서론
아프리카 북서 대륙주변부에 위치한 MSGBC (Mauritania-Senegal-Gambia-Bissau-Conakry) 분지가 최근 잇따른 거대 유 ‧ 가스전의 발견으로 가장 주목을 받는 탐사 지역으로 떠오르고 있다(Fig. 1)(Stronach, 2016). 2014년 케언에너지(Cairn Energy Plc)가 세네갈 해상의 Fan-1 구조에서 원시부존량 9억 5천만 배럴, SNE-1 구조에서 잠재자원량 5억 6천만 배럴의 석유를 발견하였으며, 2015년 코스모스에너지(Kosmos Energy Ltd)가 모리타니 해상 Tortue-1 구조에서 15조 입방피트(Tcf, trillion cubic feet)의 가스를 발견하고 2017년까지 Marsouin-1 (5 Tcf), Yakaar-1 (15 Tcf), Teranga-1 (5 Tcf) 등 100%의 탐사 시추 성공률을 기록하고 있다.
아프리카 대륙주변부는 쌍을 이루는 브라질 등 북 ‧ 남미 대륙주변부와 마찬가지로 대서양이 생성되고 확장하는 과정에서 집적된 퇴적체가 거대 매장량의 부존 잠재력을 지닌 석유시스템을 구축하고 있으나 부진한 탐사로 상당 지역이 미지의 상태이다. MSGBC 분지는 중소 규모 석유회사들의 주무대로 과거 Dome Flore(1967년, 10억 배럴), Chinguetti(2001년, 1.23억 배럴) 등 발견이 있었으나, 중질 또는 생산량의 돌연 감퇴로 미개발되거나 개발 ‧ 생산이 중단되었다. 근래 유가가 오르기 시작하면서 BP, Total, ExxonMobil, CNOOC 등 대형 석유회사들이 쇄도하여 광구 또는 지분 확보(farm-in)를 하고 있어, 국내 기업의 참여는 갈수록 어려워질 전망이나 정부 차원의 긴밀한 외교적 지원이 있다면 해결될 수도 있다.
이 논문은 세계 석유 분지들의 가용한 지질 정보를 수집하여 지체 구조와 광역 지질을 개관하고, 함유 구조의 층서 및 퇴적상, 저류 물성, 유기 지화학 등 석유지질적 요소들을 고찰 ‧ 가공하여, 한국지질자원연구원이 국내 기업들에게 제공하는 해외 자원 개발 기초 자료로 작성되었다.
지체구조
MSGBC 분지는 초대륙(Pangaea)이 해체되고 대서양이 형성되는 과정에서 북서 아프리카 주변에 발달한 열개 및 열적 침강 분지로, 블랑 곶(Cape Blanc) 단열대와 기니 단열대 사이의 육상 및 해상에 분포한다(Fig. 2)(Rad et al., 1982; Reymond and Negroni, 1989; Brownfield and Charpentier, 2003; Davison, 2005; Brownfield, 2016). 분지는 선캄브리아기 레귀바트(Reguibat) 순상지, 헤르시니아 모리타니 구조대(Mauritanides), 고생대 보베(Bove) 분지로 둘러싸인 세네갈 연안 분지를 포함하며, 해상으로 수심 4,000 m까지 연장하여 면적이 ~600,000 km2에 달한다.
MSGBC 분지를 포함하는 대륙주변부는 대륙붕, 대륙 사면, 대륙대로 구성되며, 대륙붕은 폭의 중앙값이 ~50 km로 매우 좁고, 폭이 넓은 기니 해대도 200 km를 넘지 않는다(Uchupi et al., 1976). 붕단은 수심 ~120 m에 위치하며, 해저 협곡들에 의해 갈라져 있다. 대륙 사면은 밑 부분 수심이 1,500~3,000 m이고, 폭은 대륙붕과 대동소이하다. 대륙 사면에는 해저 사태가 도처에 발달하고, 성장 단층과 부수 습곡, 암염 유동 등이 하부 지형을 복잡하게 한다. 대륙대는 대륙 사면과 대양저 사이의 경사가 완만한 지역으로 폭이 최대 1,500 km이며, 저탁류에 의한 심해 선상지, 등심류(contourite), 해산 등이 지형을 형성한다.
