Petroleum Geology of the United Arab Emirates

Jaehong Ko

doi:10.12972/ksmer.2015.52.6.632

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Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers. 31 December 2015. 632-671
https://doi.org/10.12972/ksmer.2015.52.6.632

Petroleum Geology of the United Arab Emirates

아랍에미리트의 석유지질

Jaehong Ko¹

고 재홍¹

¹Petroleum and Marine Research Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources

¹한국지질자원연구원 석유해저연구본부

^{*교신저자.}^{*Corresponding Author.}

License:

ABSTRACT

Petroleum geology of the UAE that is becoming our close strategic partnership country has been comprehensively reviewed. Its proven oil and gas reserves are 97.8 Bbbl and 215 Tcf, respectively. It produces 3.471 Mbbl/day, which is ranked 6th in the world. Since the Permian the UAE was in low latitude by the Equator, and became the depositional site of carbonate that consists excellent reservoirs. Especially Cretaceous Thamama Group that includes rudist buildup complexes is the most petroliferous, and constitutes several off- and onshore giant oil fields such as Zakum, Umm Shaif, Bu Hasa, Asab, Bab and Sahil. Oil was generated from argillaceous lime mudstones rich in organic matter deposited in anoxic intrashelf basins including Diyab, Bab, and Shilaif. Hith evaporite, and shales and fine-grained carbonate rocks of the Nahr Umr, Laffan, Fiqa, and Umm Er Radhuma formations act as seals for vertical migration and influence on distribution of oil and gas accumulations. Anticlinal traps were developed involving basement movement or salt tectonics.

Keywords

United Arab Emirates

Petroleum geology

Carbonate

Reservoir

우리나라와 전략적 동반자 관계로 발전하고 있는 아랍에미리트의 석유지질을 고찰하였다. 아랍에미리트는 석유와 천연가스의 확인매장량이 각각 97.8 Bbbl, 215 Tcf이고, 석유 생산량은 3.471 Mbbl/일로 세계 6위이다. 아랍에미리트는 페름기 이후 저위도 지역에 위치하여 탄산염암이 꾸준히 퇴적되면서, 페름기～백악기의 거의 모든 층준이 저류층을 포함하고 있다. 특히 백악기 Thamama 층군은 루디스트 군집 복합체가 해상의 Zakum, Umm Shaif 등을 비롯하여, 육상의 Bu Hasa, Asab, Bab, Sahil 등의 거대 유전에서 양질의 저류층을 형성하고, 아랍에미리트에서 가장 많은 석유를 부존하고 있다. 근원암은 대륙붕 상에 빈번하게 발달했던 소분지(Diyab, Bab, Shilaif)의 무산소 환경에서 퇴적된 이회암들이 담당한다. 덮개암은 쥐라기 Hith 증발암층과 Nahr Umr, Laffan, Fiqa, Umm Er Radhuma 층 등의 셰일이 담당하여, 석유의 수직적 이동 및 분포를 좌우한다. 트랩은 기반암 또는 암염 유동을 수반한 배사 구조가 형성한다.

키워드

아랍에미리트

석유지질

탄산염암

저류층

MAIN

서 론
국가 정보, 지리 및 지형
탐사 연혁
지체 구조
아랍에미리트의 지질 구조 및 층서
석유지질
근원암
저류암
덮개암
트랩
결 론

서 론

아랍에미리트는 석유와 천연가스의 확인매장량이 97.8 Bbbl (billion barrels), 215 Tcf (trillion cubic feet)로 각각이 세계 7위의 자원 대국이다(U.S. EIA, 2013). 우리나라와는 2009년 말 원전 수주를 계기로 매우 긴밀한 관계로 발전한 ‘전략적 동반자’로, 우리 기술로 개발된 원자로가 해외에서는 처음으로 건설되고, 특전사 부대가 파병되어 현지 특수전 부대의 교육 훈련을 지원하고 있으며, 서울대병원이 아부다비의 왕립 병원(쉐이크칼리파 전문병원)을 위탁받아 운영하고 있다.

아랍에미리트는 중동 지역에서 가장 개방적이고, 정치적으로 안정된 나라로, 자유로운 시장 경제와 양질의 인프라를 바탕으로 금융, 무역, 교통, 관광의 중심 역할을 하고 있다. 또한 아랍에미리트는 자산 7,000 억불 이상의 막대한 국부 펀드를 운영하고 있으며, 석유 시대 이후를 대비하여 제철, 알루미늄 제련, 시스템 반도체 생산, 항공기 제작, 신재생 에너지 등 신산업 육성을 본격적으로 추진하고 있다. 우리와 아랍에미리트가 서로의 강점을 활용하여 협력하면 양국에게 경제 발전의 획기적인 기회가 될 수 있으며, 특히 우리에게 제2의 중동 붐으로 이어질 수 있는 단초가 될 수 있다.

아랍에미리트의 석유 개발은 다른 중동 국가들과 마찬가지로 지금까지 BP, Total, Shell, ExxonMobile 등 서구의 대형 석유회사들이 주도해 왔는데, 2011년 ‘석유가스 분야 협력개발 MOU’와 ‘3개 유전 주요 조건 계약서(HOT, Heads of Terms)’가 체결되면서, 석유공사가 기존 조광권(concession)이 만료되는 10억 배럴 이상의 생산 유전과 3개 미개발 광구의 유전 개발에 참여할 수 있게 되었다(Cheong Wa Dae, 2011). 2013년 석유공사는 아부다비국영석유회사(ADNOC)와 함께 Area 1 광구의 Haliba 구조의 3D 탄성파 탐사와 평가정 시추에 착수하여, 2014년 1억 배럴 이상의 발견잠재자원량을 확인하고 생산 준비 중이며, Area 2, 3 광구에서도 평가 시추를 위한 탐사 및 분석을 수행하고 있다(KNOC, 2014, 2015). 최근 GS에너지가 아부다비 육상 생산광구(일일 생산량 160만 배럴)의 조광권 입찰에 참여하여 지분 3% 획득에 성공함으로써 앞으로 40년 동안 5만 배럴/일 이상을 안정적으로 자급할 수 있는 기틀을 마련하였다.

