서 론
자연수소 생성의 생성과정
수소 시스템
근원암-생성 시스템 (Source-Generation system)
생성과 방출(Generation and Expulsion)
이동-보존 시스템 (Migration-Preservation system)
수소의 이동(Migration)
트랩 및 덮개암(Trapping/Sealing)
지구조적 환경 및 탐사 모델
판 경계부(Plate margin)
코디예라형 전호분지 탐사모델
테티스형 오피올라이트 탐사 모델
판 내부-대륙(Intra plate-continental)
녹색암 강괴 탐사 모델
열개 역전 조산대(Rift inversion orogens) 모델
자연수소 탐사 방법
원격탐사(Remote sensing)
지구화학적 탐사
지구 물리 탐사
결 론
서 론
전 세계적으로 청정에너지 전환이 가속화됨에 따라, 탄소중립 실현을 위한 지속 가능하고 친환경적인 수소 자원에 대한 관심이 급격히 증가하고 있다. 지각 내부에서 자연적으로 생성되고 누출되는 자연수소는 기존의 수소 생산방식을 대체하거나 보완할 수 있는 자원으로 부상하고 있다(Lévy et al., 2023; Zhao et al., 2023; Jackson et al., 2024).
자연수소는 물리적, 화학적, 생물학적 과정을 통해 다양한 지질 환경에서 생성되며(Ménez, 2020; Hand, 2023; Maiga et al., 2023; Blay-Roger et al., 2024), 주로 물(H2O), 광물 내 수산화물(OH⁻), 수소를 포함한 휘발성 화합물(H2, CH4 등) 형태로 존재한다(Donzé et al., 2020). 생성기작에 따라 무기 기원(Abiogenic)과 생물 기원(Biogenic)으로 나눌 수 있으며, 생물기원 수소는 다시 열적(Thermogenic)과 미생물 기작으로 구분된다(Tissot and Welte, 1984; Nandi and Sengupta, 1998; Hallenbeck and Benemann, 2002). 무기 기원 수소의 경우 비퇴적암에서 농도가 10 mol% 이상인 고농도 수소 가스를 생성하는 것으로 알려져 있다(Coveney et al., 1987). 무기 기원 수소를 탐사하기 위한 수소 시스템은 기존 석유시스템의 근원암-생성-이동-저류암-트랩-덮개암의 개념 내에서 설명될 수 있지만, 탐사 접근법은 생물 기원의 천연가스와는 다르다. 무기기원 수소의 생성 속도는 특정 암석 유형 및 다양한 광물의 상호작용, 그리고 화학 반응 및 방사성분해를 위한 물과의 접근 가능성에 의해 결정된다(Lin et al., 2005; Sleep et al., 2004). 자연수소 탐사를 위해서는 생물기원과 무기기원의 수소자원을 모두 고려해야 하며, 자연적인 수소 생성 반응을 연구함으로써 수소시스템을 구성하는 지질학적 구성 성분과 과정을 찾을 수 있다.
자연수소는 탄화수소가스와는 다른 지질학적 조건과 거동 특성을 가진다. 초고철질 기반암에서 수소 생성 이후 탄화수소 가스와는 다른 방식으로 트랩될 수 있다. 무기 반응 과정에서 변성된 기반암의 균열에 의해 공극이 형성되어 저장될 수 있고, 점토 광물 및 증발암(특히 암염)이 존재할 경우 효과적인 흡착제, 트랩 및 덮개암의 역할을 할 수 있다(Shcherbakov and Kozlova, 1986; Smith et al., 2005). 암염을 포함한 증발암, 고갈된 석유·가스 저류층 및 금광 등의 광상은 자연수소의 상업적 개발에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 하지만 전 세계적으로 자연수소에 대한 지질학적 저장소 발굴 및 체계적 탐사는 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 특히 수소 시스템의 구성 요소를 정량적으로 해석할 수 있는 모델의 정립과, 지구조 환경에 따른 유망 탐사 지질구조에 대한 비교 분석이 필요하다(Zhao et al., 2023; Jackson et al., 2024). 이와 함께, 기존 석유·가스 탐사에서 축적된 탐사 기법들이 자연수소 탐사에 어떻게 효과적으로 적용될 수 있는지에 대한 통합적 접근이 요구된다.
국내에 발행된 몇가지 선행 연구를 요약해보면 근원암으로서 역할을 할 수 있는 국내 초고철질암의 분포와 특징을 고찰하여 국내 수소 자원 탐사를 위한 기초자료를 마련하였고(Chae et al., 2024), 자연수소의 발생과 안정성에 영향을 미치는 지구화학적 과정과 반응, 자연수소의 발생과 분포에 영향을 미치는 지질학적 구조에 대한 분석(Cha and Lee, 2023), 그리고 자연수소의 성인과 부존 유형 그리고 해외 탐사 사례 및 국내 부존가능성을 소개하였다(Kim, 2022).
이 논문에서는 주요 학술 데이터베이스(예: Web of Science, ScienceDirect)를 활용하여 관련 논문들을 체계적으로 검색하였고, 선별된 문헌들을 중심으로 수소 시스템을 구성하는 지질학적 구성 요소와 기작, 이들 시스템이 작동하는 지구조적 환경 및 잠재 지질구조 모델, 그리고 이를 탐지하기 위한 실질적인 탐사 방법론을 종합적으로 고찰하였다. 특히 자연수소 탐사 연구가 활발히 진행되고 있는 말리, 호주, 오만 등지의 최신 사례들을 기반으로 탐사과정을 비교함으로써, 국내 자연수소 부존 가능지역 평가 및 향후 탐사 설계에 기초자료를 제공하고자 한다.