판게아는 페름기 말~트라이아스기 전기 동시다발적인 열개로 해체되기 시작했으며, 아프리카 북서부와 북미 판의 분리는 쥐라기 중기부터 통시적으로 진행되었다(Uchupi et al., 1976; Uchupi, 1989; Bird et al., 2007). 하부의 열개 분지는 호성층 또는 적색 쇄설층으로 채워진 지구-지루 망(graben-horst network)이 구성하고, 상부를 트라이아스기 말~쥐라기 초(~200 Ma) 증발암이 덮는다(Fig. 3)(Tari et al., 2003). 쥐라기 중기(~180 Ma) 해저 확장으로 대륙들이 분리되면서 침강에 의한 해침으로 대륙붕이 형성된 후, 분리 부정합면 상부에 탄산염암이 쌓이면서 열개후 퇴적이 시작되고 붕단 부근의 낙차가 큰 단층 지괴대(basement hinge block)의 가장자리를 따라 암초 군락을 형성한다(Bungener, 1995a, b, c; Hinz and Martin, 1995, Bungener and Hinz, 1995). 백악기 이후 퇴적은 심해상 쇄설암으로 대체되고, 해수면 변동에 따라 매적 또는 전진 구축하는 경사층 군(clinothem)이 구성한다. 열개 동시성 및 열개후 퇴적층의 두께는 모리타니 구조대와의 퇴적 경계로부터 서쪽으로 두꺼워져서 다카르(Dakar)가 위치한 베르데 곶(Cape Verde) 부근에서 7 km에 달하며, 붕단 너머에서는 10 km 이상이다(Roussel and Liger, 1983; Ritz, 1984; Ritz and Bellion, 1988, 1989).
층서
MSGBC 분지의 층서는 열개전, 열개동시성, 열개후로 구분된다. 열개전 층서는 시생대 기반암 상부의 선캄브리아기 말~고생대 퇴적암으로 구성되는데, 두께는 육상 보베(Bove) 분지에서 최대 3,500 m, 해상에서는 탄성파 자료 등을 통해 5,000 m 이상으로 알려졌다(Dumestre, 1985; Dumestre and Carbalho, 1985; Brownfield and Charpentier, 2003; Brownfield, 2016), 보베 분지는 아프리카 북서부에 널리 분포하는 타우데니(Taoudeni) 분지의 연장으로, 캄브리아-오르도비스기 하성 또는 빙성 사암, 실루리아기 흑색 셰일, 데본기 천해성성 쇄설암 등이 층서를 구성한다(Fig. 4)(Villeneuve and Komara, 1991; Villeneuve, 2005).
열개동시성 층서는 지구대(graben)를 채우는 트라이아스기~쥐라기 전기 증발암과 하부 호성 셰일을 비롯한 쇄설암으로 구성되는데, 각각의 두께가 2,000 m, 1,500 m에 달한다. 증발암의 대부분은 암염으로 이루어졌으며, 북부 모리타니와 감비아 강 남부의 카사만스(Casamance) 소분지에서 광범위하게 돔 구조를 형성한다(Tari et al., 2003).
열개후 층서는 대서양의 해저 확장이 시작되는 쥐라기 중기로부터 현세까지를 포함한다. 가장 하부는 쥐라기 중기~백악기 초 탄산염암이 구성하는데, 두께는 2,300~ 3,200 m이다. 당시 탄산염암 대륙붕단은 현재 200 m 등수심선을 따라 위치한다(Fig. 2b). 압트세~알비세 해퇴가 시작되면서 셰일과 삼각주 사암이 탄산염암으로 구축된 대지 위에 전진하면서 쌓이고, 심해상이 암초대 주변(reef margin) 사면에 접안걸침(onlap)하면서 쌓인다. 세노마눔세~튀롱세는 해침으로 셰일이 대륙붕을 전반적으로 잠식하는데, 최대 해침기 튀롱세에 퇴적된 셰일은 유기물을 풍부하게 함유하여 유력한 근원암으로 두께가 50~150 m이다. 이어서 세노니아기는 대규모 해퇴기로 사암이 400~1,200 m 두께로 퇴적된다. 신생대는 해침기로 사질 퇴적이 멈추고, 석회질 또는 점토질 이회암과 저탁암이 하부 백악기와 부정합으로 광범위하게 퇴적된다.