본 논문은 중동의 지체구조 및 순차층서를 개관하고, 아랍에미리트의 분지 형성 및 발달, 층서, 퇴적상, 암상 및 물성, 유기물 특성 및 분포, 속성 등을 전반적이고 종합적으로 고찰하였다. 중동이 전 세계 석유 매장량의 57%가 집중 부존하는 핵심 유전 지역 임에도 불구하고, 석유 탐사･개발 분야에서 후진 주자인 우리에게는 진출 기회가 없어 중동 지역에 대한 연구는 지금까지 부진하였다. 본 논문이 관련 기업, 연구소 및 학계의 중동 지역에 대한 관심을 불러일으키고, 실무자들에게는 아랍에미리트를 비롯한 중동의 석유지질에 대한 입문 자료로 활용되기를 희망한다.

>국가 정보, 지리 및 지형

아랍에미리트는 아부다비(Abu Dhabi), 두바이(Dubai), 샤르자(Sharjah), 아지만(Ajman), 움알쿠와인(Umm al- Quwain), 라스알카이마(Ras al-Khaimah), 푸자이라(Fujairah) 등 7개의 에미리트(emir에 의해 다스려지는 부족국가; emir는 아랍의 지도자를 일컫는 말로 토후, 족장 또는 수장으로 번역)로 이루어진 연방국가이다. 이들 토후국들은 1820년 영국과 페르시아 만 해상에서의 적대 행위를 중단하는 휴전 협정(Treaties of the Trucial States)을 맺고 영국의 보호령이 되었으며, 1971년 영국이 군대를 철수하고 토후국과의 모든 조약들을 종결함에 따라 연합하여 독립하였다(Vine, 2009; 두산백과 인터넷사이트, http://www.doopedia. co.kr). 연합국의 대통령은 7개 에미리트의 토후들이 위원인 연방최고평의회(Federal Supreme Council)에서 선출되는데, 5년 임기이며, 관례적으로 에미리트 중에서 가장 크고 재정이 풍부한 아부다비의 토후가 대통령이 되고, 두 번째로 큰 두바이의 토후가 부통령 겸 총리를 맡아 연방정부를 운영한다. 각 에미리트의 토후들은 별도의 내각과 예산을 운영하는 자치권을 가지고 있으며, 외교, 국방, 통일된 법규 및 정책 수립, 연방 전체의 균형 발전 등의 문제는 연방정부에서 관장한다(Kwon and Ji, 2014). 의회는 연방평의회(Federal National Council)가 유사 기능을 담당하는데, 각 토후들이 임명하는 의원들과 4년 임기의 선출직 의원들이 반반으로 구성되고, 의원 수는 에미리트 별로 아부다비 8명, 두바이 8명, 샤르자 6명, 라스알카이마 6명, 아지만 4명, 푸자이라 4명, 움알쿠와인 4명으로 총 40명이다.

아랍에미리트의 총면적은 83,600 km²(한반도의 약 1/3)이고, 인구는 930만명 정도인데 외국인이 약 89%로 노동 근로자의 대부분을 외국에 의존하고 있다(외교부 국가 및 지역 정보, http://www.mofa.go.kr/countries/). 공용어는 아랍어이며, 영어, 페르시아어, 힌두어 등이 통용된다. 종교는 이슬람교이며, 수니파 85%, 시아파 15%이다.

아랍에미리트의 GDP(명목)는 4,164억불이며, 1인당 GDP는 외국인을 포함하여 44,770불로 각각 세계 29위와 20위이다(2014 IMF 기준). 석유 부문이 GDP에서 차지하는 비중이 33%로 가장 크고, 비석유 부문의 GDP 비중은 무역 12%, 부동산 12%, 금융 9%, 건설 9%, 제조업 9% 등이다(Emirates NBD, 2014).

아랍에미리트는 북위 22°50'～26°, 동경 51°～56°25' 사이, 아열대 고압대에 위치하여 매우 덥고 건조하다. 5월～10월은 35°C～45°C, 11월～4월은 15°C～35°C로, 짧은 기간을 제외하고는 연중 무더운 날씨가 지속된다. 연 강수량은 60～100 mm로 비가 거의 내리지 않으며, 주로 겨울철에 비가 집중된다(EAD, 2008).

아랍에미리트는 국토의 97%가 사막이며, 동쪽은 오만으로부터 뻗은 Hajar 산맥과 산자락에 선상지와 충적평야가 발달하고, 북쪽 해안을 따라 산호 보초와 석호, sabkha(사브카)가 유래한 소금 평원이 지형을 형성한다(Fig. 1). 아랍에미리트 앞 바다 페르시아 만은 수심 40 m 미만으로 매우 얕으며, 여러 섬들이 분포하는데 하 캄브리아기(infra-또는 eo-Cambrian) 호르무즈 암염의 유동에 의한 관입으로 형성되었다.

Fig. 1. A. Landform, B. Distribution of the main dune and sand sheet types in the United Arab Emirates (After EAD, 2008; Thomas and Ellison, 2014).

사막에는 다양한 규모, 형태와 방향성의 사구(sand dune)들이 분포하는데, 가장 단순하고 기본적인 초승달 모양의 바르한(barchan)부터, 바르한들이 횡적으로 연결되어 마루선(crest line)이 바람의 방향에 직각으로 배열된 가장 흔한 형태의 횡사구(transverse dune), 우세한 바람(탁월풍)의 방향에 평행하게 배열된 종사구(linear or longitudinal dune, seif), 특정한 탁월풍이 없을 때 생기는 별 모양의 성사구(star dune) 등으로 구분된다(Feulner, 2005). 사구는 모래가 바람에 날려 바람맞이 사면(windward side)을 굴러 올라가서, 바람의지 사면(leeward side)에서 일어나는 와류로 인하여 바람의지 쪽에 떨어져 퇴적되면서 형성된다. 일반적으로 사구의 안식각은 바람맞이 쪽이 30～34° 내외, 바람의지 쪽이 20° 정도이며, 사구의 높이는 30～100 m 정도가 보통이다. 횡사구는 남쪽 Liwa 지역에 잘 발달해 있고, 남서부 지역에서는 남북 방향의 종사구가 관찰되며, 북쪽 지역에서는 동서 방향의 현생 사구가 지난 빙하기에 형성된 사구에 겹쳐 발달되어 있다. 남동부 Manadir 지역의 사구들은 위성사진으로도 확인 가능한 이랑과 고랑으로 이루어져 에르그(erg)로 불리우며, 현재 이랑의 삭박과 재동이 진행되고 있고, 고랑들은 사브카로 메워지고 있다.

