둘러싸여 있고 전체적으로 오목한 형태이다(Chough et al., 1985). 울릉분지의 퇴적층 두께는 대부분 지역에서 4 km이상이며 분지 남쪽에서는 최대 10 km이상이다.
입도분석에 이용한 기기는 레이저 산란 입도분석기(Mastersizer 2000)로 입도 측정 범위는 0.02-2000 µm이다.
데이터처리
3a). 이렇게 촬영 열화상은 ThermaCAMTM Researcher 프로그램을 이용하여 온도 프로파일을 분석한 다음, 가스 하이드레이트 함유구간과 미함유구간 사이의 온도차이(∆T)를 정량적으로 계산(Weinberger, 2005)하였다(Fig. 3b). 열화상으로 구분한 가스 하이드레이트 함유구간과 미함유 구간의 퇴적물은 따로 채취하여 공극수를 추출하였다.
이론/모형
입도 분포 자료의 통계처리는 GRADISTAT (Blott and Pye, 2001)를 사용하여 퇴적물의 평균 입도와 분급도 등을 Φ 단위로 모멘트 방법(method of moment)에 의하여 계산하였다.
열화상으로 구분한 가스 하이드레이트 함유구간과 미함유 구간의 퇴적물은 따로 채취하여 공극수를 추출하였다. 추출한 공극수를 대상으로 질산은(silver nitrate)을 이용한 모아 적정법(Mohr titration)을 통하여 염소이온농도를 측정하였다(UBGH2 Scientists, 2010). 측정된 염소이온농도는 가스 하이드레이트 해리로 유발된 공극수 담수화(freshing) 정도를 이용한 포화도 계산에 사용하였다(Torress et al.
추출한 공극수를 대상으로 질산은(silver nitrate)을 이용한 모아 적정법(Mohr titration)을 통하여 염소이온농도를 측정하였다(UBGH2 Scientists, 2010). 측정된 염소이온농도는 가스 하이드레이트 해리로 유발된 공극수 담수화(freshing) 정도를 이용한 포화도 계산에 사용하였다(Torress et al., 2008). 입도분석은 공극수를 추출하고 남은 퇴적물인 스퀴즈 케이크(squeeze cake)를 대상으로 수행하였다.
성능/효과
1) 가스 하이드레이트 함유 코아의 열화상 및 입도 분석 결과, 가스 하이드레이트의 산출형태는 유형 I(니질층의 단열을 충진하는 형태), 유형 II(니질층의 산재하는 형태), 그리고 유형 III(사질층의 공극을 충진하는 형태)으로 분류된다.
2) 가스 하이드레이트 산출형태에 상관없이 ∆T가 클수록 가스 하이드레이트 포화도는 일반적으로 증가한다.
3) 저탁류 사질층에서 회수한 유형 III에서 사질 함량과 가스 하이드레이트 포화도의 선형적인 관계를 확인하였다. 하지만 일부 시료는 높은 사질 함량에도 불구하고 상대적으로 낮은 가스 하이드레이트 포화도가 나타났으며, 이는 불충분한 메탄 공급이 원인으로 해석된다.
4) UBGH2-2-1, 2-3, 2-7, 2-11등 탄성파 단면에서 침니 구조를 확인한 지점에서는 유형 I이 우세하다. 사질 퇴적층이 거의 없는 UBGH2-1-1의 시추지점에서는 주로 유형 II가 회수되었으며, 교호하는 저탁류와 반원양성 퇴적물로 구성된 시추지점에서는 유형III이 우세 하다.
5) 가스 하이드레이트의 산출형태는 가스 하이드레이트 함유 지층의 퇴적학적 특성과 관련이 있으며, 특히 퇴적물의 입도분포에 의하여 가스 하이드레이트 산출형태와 가스 하이드레이트 포화도가 조절된다.
유형 I과 II에서 CTAZ와 배경값 구간의 평균입도와 분급은 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. 또한 구간에 관계없이 사질의 평균 함량이 4% 미만으로 나타났으며, 사질 함량과 가스 하이드레이트 포화도의 상관성이 없다(Fig. 6). 반면에 유형 III에서는 CTAZ의 평균 입도는 3.
반면에 유형 III에서는 CTAZ의 평균 입도는 3.5-6.1F(평균, 4.6Φ), 배경값 구간의 평균 입도는 6.6-7.4Φ (평균, 7.0Φ)로 CTAZ 구간이 더 조립한 것으로 나타났다.
, 2008). 본 연구에서 분석한 총 57개의 가스 하이드레이트 함유 퇴적물 시료들 중 유형 I는 19개, 유형 II는 11개, 그리고 유형 III는 27개로 나타났다(Table 1).