석유지질
근원암
해침기 세노마눔세~튀롱세 셰일의 근원암 가능성은 1975년 심해저굴착사업(DSDP, Deep Sea Drilling Project)에 의해 수행되었던 제41차 항해(Leg 41)에서 확인되었다(Lancelot et al., 1977). 케이프 베르데(Cape Verde) 섬 부근의 대륙대에서 시추된 백악기 흑색 셰일은 유기물 함량이 6~34%, 유기물 유형이 II형이었으며, 두께는 200 m로, 매몰 조건만 충족되면 다량의 석유를 생성하고 방출할 수 있는 잠재력을 보였다(Fig. 5)(Deroo et al., 1978; Herbin et al., 1986; Jones et al., 2007). 세네갈 육상 분지에서 세노마눔세~튀롱세 셰일은 반해성 또는 수심이 얕은 연근해 환경에서 퇴적되어 가스 생성 경향의 III형 유기물을 많이 포함하며, 함량은 평균 ~1.5%이고, 1,500~3,800 m 깊이에서 0.4~0.9%Ro의 비트리나이트 반사도를 나타낸다(Nzoussi-Mbassani et al., 2003, 2005). MSGBC 분지에서 양질의 근원암은 베르데 곶을 중심으로 2개 지역으로 나뉘어 분포하는데(Fig. 6), 북쪽의 근원암은 두께가 최대 380 m이고 탄화수소 잠재량은 3-21 kg/ton이며, 남쪽 카사만스 소분지의 근원암은 두께가 330~490 m이고 탄화수소 잠재량은 5-75 kg/ton이다(Reymond and Negroni, 1989). 부차적으로 세노니아기, 신생대 고기 및 신기 층이 각각 2-5 kg/ton (II 및 III형), >5 kg/ton (II 및 IV형), 2-5 kg/ton (II형)의 탄화수소 잠재량을 보인다.
MSGBC 분지의 근원암들은 다양한 수준의 성숙도를 보인다. MSGBC 분지의 석유 생성 구간은 2.5~6 km이며(Fig. 7), 남쪽에서 얕아지는데 베르데 곶 지역의 화산 작용으로 높아진 지온구배에 기인한다. 현재 MSGBC 분지에서 석유 생성이 시작하는 심도는 900~3,200 m이며, 베르데 곶 지역이 900~1,200 m로 가장 얕고, 카사만스와 모리타니아 소분지의 일부 지역도 열 전도도가 높은 암염돔의 분포로 인해 비교적 얕은 편이다. 석유 생성 시기는 알비세 층이 에오세, 튀롱세~세노니아기 층이 마이오세에 시작하였을 것으로 추정되고, 신생대 층은 대부분 미숙한 상태이다(Fig. 8). 석유 생성량은 근원암의 질이 외해로 갈수록 나아지고 두께가 늘어나며 매몰 심도도 깊어져서, 모리타니아 소분지에서는 >1,500 ton/km2, 카사만스 소분지에서는 >2,500 ton/km2에 달할 것으로 추정된다(Fig. 9)(Reymond and Negroni, 1989).
저류암, 트랩 및 덮개암
대륙사면의 선상지에서 퇴적된 백악기 저탁류 사암과 신생대 탄산염암/쇄설암이 주요 저류층을 형성하는데, 최근 발견된 Fan, SNE 유전과 Tortue, Yaakar 가스전 등이 전자에 속하며, 카사만스 소분지의 Dome Flore 유전, 모리타니아 해상의 Chinguetti 유전 등이 후자에 해당한다.
Fan 유전은 알비세 대륙사면 하부에 쌓인 두께 500 m 이상의 선상지 퇴적물이 층서적/구조적 트랩을 형성하고 순두께 29 m의 저류층을 구성하며, SNE 유전은 알비세 세네갈 강에 의해 형성된 삼각주 주변(delta apron)에서 해저 수로-제방(submarine channel-levee)을 구성하던 사암체에 총두께 95 m, 순두께 36 m, 공극률 25%의 저류층을 포함한다(Fig. 10).