탐사 연혁

아랍에미리트에서 석유 탐사는 1936년 이라크석유회사(Iraq Petroleum Company, IPC; BP, Shell, Total, Exxon-Mobile이 연합하여 만든 컨소시엄)의 자회사인 Petroleum Development (Trucial Coast) Ltd (PDTC; 1962년 Abu Dhabi Petroleum Company, ADPC로 개칭)에 의해 시작되었다(Butt, 2001; Morton, 2011). IPC는 20세기 초 Anglo- Persian Oil Company (BP 전신), Shell, Compagnie Française des Pétroles (CFP, Total 전신), Near East Development Corporation (Jersey Standard, Standard Oil Company of New York, Gulf Oil, Pan-American, Arco 등 미국 석유회사의 연합; ExxonMobile이 승계)이 오스만 터키 제국 출신의 영국인 Calouste Gulbenkian의 중재로 만들어졌던 컨소시엄으로 중동 지역 대부분의 국가들에서 조광권을 독점했었다. PDTC는 1937년 두바이와 샤르자, 1939년 아부다비 등에서 각각 허가기간 75년의 조광권을 획득하였다.

제2차 세계대전으로 탐사가 지연되었다가 1946년부터 지표 지질조사, 중력, 자력, 탄성파 등 본격적인 탐사가 시작되었고, 1950년 첫 시추가 아부다비시 인근 Ra’s Sadre에서 수행되었으나 건공이었다. 1951년 두바이의 Jebel Ali, 1953년부터 1957년까지 아부다비에서 Murban-1 등 5공이 시추되었으나 결과는 좋지 않았다. 1959년 Bab 구조에서 Murban-3 시추 성공으로 마침내 석유를 발견하고, 1962년부터 석유를 생산하기 시작하여 현재 300,000 배럴/일을 생산하고 있다. 이후에도 1962년 Bu Hasa, 1965년 Asab, 1966년 Shah, 1967년 Sahil 등 거대 구조에서의 꾸준한 석유 발견으로 현재 육상에서 1.6 Mbbl (million barrels)/일 생산하고 있다(Fig. 2).

Fig. 2. Major oil fields of the United Arab Emirates (Taken from www.hisbiscuspetroleum.com).

Fig. 3. Tectonic framework of the Arabian Plate and its environs (After Thomas and Ellison, 2014). Black arrows are movement vectors with arrow length proportional to plate velocity.

한편 해상에서는 1953년 BP의 자회사인 D’Arcy Explo-ration Company가 조광권을 받아, 1955년 BP 2/3, Total 1/3 지분으로 설립한 ADMA (Abu Dhabi Marine Area Ltd.)에 넘겨 탐사가 시작되었다. 1958년 ADMA는 Das 섬 부근의 Umm Shaif 구조에서 석유를 발견하였다. 1963년 Zakum 유전이 발견되는데, 세계에서 4번째로 큰 유전으로, 하부 저류층(백악기 전기 Thamama 층군 상부의 Lekhwair, Habshan 층; 확인매장량 17.2 Bbbl)은 ADMA-OPCO (Abu Dhabi Marine Operation Company; ADNOC 60%, BP 14_2/3%, Total 13_1/3%, Japan Oil Development Corporation, JODCO 12%)가 승계하여 425,000 배럴/일 생산하고 있고(http://www.adma-opco.com/), 상부 저류층(Shuaiba, Kharaib 층; 확인매장량 50 Bbbl)은 1977년 설립된 ZADCO (Zakum Development Company; ADNOC 60%, ExxonMobile 28%, JODCO 12%)가 650,000 배럴/일 생산하고 있다(http://zadco.ae/).

1971년 아랍에미리트의 독립과 더불어 아부다비는 영내 석유･가스 산업을 관리하고 운영하기 위하여 국영 석유회사(Abu Dhabi National Oil Company, ADNOC)를 설립하고, ADPC와 ADMA로부터 각각 25%의 지분을 확보하였다(http://www.adnoc.ae/). 1967년 OPEC에 가입했던 아부다비 정부는 당시 석유 수출국들의 석유 이권의 국유화 선언에 힘입어 1973년 다시 지분을 60%로 늘리고, 1977년 ADMA-OPCO를 설립하여 ADMA의 운영권을 인수하였다(http://www.adma-opco.com/). 1978년 Abu Dhabi for Onshore Oil Operations (ADCO)를 설립하여 ADPC의 육상 운영권을 넘겨받아 ADNOC의 자회사로 편입하였다(http://www.adco.ae/). ADCO의 지분은 ADNOC 60%, BP, Shell, Total, ExxonMobile 각각 9.5%이며, 2014년 조광권이 만료되어 새로운 파트너를 찾아 입찰 중으로, 현재 Total이 지분 10%, 일본의 Inpex가 5%, 우리나라의 GS에너지가 3%를 이미 확보하였으며, 중국의 CNPC, Eni, Statoil, Occidental 등이 참여하고 있다.

두바이는 확인매장량이 4 Bbbl로 아랍에미리트 전체 매장량의 4%를 차지한다. 두바이에서의 석유 발견은 1966년 해상의 Fateh 유전을 시작으로, 1972년 Falah 유전, 1973년 Rashid 유전, 1982년 육상의 Margham 컨덴세이트전으로 이어졌다. 두바이의 조광권은 ConocoPhillips의 자회사인 Dubai Petroleum Company (DPC)가 보유했었는데, 2007년 허가기간이 종료되자 두바이 정부가 인수하여 국영화하였다(http://www.dubaipetroleum.ae/). 두바이의 석유 생산은 1991년 410,000 배럴/일을 정점으로 꾸준히 감소하여 현재는 70,000 배럴/일에 못 미치며, 20년 이내에 고갈될 것으로 예상된다.