자연수소 생성의 생성과정
다양한 연구에서 자연수소 생성 사례들을 탐구하고 있으며(Klein et al., 2020; Zgonnik, 2020; Wang et al., 2023; Hutchinson et al., 2024; Jackson et al., 2024), 그중 지질학적 탐사 대상이 되는 자연수소 발생 과정은 세 가지로 요약된다. 첫째는 자연 방사능에 의해 물이 분해되어 수소를 생성하는 방사성분해(Lin et al., 2005; Warr et al., 2019)이며, 둘째는 Fe2+ 함유 광물의 산화 과정에서 물이 분해되어 수소를 생성하는 물-암석 상호작용(Sleep et al., 2004; McCollom et al., 2016), 그리고 세 번째는 유기물이 높은 온도(일반적으로 300~500°C 이상)에서 분해되어 화학 결합이 깨지며 수소(H2), 메탄(CH4), 및 기타 탄화수소 가스가 방출되는 유기물의 열적분해 과정이다(Suzuki et al., 2017; Sánchez-Bastardo et al., 2021).
경제성 있는 수소 자원을 확보하기 위해서는 근원암에서 충분한 양의 수소가 알맞은 속도로 생성되어 시공간적으로 적합한 저류층에 집적되어야 한다. 이론 및 실험연구를 기반으로 수소 생성 속도와 양을 측정함으로써 수소 근원암의 상대적인 수소 생성 능력을 평가할 수 있다. 선캄브리아기 기반암 연구에서 Warr et al.(2019)이 제시한 데이터에 따르면, 표준 온도와 압력(STP) 조건에서, 방사성 분해에 의한 수소 생성 속도는 연간 1 km3의 근원암당 1.9 × 10-9 Bcf로 계산된다. 우라늄(U), 토륨(Th), 칼륨(K)과 같은 방사성 원소는 반감기가 길어 수십억 년 동안 수소 생성에 기여할 수 있다(Lin et al., 2005; Warr et al., 2019).
자연수소의 유일한 생산광구인 타우데니 분지 부라케부구(Bourakebougou) 광구의 수소 생성 과정은 물-암석 상호작용의 일종인 사문암화(Serpentinization)작용이다(Hutchinson et al., 2024). 사문암화작용은 저온 변질 작용으로 마그네슘과 철이 풍부한 초고철질암석이 수화 반응을 거쳐 사문암으로 변하는 과정이다. 사문암화 작용에 의한 수소의 생성은 약 500°C 이하의 온도에서 발생하며 감람암(Peridotite), 킴벌라이트와 같은 초고철질암이 주요 근원암으로 작용한다.
이처럼 Fe2+를 함유한 초고철질 암석은 상부 맨틀과 해양 지각의 주요 구성 성분이며, 판 경계에서 지각 융기과정을 통해 지표 근처에 노출된 오피올라이트는 수소발생과 관련된 중요한 지질학적 환경으로 간주된다(Worman et al., 2016).
사문암화 작용의 수소 생성 잠재력을 평가하기 위해, 다양한 연구 결과를 바탕으로 표준 온도 및 압력(STP) 조건에서 수소 생산 속도를 비교 분석하였다. 먼저 McCollom et al.(2016)의 실험 연구에 따르면, 300°C 및 35 MPa 조건에서 분쇄된 감람암(물/암석 비율 1.6~2.6)을 사용한 사문암화 과정 실험 결과, 수소 생산 속도는 182 Bcfkm-3yr-1로 계산되었다. Klein et al.(2013)의 열역학 모델링 연구에서는 200°C 조건에서 감람암(<80 vol%)의 사문암화 과정에서 생성되는 수소의 총량이 0.9 Bcfkm-3로 평가되었다(최대 400°C/50 MPa, 물/암석 비율 1.0). 이러한 수소 생산량은 탄화수소 근원암의 메탄 생성량과 비교했을 때 매우 높은 수치이다. Kinex 소프트웨어를 사용하여 180°C 조건에서 모델링한 결과, 전형적인 탄화수소 근원암(TOC 5%, 타입 II/III 케로겐)의 메탄 생성 속도는 4.8 × 10-3 Bcfkm-3yr-1에 불과했다(Jackson et al., 2024). 이러한 결과는, 사문암화 작용이 탄화수소 생성 과정에 비해 월등히 많은 양의 수소를 생성할 수 있음을 의미한다. 실험실에서 측정된 수소 생성 속도와 생산량 수치를 실제 자연 환경과 비교하기는 어렵지만, 경제적 수소 생산 가능성을 시사한다. 실제 지질학적 환경에서는 물-암석 상호작용의 효율이 낮아 사문암화 작용에 더 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 비활성 대륙 주변부에서 사문암화 작용에 소요되는 시간은 10만 년에서 100만 년 사이로 추정된다(Skelton et al., 2005).
열적분해는 유기물이 풍부한 케로젠(Kerogen)이 고온 고압하에서 분해(Cracking)되어 탄화수소를 생성하는 열화학적 과정이다. 초기 단계에서는 주로 탄화수소가 생성되지만, 온도가 더욱 증가(300~600°C)하면 케로젠에서 수소 가스가 방출된다(Fig. 1). 600°C 이상의 높은 온도에서는 촉매의 유무와 관계없이 탄화수소가 추가적으로 분해되어 수소와 탄소(흑연)로 전환될 수 있다(Sánchez-Bastardo et al., 2021). 이 생성기작은 유기물이 풍부한 셰일이 존재하고 온도가 높아지면 많은 양의 수소를 생성할 수 있음을 시사한다. 지온 구배(Geothermal gradient)가 높고 마그마 활동이 활발한 열개분지는 유기물의 열적분해에 의한 수소 생성이 활발히 일어날 수 있는 지역이다.
Fig. 1.
Hydrocarbon and hydrogen generation model in the subsurface, Modified from Hanson and Hanson (2024).
