Sequence stratigraphy, sedimentary systems and implications for hydrocarbon exploration in the Qaidam Basin, Northern China
본 연구는 다중 소스 데이터를 통합하여 제3기 카이다무 분지의 상세한 층서학적 틀과 퇴적 시스템 모델을 구축하였으며, 지각 융기와 단층 진화가 호수 역학을 조절한다고 제안하고 최종적으로 시즈거우-망야 및 이리핑 침강 중심지 주변의 최적 유전 탐사 구역을 규명하였다.
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중국 북부의 광활하고 건조한 대지 깊은 곳에는 국가의 가장 중요한 석유 및 가스 매장지 중 일부를 품고 있는 지질학적 보물 상자인 치담 분지(Qaidam Basin)가 자리 잡고 있다. 이 분지는 수십억 톤의 석유를 생산해 왔지만, 그 잠재력의 상당 부분은 읽기 어려운 암석층 아래에 숨겨져 있다. 더 많은 자원을 찾기 위해 지질학자들은 지형의 고대 역사를 이해해야 한다. 즉, 분지가 어떻게 형성되었는지, 물과 퇴적물이 어떻게 그 위를 이동했는지, 그리고 유정을 생성하고 가두기에 적합한 특정 조건이 어디에 존재했는지를 알아야 한다. 이 이야기는 층서(strata)라고 불리는 암석의 층 자체에 기록되어 있다. 이러한 층을 연구함으로써 과학자들은 수백만 년 전의 환경을 재구성할 수 있으며, 과거의 호수가 어떻게 석유가 될 수 있는 어둡고 유기물이 풍부한 진흙을 머금었는지, 그리고 강들이 어디에 석유를 저장할 수 있는 거친 모래를 퇴적시켰는지를 식별할 수 있다. 치담 분지의 과제는 암석 기록이 복잡하여 분지의 각기 다른 부분이 서로 다른 이야기를 들려줌으로써 전체적인 그림을 파악하기 어렵다는 점이었다.
중국 석유대학교(China University of Petroleum)의 연구팀은 분지의 제3기(Tertiary) 역사, 즉 약 6,600만 년 전부터 현재까지 이어지는 기간의 통일된 지도를 제작함으로써 이 수수께끼를 풀기 위해 나섰다. 그들은 단 한 가지 유형의 증거에만 의존하지 않았다. 대신, 지표에 노출된 암석 노두 관찰, 지하 깊은 곳에서 시추한 암석 코어의 상세한 기술, 시추공의 전자 로그, 그리고 지구 피질의 X-ray 역할을 하는 대규모 탄성파 영상을 결러 합쳤다. 이 다양한 정보의 조각들을 하나로 엮음으로써, 그들은 분지 진화의 상세한 타임라인을 구축했다. 그들은 암석층을 7개의 주요 장(chapter)과 12개의 작은 부장(sub-chapter)으로 나누는 계층 구조로 구분하였으며, 각 장은 뚜렷한 지질학적 변화 단계를 나타낸다. 이 장들 안에서 그들은 퇴적물의 이동을 추적하여, 산기슭의 가파르고 자갈이 가득한 선상지부터 광활하고 정적인 호수 바닥, 그리고 망상 하천의 모래 채널에 이르기까지 7가지의 뚜렷한 고대 환경 유형을 식별해 냈다.
연구진은 분지의 역사가 단순히 강수량에 의해 호수가 커지거나 줄어드는 단순한 이야기가 아님을 발견했다. 사실, 치담 분지는 항상 증발량이 강수량보다 많은 건조한 곳이었다. 그들이 찾아낸 호수 크기의 핵심은 주변 산맥의 높이였다. 분지는 쿤룬(Kunlun), 알툰(Altun), 칠리엔(Qilian) 산맥에 둘러싸여 있다. 지구조적 힘에 의해 이 산맥들이 솟아오를 때마다 그 봉우리들은 차가운 공기 속으로 더 높이 솟아올랐고, 이는 더 많은 눈이 쌓일 수 있게 했다. 이 눈은 거대한 저수지 역할을 하여 따뜻한 시기에 녹아 분지로 흘러드는 강물을 공급했다. 연구진은 명확한 규칙을 제시했다. 즉, 산이 높이 솟을수록 더 많은 눈을 보유하게 되고, 결과적으로 호수는 더 커진다는 것이다. 그들이 "설산이 호수를 조절한다(snow mountains controlling lakes)"라고 명명한 이 관계는, 기후가 건조함에도 불구하고 산의 융기가 격렬할 때 왜 호수가 최대 크기로 확장되었는지를 설명해 주었다.