샤르자는 지역 기업인 Crescent Petroleum이 1969년 조광권을 부여받고, 1972년 이란과의 해상 경계 지역에 위치한 Mubarek 유전에서 석유를 발견하여, 조광권이 종료되는 2009년까지 석유 1억 배럴, 가스 300 Bscf (Billion standard cubic feet)를 생산하였다(http://www.crescent-petroleum. com/). 육상에서는 1978년 Amoco (BP로 합병)가 조광권을 획득하여 1980년 Sajaa 가스-컨덴세이트전을 발견하고 컨덴세이트 40,000～45,000 배럴/일, 가스 700 MMcf/일을 생산하였는데, 최소 회수가능 매장량이 컨덴세이트 1.09억 배럴, 가스 1.56 Tcf 이상으로 추정되었다(Alsharan and Nairn, 2003). 2010년 샤르자 정부는 Sharjah National Oil Corporation (SNOC)을 설립하여, 육상(Sajaa) 및 해상(Zora)에서 가스 개발을 추진하고 있다.

라스알카이마에서는 1983년 Gulf Oil이 Saleh 해상 유전을 발견하였는데, 회수가능 매장량이 석유 2억 배럴, 가스 1.2 Tcf였으며, 현재 국영 석유회사인 RAK Petroleum (http://www.rakpetroleum.ae/)가 500 배럴/일 생산하고 있다. 움알쿠와인에서는 1976년 해상에서 소규모 가스-컨덴세이트전이 발견되었으나, 생산은 2008년 중국 Sinochem의 자회사인 Atlantis 사가 참여하면서 시작되었다. 아지만과 푸자이라에서는 아직까지 상업적 생산이 가능한 유전이 발견되지 않았다.

지체 구조

아랍에미리트를 포함하는 아라비아 판은 선캄브리아기 기반암이 지표에 노출되어 분포하는 아라비아 순상지(shield), 신원생대로부터 홀로세의 두꺼운 퇴적층으로 덮인 아라비아 대지(platform), 유라시아 판과의 충돌로 형성된 자그로스(Zagros) 조산대, 아프리카 판과의 분리로 신생된 홍해 및 아덴만의 해양 지각으로 구성된다(Fig. 3).

아라비아 순상지는 원생대 후기(700～600 Ma)에 곤드와나(Gondwana) 초대륙을 구성하던 아프리카의 북동 대륙주변부에 화산호 및 육괴 조각들이 부가 융합하여 형성되었는데, 화강암, 화산암, 변성 퇴적암, 시생대 편마암, ophiolite 등이 주요 구성 암석이다(Brown et al., 1989).

아라비아 대지는 구조 운동과 변성작용의 영향을 거의 겪지 않아 비교적 평탄한 육성 또는 천해성의 현생대 퇴적 층서로 덮인 대륙지괴이다. 기반암은 노두가 희소하고, 깊은 심도로 관통한 시추공이 많지 않으며 정보도 개방되어 있지 않아 아라비아 순상지와의 관계가 모호하나, 좀더 오래된 지괴임을 연대 측정 자료들이 제시한다(Stern and Johnson, 2010). 기반암은 북동 방향으로 차츰 깊어지고 남북 방향의 단층 운동에 의한 융기 및 침강 구조가 발달해 있으며, 자그로스 조산대 전면에서는 습곡-충상단층대의 구조적 하중에 의해 급격하게 깊어져서 곡분(foredeep)과 분지(foreland basin)를 형성한다(Fig. 4).

Fig. 4. A. Basement depth map of Arabia (Konert et al., 2001), B. Cross Section (Pollastro, 2003).

아라비아 대지의 퇴적은 신원생대(～725 Ma)에 시작되었다. 오만에 분포하는 기저의 쇄설암(Abu Mahara 층군)은 심해 저탁류로부터 하성 사암의 다양한 암상을 보이며, diamictite를 포함하는데 Cryogenia 기의 빈번한 빙하 작용을 반영한다(Allen, 2007). Ediacara 기로 들어서 기후가 온난해지고 해수면이 상승하면서 퇴적과 침식으로 평탄화되고 구조적으로 안정화된 대륙붕(epicontinental) 환경에서 탄산염암이 쇄설암과 교대로 퇴적된다(Nafun 층군)(Fig. 5).

Fig. 5. A. Stratigraphic correlation chart, B. Latitudinal drift of the Arabian plate throughout Phanerozoic times with major tectonic events and sea level changes (After Sorkhabi, 2010).

선캄브리아기 말(Infra-Cambrian)에는 주요 석유 구조들의 핵을 이루는 암염 돔의 기반이 되는 호르무즈/아라(Ara) 암염 층이 발달하는데, 중동으로부터 이란, 파키스탄에 이르는 수천 km에 걸쳐 분포한다(Husseini and Husseini, 1990; Edgell, 1997; Allen, 2007) (Fig. 6). 암염 분지는 카타르 융기대를 비롯하여 Lekhwair 융기대 등에 의해 분리되어 있는데, 원래 서로 연결됐었는지는 확실치 않으나, 헤르시니아(Hercynia)를 비롯한 후기의 조산 운동에 의한 융기와 삭박 작용을 크게 받았다. 암염 층의 두께는 아라비아 만 지역에서 최대 2.5 km, 오만 지역에서 4 km에 달한다(Edgell, 1997).


Fig. 6. Infracambrian salt basins with general tectonic and structural features in the Middle East (After Pollastro, 2003).


Fig. 7. Paleozoic paleogeography of Arabia (After Thomas and Ellison, 2014). A. Cambrian, B. Silurian, C. Late Carboniferous to Early Permian times.

현생대에는 아라비아 순상지와 테티스(Tethys) 고해양 사이에 폭 2,000～3,000 km의 광대한 대륙붕이 확립되고, 위도, 기후 및 상대적 해수면 변동에 따라 탄산염암 또는 쇄설암이 우세하게 퇴적되고 때때로 증발암이 침적하는 연해(epeiric sea) 환경이 지속되었다(Powers et al., 1966; Murris, 1980; Alsharhan and Kendall, 1986; Beydoun, 1986; Alsharhan, 1989; Alsharan and Scott, 2000; Sharland et al., 2001; Konert et al., 2001; Ziegler, 2001; Alsharan and Nairn, 2003; Al-Jallal and Alsharhan, 2005; Haq and Al-Qahtani, 2005; Glennie, 2010; Sorkahbi, 2010). 페름기 이전 고생대에는 고위도 지역에서 쇄설암이 주로 퇴적되었다. 페름기로부터 백악기에는 저위도 지역에서 탄산염암이 꾸준히 퇴적되었고, 순상지의 간헐적 융기 또는 해수면 하강과 맞물려 쇄설암이 탄산염암 대지로 전진 구축하기도 하였다. 신생대에는 자그로스 조산운동으로 전면 곡분과 분지가 발달하여 탄산염암과 쇄설암이 함께 퇴적되고, 아라비아 대지의 대부분이 육화되어 현재와 비슷한 환경이 되었다.