수소 시스템
‘수소 시스템’은 석유의 생성, 이동, 보존을 이해하기 위해 사용되는 ‘석유 시스템’과 유사한 개념이다. 석유 시스템은 근원암, 저류암, 덮개암의 지질학적 요소와 생성, 이동, 보존의 과정을 모두 포함하는 자연계 시스템이다(Magoon and Dow, 1994) (Table 1). 그러나 수소 시스템에는 발생 기작과 보존 조건에 대한 두 가지 중요한 차이점이 존재한다(Fig. 2). 수소 시스템의 근원암(또는 모암)은 보통 기반암이며, 수소가 이동하여 저장되는 저류층과 지질학적으로 분리되어 있다. 수소 시스템의 주요 수소 생성 과정인 사문암화 작용에 의한 수소 생성은 지질학적으로 ‘즉각적’ 형성된다고 볼 수 있는 반면 석유생성은 수백만에서 수천만 년 동안 석유시스템의 근원암 내 유기물의 열적 성숙을 통해 이루어진다(Tissot and Welte, 1984; Prinzhofer and Cacas-Stentz, 2023; Hanson and Hanson, 2024). 무기기원의 기반암에서 방출되는 수소는 생물기원의 근원암에서 생성되는 탄화수소보다 장기간에 걸쳐 지속적으로 생성될 수 있으며 더 넓은 온도 범위에서 형성된다.
Table 1.
Comparison between hydrogen system and petroleum system (after Zhao et al., 2023)
Fig. 2.
Differences between petroleum systems and hydrogen systems, highlighting the location of the source relative to the host sediments. Modified from Prinzhofer and Cacas-Stentz (2023).
높은 이동성을 가진 수소는 확산(Diffusion) 및 이류(Advection) 기작을 통해 심부에서 천부 저류층으로 이동할 수 있다(Etiope and Ionescu, 2015). 그러나 수소가 실제로 보존되기 위해서는 수소 생성 속도가 수소 흡수 속도(Rate of uptake)를 초과해야 하며, 층상 규산염, 암염층, 유기물 함량이 높은 퇴적층과 같은 수소를 저장할 수 있는 트랩과 덮개암이 필요하다. 수소 탐사에서 가장 중요한 요소 중 하나는 수소 생성량이며, 이는 지하에 존재하는 수소 자원의 규모와 지속 가능성을 평가하는 데 중요한 지표가 된다(Cathles and Prinzhofer, 2020). 수소시스템은 근원암-생성-이동-저류암-트랩-덮개암에 대한 폭넓은 이해를 필요로 한다(Fig. 3).
지금까지 밝혀진 수소 시스템은 사문암화 작용을 근원암으로 하는 시스템으로 근원암-생성 시스템과 이동-보존 시스템으로 나누어볼 수 있다. 근원암-생성 시스템에서는 근원암과 이를 침투하는 물의 공급이 필요하며, 이 과정에서 수소가 생성된다. 이동-보존 시스템은 생성된 수소의 이동, 트랩 및 가스 형태의 수소가 집적되는 과정을 포함하며, 석유 시스템과 유사하다. 이 두 하위 시스템은 수소의 생성과 보존, 이동의 전 과정을 설명하며, 탐사를 위한 잠재 지질구조를 제공하는 데 사용될 수 있다.
근원암-생성 시스템(Source-Generation system)
근원암-생성 시스템은 수소 시스템 구성의 첫 번째 단계로, 주요 구성 요소는 초고철질 암석(근원암)과 이와 반응하는 물이다. 초고철질 암석에는 주로 감람석과 같은 Fe2+ 함유 광물이 포함되어 있어 물과의 반응 시 환원 작용을 통해 수소가 생성된다. 사문암화 작용은 초고철질 암석(근원암) 내에 포함된 감람석(그리고 휘석)을 물이 산화시키는 변성 작용이다(Sleep et al., 2004; Evans et al., 2013). 이 반응의 핵심은 물이 환원되면서 철(II)이 철(III)으로 산화되어 수소를 생성하는 것이다.
지구화학적 모델링에 따르면 사문암화 작용은 낮은 산소 활성도(activity)와 높은 수소 활성도를 보인다(McCollom et al., 2016; Lazar, 2020). 사문암화 작용에 의한 수소 생성 속도 및 양을 제어하는 주요 요소는 온도, 압력, 물-암석 질량비이다(McCollom et al., 2022; Hutchinson et al., 2024). 사문암화는 광범위한 온도 범위에서 일어날 수 있지만, 수소 생성에 최적인 온도 범위는 200~300°C 이다(Berndt et al., 1996; Klein et al., 2013; McCollom et al., 2022). 압력에 따른 실험결과, 낮은 압력(≤500 bar)조건에서 온도를 달리 했을 때 320~350°C 이상에서는 감람석이 안정한 상태로 남아 사문암화 작용이 저하되었고(McCollom and Bach, 2009; Malvoisin et al., 2012; McCollom et al., 2016), 200°C 이하에서는 반응 속도가 매우 느렸다. 높은 압력(3~20 kbar)의 최적의 온도구간에서 사문암화 속도는 4배까지 증가하였다(Huang et al., 2020).
물-암석 질량비에 대해서는 여전히 많은 연구가 진행중이지만 물의 공급여부가 사문암화 작용속도에 결정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다(Frost and Beard, 2007). 자연적인 사문암화 작용에 필요한 물은 해수, 지하수(지표기원), 또는 섭입대에서 방출되는 유체 등을 통해 공급된다. 물은 금속 화합물의 이동성을 증가시키고 화학 반응을 촉진시킨다. 물속에 알루미늄이나 니켈이 포함된 경우 사문암화 반응의 속도를 증가시킨다. 알루미늄은 340°C, 2 kbar에서 감람석의 사문암화 작용 속도를 증가시켰고(Andreani et al., 2013), 니켈이 포함되어 있다면 저온(<100°C)에서도 사문암화 반응 속도가 증가하였다(Song et al., 2021).
물의 공급과 근원암으로의 이동을 조절하는 유동 시스템의 특성은 지구조 환경에 따라 달라진다. 물 공급 속도와 근원암에 대한 접근성, 즉 유동 시스템의 효율성은 근원암에서 생성된 수소가 최종적으로 저장되는 지층을 결정하는 중요한 요소이며, 이는 ‘강한 유동’과 ‘약한 유동’으로 구분될 수 있다. 또한, 수소 생성 시기는 수소가 이동되고 보존되는 과정에 영향을 미친다. 말리의 자연수소 생산지역인 부라케부구 사례에서처럼(Prinzhofer et al., 2018; Maiga et al., 2023, 2024), 사문암화 작용이 최근 수천 년 이내에 시작된 경우, 수소가 지속적으로 공급될 가능성이 있다.