Tortue를 비롯한 Kosmos 사의 가스전들은 세노마눔세 대륙사면의 해저 협곡들에 위치하며, Yakaar 가스전은 Teranga 협곡에 의해 운반된 퇴적물이 쌓인 분지저 선상지에 위치한다(Fig. 11). 트랩은 사방이 닫힌 배사구조들이 형성하고, 저류층은 순두께 100 m 내외의 저탁류 사암층이며, 탄성파에서 진폭 이상 또는 변화(amplitude variation with offset, AVO)를 보인다.
모리타니아 해상의 Chinguetti, Banda, Tiof 유전 등은 마이오세 전기 해저 협곡을 채우는 저탁류 사암이 저류층을 형성하며, 트랩은 암염 유동과 연계하여 발달한 배사구조이다(Fig. 12a)(Davison, 2005; Vear, 2005). 저류암의 평균 공극률은 26%이고, 투과도는 수 다시(darcy)에 이르기도 한다. 카사만스 분지의 Dome Flore/Gea 유전 역시 암염 돔 상부에 발달한 배사구조가 트랩을 형성하며(Fig. 12b), 저류층은 올리고세 유공충 석회암층이 형성하는데 공극률은 30~40%이며, 두께는 최대 40 m이다.
덮개암은 MSGBC 분지가 쥐라기 이후 지속된 열적 침강으로 수심이 깊어져 셰일이 흔한 환경으로 풍부한 편이다. 근원암이기도 한 세노마눔세~튀롱세 셰일이 대표적으로 하부의 알비세 저류층에 대한 덮개암이며, 세노니아기 협곡의 저류층에 대해서는 해침기 협곡을 채우는 셰일이 국부적 덮개암 역할을 한다. 저탁암 저류층에 대해서는 고유의 상부 세립질 퇴적층리와 반원양성(hemipelagic) 및 원양성(pelagic) 이토층이 훌륭한 덮개암이다. 올리고세 및 마이오세 저류층은 교호하는 셰일층과 하도 또는 협곡이 방기된 후 쌓인 셰일이 각각 덮개를 형성한다.
결론
북서 아프리카 해상의 MSGBC 분지는 최근 5년간 잇따른 거대 유 ‧ 가스전의 발견으로 세계 각국의 석유기업들이 몰려들고 있는 지역이다. 하지만 석유공사를 비롯한 국내 자원개발기업들은 지난 정권들에서의 무분별한 투자로 사업 역량이 소진되어, 유가가 상승하고 있는 작금의 상황에 제대로 대처하지 못하고 있다. 에너지 ‧ 자원은 국가 경제 ‧ 산업의 원동력이자 국민의 일상생활과 직결되는 재화로, 안정적 수급과 가격은 정부가 소홀히 해서는 안되는 기본적 책무이다.
케언에너지가 세네갈 해상에서 시추한 Fan과 SNE 구조는 2014년 최대 발견자원량을 기록했으며, 코스모스에너지는 Tortue로 2015년 세계 두번째의 큰 발견을 하였고, 2017년까지 100%의 시추성공률을 기록하였다. MSGBC 분지는 최근 BP, Exxon, Total, CNOOC 등 거대 석유회사들이 공격적인 광구 입찰 또는 팜인(farm-in)을 통해 참여를 확대해 나가고 있으며, 감비아, 기니 등에서도 탐사 열기가 달아오르고 있다.
MSGBC 분지는 판게아가 해체되고 대서양이 형성되는 과정에서 북서 아프리카에 발달한 대륙주변부 분지로, 트라이아스기 열개동시성 증발암층을 비롯하여 대서양의 확장이 시작되면서 쌓인 쥐라기 탄산염암과 백악기~신생대 심해저 저탁류암 등 두께 10 km 이상의 퇴적층을 포함한다. 석유/가스는 주로 알비세 및 세노마눔세 대륙사면의 선상지 및 해저 협곡 또는 수로에서 쌓인 저탁암 사암체에서 발견되고, 세노마눔세~튀롱세와 알비세 셰일을 근원암으로 한다. 트랩 형성에 구조와 층서가 모두 중요하게 작용하였으며, 저류층은 탄성파에서 강한 진폭 이상 또는 변화를 보인다. 덮개암은 열적 침강에 따른 깊은 수심 환경에서 퇴적된 셰일이 흔해 충분하다.