캄브리아기 아라비아 대지는 원시 테티스 해(Prototethys)에서 멀리 떨어진 내륙으로 주로 육성층이 퇴적되었으며(Fig. 7a), 오르도비스기에는 남위 45° 부근에 위치하여 빙

성층이 널리 분포하고, 실루리아기에는 지구 온난화로 빙하가 녹아서 해수면이 상승하고 최대 해침기(maximum flooding)에 주요 근원암인 Qusaiba 셰일이 퇴적되었다(Fig. 7b). 데본기 말부터 석탄기는 곤드와나와 로러시아(Laurussia) 초대륙이 충돌하여 판게아(Pangaea)가 형성되는 헤르시니아 조산 운동이 일어났던 시기로 곤드와나 대륙괴(craton)를 구성하던 아라비아 판은 회전하고 기울고 융기하여 데본기 이전의 퇴적층이 삭박되고 결층되면서 부정합면(Hercynian unconformity)이 발달하였다(Fig. 7c). 이 시기에 아라비아 중부 융기대(Central Arabian Arch)가 기존 연약면을 따라 재동되고, Ghawar를 비롯한 남북 방향의 주요 배사 구조들이 형성되기 시작하였다.



Fig. 8. Permian to Juarssic paleogeography of Arabia (After Ziegler. 2001). A. Late Permian, B. Early Triassic, C. Late Middle Jurassic, D. Late Jurassic.

페름기 판게아가 해체되기 시작하면서 아라비아 판이 속하는 곤드와나 북동쪽으로 새로운 테티스 해(Neotethys)가 생성되고 열적 침강으로 대지가 광범위하게 침수되면서 Khuff 층을 비롯한 탄산염암이 본격적으로 퇴적되기 시작하였다(Fig. 8a).

트라이아스기는 대체적으로 해수면이 낮았던 시기로 순상지와 아라비아 중부 융기대로부터 발달한 쇄설 환경이 확장하고 증발암이 광범위하게 퇴적된다(Fig. 8b).

쥐라기 전기 지중해가 열개되고 인도 판이 곤드와나로부터 분리되기 시작하면서 아라비아 판에 신장의 영향으로 소분지(Gotnia, Rub al Khali Basins)들이 발달하고, 아라비아 중부 융기대가 침강하여 분지화한다(Arabian Basin) (Fig. 8c). 소분지들은 쥐라기 중기 해수면이 상승하고 무산소화 되면서 Diyab, Hanifa, Sargelu 등 여러 근원암들의 모태가 되고, 쥐라기 후기 주변의 고 에너지 환경에서 Arab 층 등 우수한 저류암들이 퇴적되고, Hith, Gotnia 증발암 층이 덮개를 형성함으로써 가장 완성도 높은 석유시스템을 갖추게 된다(Fig 8d).

백악기 전기 해수면이 상승하면서 아랍에미리트에서 가장 생산적인 저류암을 형성하는 Thamama 층군이 퇴적되고, 중기까지 완만한 경사(ramp)의 연해에서 탄산염암과 쇄설암의 영역이 교차 증감하면서 이매패류의 일종인 루디스트(rudist) 집단에 의한 초(reef)가 빈번하게 발달하고, 걸프 북쪽에는 삼각주 환경이 형성되어 Zubair, Burgan 사암 등이 퇴적된다(Fig. 9a-b).

백악기 후기 테티스 해가 소멸되기 시작하면서 오만 ophiolite가 압등(obduct)하고 아라비아 판이 압축으로 구조적 재편을 겪게 된다. 오만 조산대 전면에 곡분과 분지가 형성되고, 아라비아 대지는 융기하여 삭박으로 부정합(pre-Aruma unconformity)이 광역적으로 발달하며, 헤르시니아 기에 형성됐던 구조들이 재활성화 되면서 주요 석유 구조들이 성장하기 시작하였다(Fig. 9c).

신생대 에오세 말 아라비아 판과 유라시아 판이 충돌하여 자그로스 조산대가 형성되고, 마이오세 홍해와 아덴만의 해저 확장으로 아라비아 판과 아프리카 판이 분리되면서 현재의 지체 구조 틀이 갖추어졌다(Fig. 9d)(Ko et al., 2008).



Fig. 9. Cretaceous to Cenozoic paleogeography of Arabia (After Ziegler, 2001). A. Late Early Cretaceous, B. Early Late Cretaceous, C. Late Cretaceous to Early Paleocene, D. Miocene.

아랍에미리트의 지질 구조 및 층서

아랍에미리트는 아라비아 대지의 일부를 구성하는 Rub al Khali 분지에 속하며, 카타르 융기대에 의해 주 대지와 구분된다. 동쪽으로는 백악기 후기(～96 Ma) 테티스 해의 일부였던 ophiolite가 압등하고 신생대(～20 Ma) 유라시아 판과 충돌하면서, 전면에서 발달한 습곡-충상단층대(fold and thrust belt)와 분지(foreland basin), ophiolite 상부의 심해 퇴적층, 화산암, 해저사태 퇴적물(olistostrome), 멜란지(melange)가 혼합 분포하는 Dibba와 Hatta 지역, 대지의 중생대 탄산염암이 압축에 의해 지표에 올라와 있는 Musandam 융기대가 상부의 지질을 구성한다(Thomas and Ellison, 2014)(Fig. 10).

Fig. 10. A. Simplified tectonic map of the UAE showing the main structural features, B. Schematic cross-section across the UAE showing the main stratigraphical relationships and structural features (Thomas and Ellison, 2014).

아랍에미리트도 대지와 마찬가지로 N-S, NE-SW, NW-SE, E-S 방향의 구조들이 잘 발달되어 있다. 아라비아의 가장 특징적인 남북 방향의 구조(Arabian Trend)는 Bu Hasa를 비롯한 남북 방향의 완만한 습곡들로 서부에 잘 나타나며, 북동-남서 방향의 구조는 Falaha, Hamra 향사와 그 사이의 Shah-Asab-Sahil-Arjan으로 이어지는 배사를 통해 잘 구현된다. Jarn Yaphour를 비롯한 북서-남동 방향의 선형 구조들은 동서 방향의 압축에서 파생된 전단 단열과 주향 운동으로 형성된 순상지의 Najd 단층 시스템에 평행하다(Ali et al., 2013). 원양에 분포하는 Zakum 등 동서 방향의 구조들은 자그로스 습곡 시스템과 신생대 암염 유동이 연관된 변형으로 해석된다.