생성과 방출(Generation and Expulsion)
자연수소는 저류암내 자유기체 상태로 존재하거나, 점토광물에 흡착, 또는 용해된 상태로 보존될 수 있다(Fig. 3) 고온 사문암화 작용이 발생하는 깊이와 수소의 용해도를 고려할 때, 근원암에서 방출하는 수소는 주로 수용액 상태일 가능성이 크다. Lazar(2020)에 의하면, 수소 활동성이 높은 온도에서는 용해도를 초과하지 않지만, 약 250°C 이하의 온도에서는 기체 상태의 수소가 생성될 것으로 예상된다. 따라서 사문암화 작용이 일어나는 온도 및 깊이에 따라 지하에서 기체 상태의 수소(T< 250°C)나 수용액 내 용해된 상태로 수소가 생성될 수 있다. 실험결과 압력이 2 kbar에서 온도가 250°C 이하로 떨어지면 용리(exsolution)가 진행되었다(Lazar, 2020). 이 반응에 대한 압력의 영향은 명확히 확인되지 않았지만, 사문암화 작용에 의한 수소 활동도는 압력이 증가함에 따라 상대적으로 느리게 감소함을 보여준다. 이는 심부에서 수소가 기체 상태로 존재하기 위해서는 더 낮은 온도가 필요함을 의미한다.
Fig. 3.
Hydrogen systems depicting hydrogen generation, migration and trapping mechanisms. Modified from McMahon et al. (2023).
수소 활동도는 사문암화 작용의 수소 생성 속도에도 영향을 준다. 높은 수소 활동도는 지하에서 수소가 용액 상태로 더 많이 존재함을 의미하며, 사문암화 작용에 소비되는 물의 양을 줄여주고, 생성된 수소가 반응 지역으로부터 이동할 수 있게 해준다. 또한, 근원암 내 또는 같은 깊이에서 기체 상태의 수소 생산 가능성을 높여준다.
근원암에서 수소가 배출되는 과정은 상(Phase)에 관계없이 반응 유도 균열(Reaction induced fracture)에 의해 촉진될 수 있다(Zhang et al., 2019; Renard, 2021). 사문암화 작용의 초기 단계에서는 부피가 증가하며, 이는 그물망 형태의 균열 네트워크 발달로 이어진다(Cannat et al., 2019). 또한, 사문암화 작용 이후에도 균열이 발생할 수 있다(Rouméjon et al., 2015). 수소 방출은 단층과 관련된 구조적 균열에 의해서도 촉진될 수 있으며, 이러한 단층-균열대의 형성은 종종 물이 근원암에 유입되는 통로 역할을 한다. 일부 수소는 분지와 기반암을 연결하는 투수성 단층대 내에서 용존 상태로 존재하다 대류를 통해 방출될 수도 있다(Yang, 2006).
이동-보존 시스템(Migration-Preservation system)
수소의 이동(Migration)
퇴적층 내 수소가 트랩되는 과정은 ‘이류 이동(Advective link)’을 통해 이루어지며, 이는 메탄과 동일한 기작으로 다공성 매질을 통해 수소가 이동하고 보존되는 과정을 의미한다. 수소의 이동 과정은 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 기체상태에서의 이류 이동과 용액 상태의 이류 이동은 압력(부력)에 의해 구동되며, 다르시 법칙(Darcy’s law)으로 설명된다. 또 다른 이동 과정은 용액 내 확산으로 농도 구배에 의해 분자 수준에서 이동하며, 피크 법칙(Fick’s laws of diffusion) 으로 설명된다. 용액 내에서 이류 이동 또는 확산하는 수소는 저온, 저압(천부) 조건에서 용해도가 최대에 도달하면 용리되어 기체 상태로 전환된다. 세 가지 이동 기작 중 부력에 의한 기체 상태의 이류 이동이 가장 효율적인 이동 기작이며, 메탄보다 이동성이 약 두 배 정도 더 높다(Lodhia and Clark, 2022). 이러한 기체 상태 이동은 수소 시스템에서 매우 중요한 기작이다. 용액 상태로 이동한 후 얕은 깊이에서 용리되는 과정(Bourakebougou에서 발생했을 가능성이 있는 현상; Maiga et al., 2023)은 저류층 내 압력 감소와 낮은 수소 용해도를 유발하여 수소 저장 규모를 제한할 수 있다.
투수율이 낮은 암석 내에서 수소 가스의 이동은, 메탄과 유사하며 모세관 압력이 부력을 넘어설 때 주로 발생한다. 수소는 부력이 높음에도 불구하고, 메탄 덮개암 또는 대수층 아래에서 모세관 압력에 의해 메탄과 비슷한 높이를 유지할 수 있다(Hutchinson et al., 2024). 유효 공극이 줄어들며 수소 가스의 이동이 멈추면, 용해된 수소의 분자 확산이 주요 이동 기작으로 작용한다. 순수한 물에서 수소의 확산 계수는 메탄(25°C) 보다 약 2.8배 더 크게 나타나 수소의 확산성이 매우 높다는 것을 알 수 있다(Muhammed et al., 2022). 확산에 의한 이동량은 용해된 가스의 농도 구배에 따라 달라진다. 수소의 이동 및 저장 과정에서 탄화수소에 의한 희석을 최소화되려면, 퇴적층이 탄화수소로 포화되지 않았거나 석유 생성 단계에 도달하지 않은 미성숙 상태일수록 유리하다.