열화상의 온도 프로파일에서 계산된 CTAZ와 배경값 구간 사이의 온도차이(∆T)와 선상에서 공극수의 염소이온 분석결과에 의해 계산된 가스 하이드레이트 포화도를 비교하였다. 염소이온 분석 결과 가스 하이드레이트 해리에 의하여 상대적으로 낮은 염소 이온 농도를 보이는 구간은 열화상의 CTAZ 구간과 대체로 잘 일치하였다(Fig. 5). 유형 I의 ∆T값은 4.
유형 III의 사질함량은 19.9-74.9%(평균, 49%)를 보이며, 특히 사질함량이 증가함에 따라 가스 하이드레이트 포화도가 증가하는 경향을 보인다(Fig. 6). 이와 같이 퇴적물의 사질 함량이 증가함에 따라 가스 하이드레이트 포화도가 증가하는 이유는 가스 하이드레이트의 형성을 저해하는 모세관 현상이 조립질 퇴적물에서 적게 영향을 미치기 때문이다(Ginsburg et al.
후속연구
예를 스의 이동통로가 되는 급경사의 단층들이 해당 사질층과 연결되지 않은 경우가 그 한 예이다. 그러나 보다 명확한 원인 규명을 위해서는 해당 시추지점(UBGH2-2-2, UBGH2-5, UBGH-9, UBGH2-10)의 단층패턴, 단열특성 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
이는 퇴적물의 단열에 소량으로 존재했던 유형 I이 회수 도중 거의 해리되어 단열을 충진하는 형태를 확인하지 못한 경우, 혹은 아직 확인되지 않은 퇴적물 내 구성성분의 변화가 유형 II의 형성에 기인한 것으로 추측된다. 하지만 더 자세한 원인규명을 위해서는 회수된 코아를 대상으로 입도외의 추가적인 성분분석이 요구된다. 이와 같은 결과들은 시추지점의 퇴적학적 특징에 의하여 가스 하이드레이트의 산출형태가 조절됨을 시사한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동해 울릉분지에서 UBGH2를 통하여 회수한 가스 하이드레이트 함유시료의 분석결과로부터 얻은 결론은?
1) 가스 하이드레이트 함유 코아의 열화상 및 입도 분석 결과, 가스 하이드레이트의 산출형태는 유형 I(니질층의 단열을 충진하는 형태), 유형 II(니질층의 산재하는 형태), 그리고 유형 III(사질층의 공극을 충진하는 형태)으로 분류된다.
2) 가스 하이드레이트 산출형태에 상관없이 ∆T가 클수록 가스 하이드레이트 포화도는 일반적으로 증가한다.
3) 저탁류 사질층에서 회수한 유형 III에서 사질 함량과 가스 하이드레이트 포화도의 선형적인 관계를 확인하였다. 하지만 일부 시료는 높은 사질 함량에도 불구하고 상대적으로 낮은 가스 하이드레이트 포화도가 나타났으며, 이는 불충분한 메탄 공급이 원인으로 해석된다.
4) UBGH2-2-1, 2-3, 2-7, 2-11등 탄성파 단면에서 침니 구조를 확인한 지점에서는 유형 I이 우세하다. 사질 퇴적층이 거의 없는 UBGH2-1-1의 시추지점에서는 주로 유형 II가 회수되었으며, 교호하는 저탁류와 반원양성 퇴적물로 구성된 시추지점에서는 유형III이 우세 하다.
5) 가스 하이드레이트의 산출형태는 가스 하이드레이트 함유 지층의 퇴적학적 특성과 관련이 있으며, 특히 퇴적물의 입도분포에 의하여 가스 하이드레이트 산출형태와 가스 하이드레이트 포화도가 조절된다.
울릉분지의 퇴적층 두께는 얼마인가?
, 1985). 울릉분지의 퇴적층 두께는 대부분 지역에서 4 km이상이며 분지 남쪽에서는 최대 10 km이상이다. 대륙사면 대부분 지역에는 암설류 퇴적물이 넓게 분포하는 반면, 분지의 중앙부에는 반원양성 및 저탁류 퇴적물이 우세하게 분포한다(Chough et al.
레이저 산란 입도분석기의 입도 측정 범위는?
1% 칼곤(calgon, sodium hexametaphoshate)을 첨가하여 초음파 진동기를 이용하여 교반시켰다. 입도분석에 이용한 기기는 레이저 산란 입도분석기(Mastersizer 2000)로 입도 측정 범위는 0.02-2000 µm이다. 입도 분포 자료의 통계처리는 GRADISTAT (Blott and Pye, 2001)를 사용하여 퇴적물의 평균 입도와 분급도 등을 Φ 단위로 모멘트 방법(method of moment)에 의하여 계산하였다.
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