Thermal maturity and hydrocarbons potential generation in the Tumaco and San Juan-Atrato Basins as revealed by TOC, RE-Py and petrographic analysis

지구 표면 깊은 곳, 거대한 지각판이 충돌하고 하나가 다른 하나 아래로 미끄러져 들어가는 좁고 격동적인 구역에서 복잡한 지질학적 드라마가 펼쳐집니다. 이러한 섭입대는 단순히 암석의 경계가 아니라, 지각 물질, 퇴적물, 그리고 유기물을 뜨겁고 압력이 높은 맨틀의 심부로 끌어내리는 행성의 재활용 센터입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 퇴적물 속에 갇힌 고대 식물과 동물의 유해가 어떻게 되는지 궁금해해 왔습니다. 그것들이 기름과 가스로 요리되는 것일까요, 아니면 휴면 상태로 잠겨 있는 것일까요? 이 질문은 특히 콜롬비아 태평양 지역에서 매우 시급한 문제입니다. 이곳은 해저가 남미 대륙 아래로 가라앉는 지역입니다. 이곳의 지질은 젊고 활동적이며, 가파른 경사와 빠른 퇴적 작용이 특징입니다. 이러한 지역은 막대한 양의 메탄 하이드레이트를 보유하고 있는 것으로 알려져 있지만, 전통적인 석유와 가스의 잠재력은 그동안 미스터리로 남아 있었습니다. 이는 주로 그곳에 매립된 유기 물질을 연구하기가 어려웠기 때문입니다. 이 퇴적물들이 연료를 생성할 수 있을 만큼 적절한 온도와 압력에 도달했는지 이해하는 것은, 이 프런티어 분지들이 에너지 자원을 보유하고 있는지, 아니면 단순히 과거의 지질학적 기록 보관소인지를 아는 데 필수적입니다.

이 수수께끼를 풀기 위해 연구팀은 이 해안을 따라 위치한 두 개의 특정 분지인 투마코(Tumaco) 분지와 산후안-아트라토(San Juan-Atrato) 분지에 주목했습니다. 그들은 다양한 시추정(wells)과 지표 노두(outcrops)로부터 지질학적 기록을 깊이 파헤치며 총 763개의 암석 샘플을 대량으로 수집했습니다. 목표는 이 암석들 안에 기록된 화학적, 물리적 역사를 읽어내는 것이었습니다. 과학자들은 세 가지 주요 요소, 즉 유기 탄소가 얼마나 존재하는지, 어떤 종류의 유기 물질인지, 그리고 수백만 년 동안 얼마나 많은 열을 견뎌왔는지를 조사했습니다. 그들은 '록-에발 열분해(Rock-Eval pyrolysis)'라는 방법을 사용했는데, 이는 본질적으로 통제된 환경에서 암석을 가열하여 어떤 종류의 탄화수소가 방출되는지 확인하는 방식입니다. 또한, 암석의 열적 역사를 측정하는 온도계 역할을 하는 기술인 화석화된 식물 파편의 반사율을 측정했습니다. 이러한 측정값들을 유기물 자체에 대한 현미경 관찰과 결합함으로써, 그들은 암석이 연료를 생성하기에는 너무 차가운 '미성숙(immature)' 상태인지, '오일 윈도우(oil window, 오일 생성의 최적기)' 상태인지, 아니면 오일이 가스로 분해되는 '과조리(overcooked)' 상태인지를 판별할 수 있었습니다.