트랩 및 덮개암(Trapping/Sealing)
지질학적 트랩의 형성은 자연수소의 포획과 저장에 매우 중요한 역할을 한다. 유체나 가스가 이동할 수 있는 단층-균열대에 의해 형성된 구조 트랩, 투수성 지층을 덮고 있는 불투수성 지층으로 이루어진 층서 트랩은 자연수소의 이동 및 분포에 필요한 수소 시스템 구성 요소이다(Lefeuvre et al., 2021). 트랩은 수소를 받아들이는 것과 밖으로 유출 되는 것을 막아주는 두 가지 역할을 한다(Fig. 3).
수소의 용해도는 메탄에 비해 상대적으로 낮으며, 지표 조건에서 메탄의 용해도는 수소보다 약 14배 더 높다(Kaye and Laby, 1986). 수소의 낮은 용해도는 확산 손실을 줄이는 요인이 되지만, 높은 확산 계수로 인해 그 효과가 상쇄될 수 있다. 그러나 두꺼운 지층이나 투수율이 낮은 덮개암이 존재할 경우, 정적(밀폐된) 시스템 내 상업적 규모의 수소 저장 가능성과 동적(개방된) 시스템 내 수소 유입 속도를 고려했을 때, 확산으로 인한 수소 유출 가능성은 매우 낮다(Monge and Vayssaire, 2022). 다만, 수소 가스 저장 과정에서 부력이 덮개암의 압력을 초과하면 덮개암의 밀봉 기능이 상실되어 수소 저장 시스템이 제대로 작동하지 않을 수 있다(Hutchinson et al., 2024).
지구조적 환경 및 탐사 모델
자연수소 생성은 온도 200~300°C에서 특히 활발하게 일어나며, 이러한 환경은 대륙판 내부, 대륙판 경계부, 판이 수렴하거나 확장이 일어나는 곳에서 나타날 수 있다. 수소 생성이 가능한 지구조적 환경은 수소의 생성 및 보존과정을 포함한다. 활발한 수소의 생성은 선캠브리아기 결정질 기반암, 중앙 해령 및 오피올라이트에서 관찰되며, 초고철질 암석의 사문암화 작용이 일어나는 모든 곳에서 발생할 수 있다(Fig. 4). 자연수소는 탄화수소 자원과 마찬가지로 특정 지질학적 조건에 저장되어 있을 가능성이 높으며 이 논문에서는 지구조와 연관된 몇가지 탐사 모델을 분석하였다.
판 경계부(Plate margin)
중앙해령에서 발생하는 사문암화 작용은 지구 암석권내 수소 및 메탄가스의 주요 공급원 중 하나이다(Cannat et al., 2010; Etiope and Whiticar, 2016). 맨틀이 해수에 직접 노출되는 중앙해령 축, 변환 단층 교차점, 해수가 단층대를 따라 심부로 침투할 수 있는 곳에서 사문암화 작용이 활발하다(Worman et al., 2016)(Fig. 4A). 단층 활동으로 형성된 균열대는 해수 침투를 용이하게 하여 사문암화 작용을 일으킨다(Rüpke and Hasenclever, 2017). 확장된 판의 경계에서는 노출된 맨틀에서 사문암화 작용이 일어날 수 있다. 이베리아 반도의 경계부(ODP 탐사, Leg 103 Site 637)의 경우, 맨틀이 대륙-해양 전이대의 천부에 위치하고 단층-균열대로 해수가 침투하여 사문암화 작용이 발생하였다(Albers et al., 2021). 중앙 아메리카의 태평양 경계에서 ODP 시추(예: Leg 84, Sites 566C, 567, 570)결과 해구 경사면을 따라 사문암화 작용이 관찰되었다. 근원암은 해양 오피올라이트(예: Nicoya Complex)와 코스타리카 육상에 노출된 상부 맨틀로 보여지며, 물의 공급은 판의 섭입과정과 함수 광물의 변성상전이를 통해 이루어졌다(Vitale Brovarone et al., 2020).
판 경계부의 주요 자연수소 탐사 지질구조로는 코디예라(Cordilleran) 오피올라이트와 테티스(Tethyan) 오피올라이트가 있다. 코디예라 오피올라이트는 섭입대 주변에서 해양지각이 대륙 가장자리에 부착되는 섭입(Subduction) 환경에서 형성되었고, 변형된 혼성 구조와 혼합 마그마 작용의 흔적을 보인다(Beccaluva et al., 2004). 반면, 테티스오피올라이트는 압등(Obduction) 작용에 의해 해양지각이 대륙판 위로 올라오며, 비활성 대륙 주변부에 오피올라이트가 형성되며, 화산암, 변성암, 맨틀 암석의 층서가 완전하게 보존되어 있다.
코디예라형 전호분지 탐사모델
이 모델은 니카라구아(Nicaragua) 해안의 산디노(Sandino) 전호분지를 대상으로 한다. 초고철질 암석이 섭입과 관련된 탈수 유체(Dehydration fluids)의 상호작용에 의해 수소를 생성하는 수소 시스템이다. 섭입대 기반암은 밀도가 높은 해양 지각 암석과 쐐기 형태의 상부맨틀이다(Sallarès et al., 2013; Walther et al., 2000). 해구 경사면을 따라 진행된 ODP 시추를 통해 ‘근원암-생성 시스템’이 전호 분지 아래 감람암의 사문암화 작용이라는 것이 밝혀졌다(Baltuck et al., 1985). 전호분지의 탐사는 석유 시스템의 탐사과정을 따라 진행할 수 있으나, 탄화수소 가스 희석에 의한 생산량의 감소 가능성도 고려해야 한다.
테티스형 오피올라이트 탐사 모델
오만 산맥과 뉴칼레도니아 지역에서는 오피올라이트가 지표에 노출되거나 천부에 위치하여, 대기의 물에 의한 사문암화 작용이 활발하게 진행되고 있다(Mayhew et al., 2013; Ulrich et al., 2020; Ellison et al., 2021). 초기 고온의 사문암화 작용은 해양 확장과 그 후의 섭입/충상 단층 생성 과정 중에 일어났을 것으로 보인다.