아랍에미리트의 기반암은 카타르 융기대 부근에서 7 km, 동쪽으로 8～9 km로 깊어지고. 다시 얕아져서 오만 국경 가까이에서 6 km 정도이며, 북동부의 전면 분지에서는 11～12 km에 달한다(Farrant et al., 2012)(Fig. 4). 오만에 분포하는 Cryogenia 기 초기(850～750 Ma) 연대의 변성 퇴적암과 화강암 또는 화강섬록암이 아랍에미리트에서도 기반암을 구성하고 있을 것으로 보인다. 암염을 비롯한 신원생대 및 고생대 전기 퇴적층의 존재가 암염 돔과 함께 올라온 각력들에 의해 확인되며, 중･자력 자료에 근거하여 두께가 4 km 정도로 추정된다(Thomas and Ellison, 2014) (Fig. 10b).

Fig. 11. Stratigraphy of the UAE along with the main tectonic events and global sea level changes from the Permian to Recent (Thomas and Ellison, 2014).

고생대 후기 헤르시니아 조산운동의 영향으로 아라비아가 전반적으로 융기되고 삭박되면서 부정합(Hercynian unconformity)이 형성되고, 석탄기 후기 테티스 해 생성에 따른 열개로 퇴적이 재개되면서(Fig. 11), 아랍에미리트에서는 하상 또는 연안상의 쇄설암(Unayzah 층)이 쌓이는데 해상 시추공에서 최대 256 m의 두께를 보인다(Alsharhan, 1994).

Fig. 12. Plate tectonic peregrinations of the UAE relative to the Equator through Phanerozoic times (Glennie, 2010).

Fig. 13. A, Base Khuff structure map (Farrant et al., 2012), B. Thickness of the Khuff Formation (Thomas and Ellison, 2014).

페름기 후기 테티스 해의 해저 확장으로 이란과 분리되고 남회귀선 위쪽으로 이동하면서, 아랍에미리트를 포함하는 아라비아는 열적 침강으로 광대하고 따뜻한 연해가 되고, 분리 부정합(breakup unconformity) 위로 탄산염암(Khuff 층)이 본격적으로 퇴적되기 시작하였다(Fig. 12). Khuff 층은 백운암 또는 백운석화가 상당히 진전된 석회암과 증발암의 순환 퇴적층으로, 두께가 카타르 융기대 부근에서 500 m로 얇고 북동쪽으로 두꺼워져서 1,500 m에 이르며, 4～12 km 깊이에 분포한다(Fig. 13)(Alsharhan, 1993a, 2006; Alsharhan and Nairn, 1994). Khuff 층은 카타르의 North, 이란의 South Pars, 사우디아라비아의 Ghawar, 아랍에미리트의 Umm Shaif와 Zakum 등에서 대규모 가스전을 구성하며, 아랍에미리트 가스 매장량의 19%를 차지하고 있다.

트라이아스기 해수면이 하강하기 시작하면서, 쇄설암의 퇴적 영역이 확장되고, Sudair, Jilh(Gulailah), Minjur 층이 차례로 쌓이는데, Sudair 층은 두께 170～290 m의 석회암, 백운암, 적색 이암의 혼합 층이며, Jilh(Gulailah) 층은 사브카에서 퇴적된 미정질의 백운암과 이암으로 두께는 240～520 m이고, Minjur 층은 삼각주가 탄산염암 대지로 전진 구축하여 형성된 사암과 이암으로 두께는 120～240 m이다(Fig. 14a)(Alsharhan, 1993b).

쥐라기는 초기 27 Ma(Hettangian～Toarcian; 201～174 Ma)는 결층되고 Marrat 층으로퇴적이 시작된다. Marrat 층은 어란석과 생물 쇄설물(bioclast)의 혼편 석회암(packstone) 또는 입자암(grainstone)이 하부를 구성하며, 상부는 이암, 석회질 또는 백운석질 사암과 사질 또는 점토질 석회암이 혼재하는데, 합한 두께가 80～100 m이다. 해상 및 동부 육상에서는 트라이아스기 Gulailah(Jilh) 층 위에 바로 Hamlah 층이 부정합으로 놓이는데, 두께는 50～235 m이며, 치밀한 점토질 석회암 또는 와케질 석회암(wackestone), 갈탄, 이암 등을 포함한다(Alsharhan and Magara, 1994).

쥐라기 중기 아라비아 판 내에 Najd 연약면을 따라 지괴 단층 운동(block faulting)이 일어나면서 Arabia, Gotnia 등 소분지들이 생성되고 퇴적 양상이 변화한다. 해수면 상승과 맞물려 이들 소분지에서는 무산소 환경에서 근원암(Dhurma, Sargelu 층 등)이 퇴적되고, 아랍에미리트는 탄산염 생성이 매우 왕성했던 완사면에 위치하여 Izhara 층과 Araej 층이 1,000 m 가까운 두께로 쌓였다(Fig. 14b). Izhara 층은 비교적 깊은 수심의 낮은 에너지 환경에서 퇴적된 세립질 석회암이며, Araej 층에서는 판상의 혼편 석회암과 입자암이 세립질 또는 와케질 석회암과 교호하는데 조하대의 모래톱(shoal)으로 해석된다(Alsharhan and Whittle, 1995a).



Fig. 14. Triassic to Jurassic Paleogeography of the UAE and its surroundings (After Thomas and Ellison, 2014). A. Late Triassic, B. Middle Jurassic, C. Late Jurassic.

쥐라기 후기 기반암 또는 암염 유동(?)을 수반한 조륙운동(epeirogenic movement)으로 아랍에미리트의 서부 및 남서부 지역이 차별적으로 침강하면서 소분지가 형성되어, 가장 중요한 근원암인 Diyab/Dukhan 층이 퇴적되고, 상부를 어란상 탄산염암과 증발암이 교호하는 Arab 층과 매우 두꺼운 조상대 증발암으로 이루어진 Hith 층이 채우는데, 각각의 두께는 320 m, 235 m, 180 m이다(Fig. 14c)(Whittle and Alsharhan, 1996; Al-Suwaidi et al., 2000; Alsharhan and Whittle, 1995b; Alsharhan and Kendall, 1994).

