Evaluating the hydrocarbon production potential of Shemshak's formation Shale in Shahrud's Dehmolla area, using Rock-Eval Device

지표면 깊은 곳의 암석층은 수백만 년 전 살았던 식물과 동물의 유해를 보존하는 고대의 기록 보관소 역할을 합니다. 이러한 유기물 유해가 충분히 깊게 매몰되어 오랜 시간에 걸쳐 강한 열과 압력을 받게 되면, 오늘날 우리가 의존하는 에너지원인 석유와 천연가스로 변하게 됩니다. 지질학자들은 이 암석들이 연료를 생성할 만큼 충분한 유기물을 포함하고 있는지, 어떤 종류의 연료를 생산할 수 있는지, 그리고 변환 과정이 얼마나 진행되었는지를 이해하기 위해 이 암석들을 연구합니다. 유기 지구화학(organic geochemistry)이라고 알려진 이 연구 분야를 통해 과학자들은 암석 속에 갇힌 화학적 신호를 읽어내어 에너지 형성의 역사를 재구성할 수 있습니다. 이란의 알보르즈(Alborz) 산맥처럼 석탄과 셰일이 풍부한 지역에서는, 이 지하 층들이 상당한 양의 탄화수소를 보유하고 있는지, 아니면 단순히 불활성 암석으로 변했는지를 판단하는 것이 매우 중요합니다.

이란 샤루드(Shahrud) 시 남서쪽에 위치한 데모라(Dehmolla) 지역에서 연구진은 셈샤크(Shemshak) 지층이라 불리는 특정 지질층에 주목했습니다. 이 지층은 광활한 숲이 대지를 덮고 있었던 쥬라기 시대의 탄질 퇴적물을 포함하고 있는 것으로 유명합니다. 이 암석들의 탄화수소 생성 잠재력을 조사하기 위해 샤루드 대학교와 아미르키비르 공과대학교의 과학자 팀은 지표에서 샘플을 채취했습니다. 그들은 이 지층에서 발견되는 다양한 유형의 물질을 나타내는 흑색 셰일, 녹색 셰일, 석탄, 사암을 포함하여 총 20개의 서로 다른 암석 조각을 수집했습니다. 목표는 단순히 유기 탄소가 얼마나 존재하는지를 파악하는 것뿐만 아니라, 그 탄소의 질이 어떠한지, 그리고 암석이 석유나 가스를 방출할 만큼 충분히 가열되었는지를 결정하는 것이었습니다.

이 샘플들을 분석하기 위해 연구팀은 록-에발 열분해 장치(Rock-Eval pyrolysis device)라고 불리는 특수 기기를 사용했습니다. 이 기계는 통제된 환경에서 작은 암석 샘플을 가열함으로써, 본질적으로 샘플을 '요리'하여 그 안에 갇혀 있는 가스와 액체를 방출하게 만듭 way. 온도가 상승함에 따라, 기계는 암석에 이미 존재하고 있는 자유 탄화수소의 양, 가열을 통해 방출될 수 있는 탄화수소의 양, 그리고 유기물의 연소로부터 발생하는 이산화탄소의 양을 측정합니다. 이러한 특정 출력값을 측정함으로써, 과학자들은 암석 내 전체 유기 탄소량을 계산하고 그 암석이 포함하고 있는 유기물의 유형을 결정할 수 있었습니다. 이 과정은 전 세계 석유 회사들이 암석 지층이 에너지원으로서 가치가 있는지 평가하기 위해 사용하는 표준적인 방법입니다.

결과는 셈샤크 지층 내에 넓은 범위의 잠재력이 있음을 보여주었습니다. 샘플 내 유기 탄소량은 0.08%라는 매우 낮은 수준부터 23.24%라는 이례적으로 높은 수준까지 극적으로 다양했습니다. 이러한 변동은 암석들이 서로 다른 품질 범주에 속함을 의미했습니다. 녹색 셰일과 사암 샘플은 유기 물질이 매우 적어 에너지 생산을 위한 취약한 원천으로 분류되었습니다. 반면, 흑색 셰일과 석탄 샘플은 유기 탄소가 풍부했으며, 일부는 탄화수소 생성을 위한 탁월한 잠재력을 나타내는 수준에 도달했습니다. 암석에서 발견된 유기물의 유형은 주로 육상 식물에서 유래한 것으로, 이는 석탄이 풍부한 환경의 전형적인 특징입니다. 이 유기물은 제3형 및 제4형 케로젠(kerogen)으로 분류되며, 이는 일반적으로 액체 석유보다는 천연가스를 생산하는 것으로 알려져 있습니다.

연구는 또한 암석의 열적 성숙도, 즉 지질학적 시간 동안 암석이 얼마나 많은 열과 압력을 견뎌왔는지를 조사했습니다. 데이터에 따르면 이 지역의 암석들은 성숙 단계에서 초성숙 단계에 이르는 성숙도를 보였습니다. 특히 흑색 셰일과 석탄 같은 어두운 색의 샘플들은 가장 강렬한 가열 과정을 거쳤습니다. 이러한 높은 성숙도는 이 암석들이 액체 석유를 생성하는 단계를 지나 건성 가스(dry gas)를 생성하는 구역으로 진입했음을 시사합니다. 실제로 대부분의 샘플은 유기물이 가스로 전환되었음을 나타냈으며, 일부 샘플은 가스조차 분해되기 시작하는 메타제네시스(metagenesis, 변성 작용) 단계에 진입하고 있다는 징후를 보였습니다. 유기물 내의 높은 산소 수치와 낮은 수소 수치는 이러한 암석들이 심해의 산소가 부족한 환경이 아닌, 육상과 같이 산화가 활발한 환경에서 형성되었음을 더욱 확증해 주었습니다.

궁극적으로, 이번 조사는 데모라 지역의 셈샤크 지층이 특히 흑색 셰일과 석탄층 내에서 천연가스에 대한 상당한 가능성을 보유하고 있음을 확인했습니다. 동일한 지층 내의 녹색 셰일과 사암은 에너지원으로서 가치가 거의 없는 반면, 석탄이 풍부한 구간은 건성 가스를 생성하는 데 필요한 유기적 풍부함과 열적 역사를 갖추고 있습니다. 이 결과는 이 암석들이 고대 식물 물질을 가스로 바꾸는 과정을 이미 완료했음을 시사하며, 이들을 알보르즈 산맥 지역의 미래 에너지 탐사를 위한 유망한 목표로 만들어 줍니다.