오만과 아랍에미레이트 산 노두의 상당 부분을 차지하고 있는 세마일 오피올라이트(Semail Ophiolite)는 백악기 후기에 형성되었으며, 수소 가스는 자유기체 또는 온천수로 방출되는 형태로 표면에 광범위하게 누출되고 있다(Mayhewe et al., 2013; Leong et al., 2023). 수소의 발생은 지하수의 작용에 의한 저온 사문암화 작용에 의한 것으로 알려져 있다(Ellison et al., 2021). 그러나 고온 사문암화(>150°C )작용에 의한 수소 발생 가능성도 배제할 수 없다.
최근 아랍에미레이드 북부, 오만-RAK(Ras Al Khaimah) 산맥의 RAK South Concession의 탐사 프로그램에서 두 가지 자연수소 탐사 지질구조를 확인하였다(Firpo et al., 2024). 첫번째는 오피올라이트 내부 부존으로 오피올라이트 내 하트버자이트(Harzburgite)의 사문암화 작용으로 형성된 수소가 전단대를 따라 존재하는 것이고 두번째는 오피올라이트 하부 부존 유형으로 하이비(Haybi), 하와시나(Hawasina) 복합체의 파쇄된 탄산염암, 처트, 셰일내에 수소가 축적되는 형태이다.
판 내부-대륙(Intra plate-continental)
대륙내 열개 과정에 의해 지하 암석권과 맨틀은 지표 가까이에 놓이게 된다(Fig. 4B). 열개 과정은 일반적으로 대륙의 분지형성 초기 과정에서 발생하며, 활발한 화산 활동을 동반한다(예: 동아프리카 열곡대). 열개 과정으로 형성된 단층은 대기의 물을 맨틀 암석으로 이동시키는 통로가 되며, 열개 분지를 채우고 있는 퇴적물은 수소가 보존될 수 있는 좋은 저장 공간이 된다.
Fig. 4.
Geotectonic settings for hydrogen production illustrating environments where serpentinization and hydrogen generation occurrences. (a) Plate margin settings including divergent and convergent margins(ophiolites); (b) Intra plate-continental settings including rift basin and rift-inversion orogenic belts. (M: Mantle, C: Crust, pink circle: serpentinization, blue arrow: water supply). After Jackson et al. (2024).
열개 과정으로 역전된 조산대는 열개 과정이 더욱 진화된 경우로 충돌형 조산운동에 의해 노출된 맨틀이 조산대로 부가된 경우를 말한다(Wilson et al., 2019; Vasey, et al., 2024). 피레네 산맥은 이러한 유형의 전형적인 사례로 대기의 물이 지표 또는 천부의 러졸라이트(Lherzolites)에 들어갈 수 있는 환경을 제공한다(Lefeuvre et al., 2021). 생성된 수소는 조산대 양쪽의 충상 단층을 통해 이동해 융기대 전면 분지 퇴적체에 집적되어 있다.
‘테티스형’ 또는 ‘코디예라형’ 오피올라이트 외의 부가 오피올라이트의 형성은 대륙-대륙 또는 화산호-대륙 충돌에 의해 형성된다(Fig. 4B). 대표적으로 모로코 안티아틀라스 지역에 위치한 부아제르(Bou Azzer) 오피올라이트가 있으며, 이는 서아프리카 강괴 북쪽 경계에 위치한다(Bousquet et al., 2008). 산맥 지역에서 내리는 강우는 융기된 오피올라이트에 침투되고, 생성된 수소는 조산 전후 분지(Syn or Post-orogenic basin) 퇴적물에 집적된다. 그린스톤(Greenstones) 벨트는 화강암-녹색암 지형의 거대 규모 구성 요소로, 주로 시생대 및 고원생대 강괴로 구성된다(Anhaeusser, 2014). 모든 대륙의 강괴에서 발견되며, 종종 최근에 형성된 분지의 기반암을 이루기도 한다. 그린스톤 벨트는 현생 오피올라이트의 해양 맨틀-지각 시퀀스와 유사하며(Furnes et al., 2015), 여기에는 감람암, 두나이트 그리고 감람석이 풍부한 코마타이트(Komatite)로 구성되어 있다. 사문암화 작용의 초기 단계는 녹색암의 형성과 변형 과정 중에 발생했을 가능성이 높지만, 그린스톤 벨트에는 잔존 감람석이 충분히 포함되어 있어, 재활성화된 단층을 따라 대기 기원 물의 침투되며 후기 사문암화 작용이 진행되었을 가능성도 있다. 판 내부-대륙에서 탐사가능한 자연수소 잠재 지질구조는 녹색암 강괴 탐사 모델과 열개과정으로 역전된 조산대가 있다.
녹색암 강괴 탐사 모델
이 모델의 수소는 선캠브리아기 녹색암(녹니석(chlorite), 각섬석(actinolite), 백운모(muscovite), 석영(quartz), 각섬석(amphibole), 장석(feldstar)등으로 구성)의 사문암화 작용에 의해 생성된다(Hutchinson et al., 2024). 물의 공급은 기반암과 지구(Graben)를 채우고 있는 퇴적암에 형성된 단층대를 따라 이루어진다. 이 모델은 말리 남부의 부라케부구 생산정에서 확인된 지질구조로, 타우데니분지 기반암인 비리미언(Birimian) 녹색암의 사문암화 작용을 기반으로 한 근원암-생성시스템이다(Hutchinson et al., 2024). 기반암을 통과하는 단층의 재활성화로 지하수가 공급되며 지속적인 수소가 생성되고 있다. 그린스톤 벨트는 지도에서 눈에 띄는 노두 특성을 가지고 있기도 하지만, 기반암 식별의 핵심은 지구화학/ 지구물리 탐사를 통해 감람석이 풍부한 암석을 찾아내는데 있다. 고철질-초고철질 암석으로 구성된 녹색암은 중력탐사에 의해 부존가능성을 탐지할수도 있지만, 밀도가 낮은 암석으로 이상값이 낮게 나타나고 화성암은 사문암화 작용에 의해 변질되어 탐사 값의 정확도가 높지 않다(Ranganai, 2012). 고온 사문암화 작용에 의해 형성되는 자철석은 자력 탐사를 가능하게 하여, 광역 중·자력 탐사가 함께 실시될 필요가 있다.