또 다른 결정적인 요인은 분지의 가장자리를 형성하는 단층의 움직임이었다. 연구팀은 호수의 경계가 무작위로 움직이는 것이 아니라, 마치 계단처럼 단층의 움직임을 따른다는 것을 관찰했다. 분지 가장자리의 단층이 산 쪽을 향해 뒤로 밀려날 때 분지 바닥은 확장되어 호수가 더 넓게 성장할 수 있었다. 반대로, 단층이 분지 중앙을 향해 앞으로 밀려올 때 호수는 줄어들었다. 이 "단층이 분지를 조절한다(fault steps control basins)"는 메커니즘은 서로 다른 퇴적 환경이 어디에 자리 잡을지를 결정했다. 예를 들어, 호수가 확장될 때는 심해의 진흙이 퍼져나가 유정을 생성하는 데 필요한 어둡고 유기물이 풍부한 근원암을 만들었다. 반면, 호수가 줄어들거나 해안선이 이동할 때는 산으로부터 온 거친 모래와 자갈들이 중심부에 가까이 퇴적되어, 석유를 담을 수 있는 다공성 저류암을 형성했다.
연구는 암석층의 품질이 퇴적 위치에 따라 크게 달라진다는 것을 보여주었다. 분지의 북쪽과 서쪽 부분에서는 저류암이 종종 거칠고 입자가 잘 분류되어 있어 석유를 보유하기에 매우 좋은 후보가 된다. 그러나 고대 치담 호수의 염수 환경에서는 화학적 작용으로 인해 미네랄이 모래 입자를 결합시켜, 때때로 석유가 쉽게 흐를 수 없을 정도로 암석을 단단하게 만들기도 했다. 연구진은 석유 축적에 가장 유리한 두 가지 주요 구역을 식별했다. 첫 번째는 남서쪽의 스즈고우-망야(Shizigou–Mangya) 함몰지 주변 지역이다. 이곳은 근원암이 성숙해 있으며, 저류사(reservoir sands)가 단층에 의해 분리되어 근원암 바로 옆에 위치해 있다. 이 지역은 이미 유전으로 알려져 있지만, 새로운 지도는 이곳이 미래의 발견을 위한 가장 유망한 구역임을 시사한다. 두 번째 구역은 동쪽의 이리핑(Yiliping) 함몰지이다. 이 지역 역시 성숙한 근원암을 가지고 있지만, 저류층이 종종 두꺼운 진흙층에 의해 근원암으로부터 분리되어 있어 석유가 이동하기 어렵다. 이 지역은 잠재적인 목표로 간주되지만, 석유가 이동했을 구체적인 경로를 찾기 위한 더욱 정밀한 매핑이 필요하다.
산의 상승, 단층의 움직임, 그리고 눈 녹은 물의 흐름을 연결함으로써, 연구진은 치담 분성이 어떻게 진화했는지에 대한 역동적인 모델을 만들어냈다. 그들은 분지가 정적인 용기가 아니라 지구 피질의 힘에 반응하는 살아있는 시스템이었음을 보여주었다. 이 연구는 새로운 석유를 찾기 위한 최적의 장소가 단순히 암석이 오래된 곳이 아니라, 고대의 지형이 근원암과 저류암을 올바른 관계로 배치했던 곳임을 확인시켜 준다. 연구 결과는 탐사의 명확한 가이드를 제공하며, 가장 생산적인 구역은 고대의 호수가 충분히 깊어 석유를 생성할 수 있었고, 주변 산맥이 충분히 높아 그것을 잡아둘 모래 트랩을 형성할 수 있었던 곳임을 시사한다. 이 작업은 흩어져 있던 암석 샘플과 탄성파 라인들을 하나의 일관된 풍경 이야기로 변모시켜, 한때 거대한 눈 섞인 호수였던 지형의 이야기를 들려주며, 사막 아래 숨겨진 에너지 자원을 찾는 새로운 길을 제시하고 있다.
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