백악기는 광역 부정합에 의해 전기의 Thamama 층군, 중기의 Waisa 층군, 후기의 Aruma 층군으로 구분되는데, 쥐라기에 비해 탄산염암 영역이 축소되어 아라비아 남동부를 제외한 대부분의 지역에서 쇄설성 퇴적이 우세하게 전개된다(Murris, 1980; Ziegler, 2001). 아랍에미리트에서는 쥐라기 후기의 저해수위가 마감되고 백악기 초 해침이 시작되면서 동쪽으로 경사하는 완사면에 방산충을 포함하는 세립 사기질 석회암(Rayda 층)과 주로 어란상 입자암으로 이루어진 Habshan 층이 통시적(diachronous)으로 접안 걸침하고, 조하대에서 퇴적된 세립질 석회암과 와케스톤 또는 입자암이 반복하는 순환 층서인 Lekhwair 층, 세립질 석회암과 파도 저면 위에서 퇴적된 입자암 또는 혼편 석회암이 교호하는 Kharaib 층이 매적하고, 루디스트가 군집을 이뤄 소분지(Bab intrashelf depression)의 가장자리에서 초를 형성하면서 아랍에미리트에서 가장 중요한 저류층인 Shuaiba 층이 Thamama 층군의 마지막을 장식한다(Fig. 15a,c)(Alsharhan, 1985, 1995a; Alsharhan and Nairn, 1986; Hamdan and Alsharhan, 1991). Thamama 층군은 두께가 육상에서 최대 1,100 m에 이르며, 해상으로 얇아져서 500 m 가량이다.

Fig. 15. Cretaceous intrashelf basin development in southern Arabia (After Alsharhan, 1995a). A. During the Aptian (Bab basin), B. During the Cenomanian (Shilaif basin), C. Schematic cross-section showing the relationship between carbonate platform and intrashelf basin (Thomas and Ellison, 2014).

백악기 중기 Thamama 층군이 짧은 노출과 삭박을 겪은 후(Aptian 말, ～113 Ma), 해수면이 빠른 속도로 상승하여 아랍에미리트 지역이 다시 연해의 일부가 되면서, Waisa 층군의 퇴적이 시작된다. 초기에는 쇄설물이 우세하여 셰일(Nahr Umr 층)이 170 m 두께로 쌓이고, 차츰 탄산염 생산이 증가하면서 이회암으로부터 저서성 유공충(Orbitolina)을 포함하는 혼편 또는 와케질의 석회암으로 변화하는 60 m 두께의 Mauddud 층이 퇴적된다(Alsharhan and Nairn, 1988; Alsharhan, 1991). 그리고 Bab 소분지와 비슷한 위치에 차별 침강으로 소분지가 형성되고 Shilaif 층과 Mishrif 층이 퇴적되는데(Fig. 15b), 각각 비교적 깊은 수심에서 퇴적된 최대 170 m 두께의 세립질 분지상 퇴적층과 분지 중심으로 전진 구축하는 최대 425 m의 조립질 경사형 퇴적체 다발로 구성된다(Al-Zaabi et al., 2010). 특히 Mishrif 층 상부의 루디스트 군집이 소분지 가장자리를 따라 우수한 저류층을 형성한다.

백악기 후기 아프리카-아라비아 대륙과 아시아 대륙이 근접하여 테티스 해가 좁아지고 대륙 주변부가 압력을 받게 되면서, 페름기로부터 150 Ma 동안 지속되어온 탄산염암 퇴적이 교란을 받기 시작한다. 아라비아 대지 대부분이 융기되어 삭박으로 부정합이 발달하고, 아랍에미리트 동부에는 ophiolite가 압등하고, 습곡과 스러스트에 대륙사면과 해양판의 퇴적층이 동반하여 Hajar 산맥이 솟아오르며, 그 전면에 새로운 분지, Aruma 분지가 형성된다. 구조적 격변이 지나가고 상대적 해수면이 상승하면서 Aruma 층군의 퇴적이 시작되는데, 2 차례의 해침-해퇴 반복으로 쌓인 4 개의 층, Laffan-Halul, Fiqa-Simsima로 구성된다(Fig. 16)(Alsharhan and Nairn, 1990; Alsharhan and Kendall, 1995). Laffan 층은 동쪽으로부터 유입되는 쇄설물에 의한 전삼각주 셰일 층으로 두께는 27 m이고, Halul 층은 점토질 석회암 또는 석회질 이암으로 두께는 450～500 m이다. Fiqa 층은 셰일 또는 석회질 이암으로 두께가 아부다비에서 60～900 m이고, 동쪽으로 더욱 두꺼워져서 두바이, 샤르자에서는 1,500～3,000 m에 이른다. Fiqa 층은 동쪽으로부터 유입된 저탁류, 암설류, 해저사태 등으로 이루어진 Juweiza 층과 지교한다(Alsharhan, 1995b). Simsima 층은 이전 층들에 비해 매우 얕은 수심에서 퇴적된 혼편질 석회암으로 루디스트와 산호초 군집층을 포함하고, 부분적으로 백운석화되었으며, 두께가 70～190 m이다.



Fig. 16. A. Tectonic map of the eastern UAE showing the axes of Aruma and Al Khaimah foreland basins with the foreland fold and thrust belt and the ophiolite associated with metamorphic rocks consisting the Hajar Mountains, B. Cross-section across the foreland basin, fold and thrust belt, and ophiolite blocks, C. Thickness of the Aruma Group with the structures operative during the Late Cretaceous (After Thomas and Ellison, 2014).