열개 역전 조산대(Rift inversion orogens) 모델
발칸 반도와 피레네 산맥에서 지속적인 수소 생성 징후가 발견되며 열개 역전 조산대의 수소 생성 기작이 연구되었다(Etiope and Whiticar, 2016). 사문암화 작용과 관련된 수소의 생성은 주로 열개분지 경계부와 해령에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 열개 역전 조산대는 열개과정이 일어나는 환경에 비해 온도가 낮아 사문암화 작용에 의한 자연수소 생성에 유리한 환경을 제공한다(Fig. 5). 모델링 결과 역전과정에서 생성된 맨틀 쐐기의 자연수소 생성량은 열개과정이 일어나는 기간 동안 생성된 양보다 20배 더 많을 수 있는 것으로 분석되었다(Zwaan et al., 2025).
Fig. 5.
Conceptual model illustrating a natural hydrogen (H2) system associated with serpentinization of exhumed mantle within the overriding plate of rift-inversion orogenic belts. Modified from Zwaan et al. (2025).
그외 해양판 내부의 경우도 주요한 탐사 지역으로 고려될 수 있다. 변형된 해양 지각의 경우 해양 지각의 단층 및 균열대가 변형에 의해 재활성화되면서 해수가 하부 지각 또는 맨틀로 침투하며 사문암화 작용이 발생한다. 중앙 인도양의 경우 낮은 속도 영역, 지각 다이아피어(Crust diapirs), 증가하는 지열류량(Elevated heat-flow) 등이 사문암화 작용에 대한 증거를 보여준다(Delescluse and Chamot-Rooke, 2008).
자연수소 탐사 방법
자연수소 탐사의 주요 이점 중 하나는 석유 탐사에 사용되는 방법과 기술, 그리고 이에 적합한 기술을 가진 대규모 인력이 존재한다는 점이다. 석유 탐사의 노하우를 활용할 수 있으며, 그 방법론 즉, 근원암, 저류암, 덮개암, 트랩, 이동 경로를 연구해온 방식을 유사하게 적용할 수 있다. 그러나 자연수소는 탄화수소 자원탐사와는 다른 수소 생성 조건이 필요하며, 수리지질학 모델링이 필요하다는 점에서 차이가 있다. 대부분의 수소 탐사 유망 지역이 육상에 위치하고 탐사 심도가 얕은 편으로, 자연수소 탐사는 저비용 광역 연구로 시작해 점차 비용이 증가하는 지구물리학적 자료 수집 단계로 진행되어야 한다. 자연수소 기원과 생성 기작을 파악하기 위한 지구화학적 탐사, 그리고 수소의 이동 및 저장과 관련된 구조적 특징을 분석하는 지구물리탐사를 시행할 수 있다.
원격탐사(Remote sensing)
자연수소가 원뿔형 전단대를 따라 지표로 유출될 경우, 지표면에 원형에서 아원형 또는 타원형의 얕은 함몰 지형을 형성할 수 있으며, 이를 페어리 써클(Fairy circles) 이라 한다. 이러한 지형적 특징은 전 세계적으로 보고되었다(Prinzhofer et al., 2019; Frery et al., 2021; Moretti and Webber, 2021). 러시아의 유럽 크라톤 지역에 위치한 지름 1 km의 페어리 써클에서는 하루 21,000~27,000 m3의 수소가 방출되는 것으로 보고되었다(Larin et al., 2015). 페어리 서클은 독특한 기하학적 형태와 비정형적인 식생 패턴을 보이기 때문에 원격 탐사 조사에서 탐색 대상이 될 수 있으나 보다 정확한 분석을 위해 연구자들은 광학 및 다중 분광(Multi-spectral) 위성 영상을 활용하여 페어리 써클이 자연 수소의 지표 유출 가능성을 나타내는 지표로 활용될 수 있는지 평가하고 있다(Frery et al., 2021).
지구화학적 탐사
자연수소의 방출 규모와 지리적 분포를 파악하는 것은 잠재적인 수소 발생원을 식별하고, 수소 이동 경로를 이해하며, 수소의 축적 가능 깊이 및 위치를 예측하는 데 도움을 준다. 이를 위해 토양 가스 모니터링과 방사능 탐사를 실시 할 수 있다. 토양 가스 모니터링은 이동식 가스 센서를 활용하여 페어리 써클과 같은 수소 누출 가능성이 높은 지역에 센서를 배치한다. 센서는 토양에 삽입된 복합 파이프에 연결하며 메탄, 이산화탄소등의 가스농도의 시공간적 변화를 추적하도록 설계된다. 이러한 모니터링 시스템은 위성 또는 이동통신 시스템을 통해 원격으로 데이터를 수집할 수 있다.
방사능 탐사는 물의 방사선 분해를 통한 수소 발생 가능성을 평가하는 방법이다(Boreham et al., 2021; Lévy et al., 2023). 이 방법은 우라늄(U), 칼륨(K), 토륨(Th) 이온의 방사능 농도를 측정하고 해당 지역의 통계적 분포를 계산하는 방식으로 진행된다. 이를 통해 잠재적인 수소 생성량을 정량적으로 평가할 수 있다. 호주 지질조사국은 방사능 탐사 기술을 활용하여 지표에서 심도 50 cm까지의 칼륨, 토륨, 우라늄 농도를 측정하였다. 이를 시추 및 지표 모니터링에서 관찰된 수소 이상 자료와 통합하여, 호주 육상의 수소 생산 잠재력을 지도화하였다(Boreham et al., 2021).