콜롬비아 태평양 분지의 결과는 아직 완전히 실현되지 않은 잠재력에 대한 이야기를 들려줍니다. 분석된 암석들은 유기물을 포함하고 있었으나, 그 양은 연구자들이 풍부하다기보다는 '수용 가능한' 범위라고 설명하는 다소 완만한 수준이었습니다. 연구진이 탄화수소를 추출하기 위해 샘로를 가열했을 때, 데이터는 유기 물질이 아직 상당한 양의 기름이나 가스를 생산할 준비가 되지 않았음을 보여주었습니다. 대부분의 샘플은 육상 식물 물질에서 유래하며 일반적으로 오일보다는 가스 생성과 연관되는 'Type III 케로젠' 범주에 속했습니다. 그러나 결정적인 발견은 온도였습니다. 암석은 식물 물질을 연료로 바꾸는 데 필요한 화학 반응을 일으킬 만큼 충분히 가열되지 않았습니다. 암석이 얼마나 '요리'되었는지를 나타내는 척도인 열적 성숙도 측정값은, 유기물이 여전히 초기 단계, 즉 지질학자들이 말하는 '미성숙' 단계에 있음을 나타냈습니다. 이는 마치 주방에 식재료는 준비되어 있지만, 요리를 시작하기 위해 가스레인지 불을 충분히 높이지 않은 상태와 같습니다.

이러한 결론은 현미경을 통한 미세한 관찰을 통해 더욱 강화되었습니다. 강력한 현미경 아래에서 연구진은 화석화된 포자와 식물 조직 조각을 포함한 유기 입자들을 관찰하고, 이것들이 빛을 얼마나 반사하는지 측정했습니다. 이 측정값들은 가열 데이터를 확증했습니다. 즉, 암석은 유의미한 탄화수소 생성을 위해 필요한 임계치에 도받지 못했다는 것입니다. 일부 더 깊은 곳의 샘플들은 약간 더 높은 성숙도의 징후를 보이며 오일이 형성될 수 있는 구역에 막 진입하고 있음을 시사했지만, 대다수의 분지는 여전히 너무 차갑습니다. 연구는 또한 이 분지의 유기물이 해양 및 육상 기원의 혼합물이며, 이는 결국 오일과 가스가 섞인 형태를 생성할 수 있는 전이형 물질을 만들 수 있지만, 이는 더 깊이 매립되거나 시간이 흐름에 따라 더 많은 열을 받아야만 가능하다는 점을 언급했습니다.

연구진은 특정 구역, 특히 투마코 분지의 더 깊은 섹션과 산후안-아트라토 지역의 특정 노두에서 약간 더 높은 온도를 발견했으며, 이는 이 지점들이 생산성을 갖추기 위한 바로 그 경계에 있을 수 있음을 암시했습니다. 그러나 이러한 유망한 지역들조차 아직 완전히 성숙하지는 않았습니다. 이 연구는 이 분지들이 현재 채굴을 기다리고 있는 풍부한 전통적 석유 저장고라는 생각을 명시적으로 배제합니다. 대신, 증거는 탄화수소 잠재력이 암석의 현재 열적 상태에 의해 제한되어 있음을 시사합니다. 유기물은 존재하며 그것은 언젠가 연료를 생성할 수 있는 유형이지만, 지질학적 조건이 그 연료를 깨울 데 필요한 열을 아직 제공하지 못했습니다.

결국, 이 연구는 콜롬비아 태평양 마진에 대한 명확하고 데이터에 기반한 그림을 제공합니다. 이 연구는 이 분지들이 유기물이 풍부한 퇴적물을 포함하고 있음에도 불구하고, 대체로 미성숙하다는 것을 확인해 줍니다. 암석은 현대 사회를 움직이는 석유와 가스로 변환될 만큼 충분한 열을 받지 못했습니다. 이것이 이 분지들이 가치가 없다는 뜻은 아닙니다. 이들은 중요한 지질학적 기록을 보유하고 있으며, 생성 가스(biogenic gas)나 메탄 하이드레이트를 포함하고 있을 수 있습니다. 하지만 전통적인 석유 및 가스 탐사에 있어서는 주의를 요하는 메시지를 전달합니다. 재료는 준비되어 있지만, 지구의 힘에 의한 레시피는 아직 완성되지 않았습니다. 향촉한 탐사는 요리 과정이 마침내 시작되었을 법한 더 깊고 뜨거운 포켓을 찾거나, 그러한 강렬한 열적 성숙도를 필요로 하지 않는 다른 유형의 에너지 자원을 찾는 데 집중해야 할 것입니다.