지구 물리 탐사
석유 및 가스의 탐사와 마찬가지로 지구물리 탐사는 지질 구조를 지도화하고, 수소의 이동경로와 저류층을 규명하는 데 사용될 수 있다. 자연수소 탐사를 위해서는 중력탐사, 자력탐사, 자기지전류(Magnetotelluric, MT) 탐사, 탄성파탐사등이 사용될 수 있다. 중력탐사는 초고철질암이나 사문암에 포함된 고밀도 광물로 인해 발생하는 이상값을 탐지한다. 자기 탐사는 다량의 사문암이나 자철석으로 인해 발생하는 자기 이상값을 탐지할 수 있다. 자기지전류탐사는 지각내 비정상적인 전도도(Conductivity)를 탐지하여 심부 기원의 수소가 풍부한 유체가 이동할 수 있는 열수 흐름 통로(Hydrothermal flow conduits)를 식별하는 데 활용할 수 있다. 탄성파 탐사는 분해능이 좋은 지구 물리 탐사 기법으로 지하구조, 단층, 저류층, 덮개암을 지도화하는데 사용된다. 호주 북부 사우스 니콜슨 분지(South Nicholson Basin)의 자연수소 탐사를 위해 종합적인 다중 지구물리 탐사가 수행되었다(Boreham et al., 2021). 중력 및 자기 이상선과 심부 탄성파 반사법 자료를 통합하여 기반암 및 분지 형성에 기여한 주요 단층 지질도를 제작하였다(Rollet et al., 2020). 자기지전류 자료는 하부지각에서 상부 지각까지의 이상 전기 전도 구조(Anomalous conductivity structures)를 보여준다(Duan et al., 2020; Jiang et al., 2020). 3D 중력 자료 및 자기 역산을 이용하여 자철석 및 적철석 변질 지시자가 상관관계를 보이는 것을 확인할 수 있었다(Goodwin and Skirrow, 2019). 이는 석유시스템 분석과정을 수소시스템에 적용해 성공한 대표적인 사례로 볼 수 있다.
지금까지 자연수소 탐사는 지표에서의 누출이나 주로 과거 수십 년 동안 전통적인 석유 및 가스 시추 과정에서 우연히 발견된 수소가 풍부한 천연가스가 존재하는 지역에 집중되고 있다(Prinzhofer et al., 2018; Zgonnik, 2020). 성공적인 자연수소 탐사를 위해서는 지구화학적 자료 분석, 지질구조 분석뿐만 아니라 시추공 물리 검층 자료정보까지 종합적으로 분석해야 한다. 석유시스템과 마찬가지로 수소 시스템을 정확히 특성화하고 자연수소 개발을 위한 유망한 구조를 찾는 것이 수소 자원탐사 가능성을 평가하는 데 중요한 기반이 될 것이다. 현재, 호주, 브라질, 콜롬비아, 미국, 러시아, 남아프리카, 그리고 유럽 및 아시아 여러 국가에서 활발한 탐사 및 연구가 진행중이다(Stalker et al., 2022; Blay-Roger et al., 2024). 국내에서는 홍성 일원, 안동, 울산, 가평 등이 초고철질암이 지표로 노출된 대표 산출지역으로 연구가 진행되고 있으며, 부존 가능성 평가를 위한 노력을 기울이고 있다(Chae et al., 2024). 상업적 규모의 수소 자원 탐사를 위해서는 지구조적 발달 과정과 연계한 초고철질 기반암층에 대한 조사, 주요 단층대, 저류층을 규명하기 위한 다양한 물리탐사의 통합적 적용이 필요하다.
결 론
다양한 수소 발생 기작 중 상업적인 규모의 수소가 생산될 수 있는 과정은 자연 방사능에 의해 물이 분해되는 방사성 분해, Fe2+ 함유 광물의 산화과정에서 물이 환원되어 수소를 생성하는 물-암석 상호작용, 그리고 유기물의 열적분해에 의해 발생하는 수소 생성 과정이며 현재 생산이 진행중인 말리의 경우는 물-암석 상호작용에 의한 사문암화 작용에 의해 자연수소가 생산되고 있다(Hutchinson et al., 2024). 수소 시스템은 초고철질 기반암과 물의 공급으로 수소를 생성하는 근원암-생성 시스템과, 생성된 수소의 이동, 트랩 및 집적되는 과정을 포함하는 이동-보존 시스템으로 나누어볼 수 있다. 이들 시스템은 수소의 생성과 보존, 이동의 전 과정을 설명하며, 탐사를 위한 잠재 지질구조를 제공하는 데 사용될 수 있다.
자연수소 탐사가 유망한 지구조적 환경은 초고철질 암석이 지표 부근까지 상승하거나 보존될 수 있는 지구조 운동과 밀접한 관련이 있다. 판 경계부의 섭입과 압등에 의해 오피올라이트가 부가된 코디예라형 오피올라이트, 테티스형 오피올라이트, 대륙-대륙, 대륙-화산호 충돌로 부가된 오피올라이트는 물과의 상호작용에 의한 사문암화 작용이 활발하다. 시생대와 원생대 강괴의 화강암과 편마암체 사이에서 발견되는 그린스톤 벨트, 열개 분지, 열개-역전 조산대는 이러한 초고철질 암석의 노출과 수소 발생 잠재성을 갖춘 대표적인 탐사 모델로 제시되고 있다.
자연수소 탐사의 효율성을 높이기 위해서는 지표에서부터 심부에 이르기까지 다양한 탐사 기법을 통합적으로 적용할 필요가 있다. 자연수소의 지표 징후를 식별하기 위한 원격탐사 기법, 지표 가스 방출 규모와 지리적 분포를 정량화하기 위한 토양 가스 모니터링, 그리고 방사능 탐사와 같은 지구화학적 탐사도 필요하다. 또한, 수소 저류층을 파악하고, 주요 지질 구조 및 단층대를 규명하기 위해서는 중력, 자력, 자기지전류, 탄성파 탐사와 같은 지구물리학적 탐사를 통한 근원암, 저류암층의 지도화와 저류암의 물리적 특성, 잔류수(connate water), 수소 포화도, 압력 및 온도 조건 등 암석물리학적 변수를 종합적으로 고려한 수리지질학적 모델링이 포함되어야 한다.