신생대 서부는 백악기와 비슷하게 비교적 안정된 탄산염암 퇴적 양상을 보이고, 동부는 자그로스 조산운동으로 두번째 전면분지(Ras Al Khaimah 분지)가 발달하여 새로운 퇴적 중심이 된다(Fig. 16a)(Alsharhan and Nairn, 1995). 팔레오세 Umm Er Radhuma 층은 두께 376 m의 흑색 셰일과 탄산염암으로 구성되며, 에오세 Rus 층은 해퇴로 증발암이 주를 이루며 두께가 184 m이고, Dammam 층은 중간에 화폐석을 포함하는 셰일 또는 이회암으로 두께가 229 m이다. 이들 서부의 신생대 고기 층들은 Ras al Khaimah 분지의 Paddeh 층군에 대비되는데, 심해에서 퇴적된 석회질 flysch로 두께가 1,500 m에 달한다. 에오세 말 아시아 대륙판과 충돌하기 시작하여, 올리고세 초 테티스 해가 마침내 닫히며, 아라비아 판이 자그로스 조산대의 구조적 하중과 홍해와 아덴만이 열개로 북동으로 기울고 퇴적이 재개된다. 올리고세 Asmari 층은 석회암과 증발암으로 이루어졌으며, 두께는 육상 150～300 m, 해상 50～100 m이다. 신생대 신기는 비교적 얕은 수심의 조하대로부터, 증발암이 침전하는 해수 유입이 제한적인 조간대 석호(Gachsaran, Ras Khumais, Dam 층), 하천, 범람원, 사브카가 발달한 연안 환경(Baynunah, Shuwaihat 층), 건조한 사막이 발달한 현재로 이어지는데, 육상에 노두가 널리 분포한다.

석유지질

백악기 전기 Thamama 층군이 아랍에미리트에서 가장 많은 석유를 함유한다. 육상의 Bu Hasa, Asab, Bab, Sahil, 해상의 Zakum, Umm Shaif 유전 등에서 저류층을 형성하고 있다. 중동의 중요한 저류층인 쥐라기 Arab 층은 상부에 Hith 증발암이 분포하는 서부 지역에서만 석유를 부존한다. 페름기 Khuff 층은 가스층을 구성한다. 근원암은 쥐라기 Diyab 층으로 알려져 있으며, 백악기 Shilaif 층 등이 보조한다. 덮개암은 쥐라기 Hith 층과 백악기는 Nahr Umr, Laffan, Fiqa, Umm Er Radhuma 층 등의 셰일이 담당하여, 석유의 수직적 이동 및 분포를 좌우한다. 트랩은 기반암 또는 암염 유동을 수반한 배사 구조가 형성한다.

근원암

중동 지역에서 막대한 석유가 산출되는 이유 중의 하나는 선캄브리아기로부터 신생대까지 거의 모든 지질 시대에 걸쳐 유기물을 풍부하게 함유하는 근원암이 존재하기 때문이다(Beydoun, 1998; Grosjean et al., 2009; Sorkhabi, 2010). 아랍에미리트 역시 여러 층준에 양호한 근원암을 포함하고, 특히 대륙붕 상에 발달했던 소분지(Diyab, Bab, Shilaif intrashelf basins)들이 무산소 환경의 빈번한 발생으로 유기물 보존에 유리한 조건을 구비하였다.

중동 지역의 주요 근원암인 실루리아기 Qusaiba 층원은 Khuff 및 pre-Khuff 층에 부존하는 가스의 유력한 근원암으로 추정된다. 사우디아라비아에서 보고된 Qusaiba 층원의 유기물은 해양 기원의 Type II 유형이며, 함량이 평균 3～5%, 최대 20%이고, 두께 9～31 m로 기저에 분포하는데(Mahmoud et al., 1992; Cole et al., 1994; Jones and Stump, 1999; Pollastro, 2003), 아랍에미리트에서는 깊은 매몰로 과성숙하여 근원암의 기능을 상실하였다(Fig. 17).


Fig. 17. Thermal maturity of the Silurian Qusaiba shale (Pollastro, 2003).


Fig. 18. Source rock: Diyab Formation. A. Typical log characteristics and organic content (Hassan and Azer, 1985), B. Thickness (Whittle and Alsharhan, 1996). C. Thermal maturity (Pollastro, 2003).



Fig. 19. Geochemistry of UAE oils and orgainc matters. A. Sulphur, API gravity, and carbon isotopic composition (Al-Suwaidi et al., 2000), B. Van Krevelan diagram (Lijmbach et al., 1992), C. Ternary oil composition diagram (Al-Suwaidi et al., 2000). D. Carbon-isotope ratios of aromatic vs. saturate components (Al-Suwaidi et al., 2000).

Diyab 근원암은 쥐라기 옥스퍼드세～키메리지세 전기 아랍에미리트 서부에 발달한 소분지에서 퇴적된 이회암으로, 유기물은 하부 45～60 m 구간에 주로 분포하며, 함량은 0.72～1.8 wt%이다(Fig. 18)(Hassan and Azer, 1985; Lijmbach et al., 1992; Alsharhan and Magara, 1994; Whittle and Alsharhan, 1996; Al-Suwaidi et al., 2000). 유기물은 대부분 Type II 이며, 육상에서는 가스 생성 단계에 있고(Ro>1.3%), 해상으로 성숙도가 낮아져서 석유 생성 말기(0.9～1.3% Ro)이거나, 북서부에서는 현재 석유가 왕성하게 생성 중(0.7～0.9% Ro)이다. Diyab 층에서의 석유 생성은 백악기 후기(～73 Ma)에 시작되어, 에오세(～56 Ma)에 정점에 도달하였고, 같은 시기에 남동과 북서 지역에서는 가스가 생성되기 시작하였다(Alsharhan, 1989; Marzouk, 1989; Gumati, 1993). Diyab 석유는 비중 30～55°API, 포화 탄화수소 40～85%, 방향족 탄화수소 20～55%, 아스팔트분 및 수지 0～25%로 성분의 변동 폭이 크며, 황분은 1.5% 이하로 낮다. 탄소 동위원소 값(δ¹³C)도 –28～-23‰ PDB로 폭이 크며, 속성에 따라 가벼운 탄소를 선호하는 가스의 생성으로 δ¹³C 값이 증가하는 경향을 보인다(Fig, 19).



Fig. 20. Source rock: Shilaif Formation. A. Typical log characteristics and organic content (Hassan and Azer, 1985), B. Thickness (Al-Zaabi et al., 2010), C. Thermal maturity (Al-Zaabi et al., 2010).

백악기 중기 Shilaif 층은 동시기 소분지 주변의 천해에서 퇴적된 Mishrif 층 및 상부에서 발견된 석유의 근원암으로 추정된다(Lijmbach et al., 1992; Azzam and Taher, 1993; Al-Zabbi, 2010). Shilaif 층은 pithonella 등 표영성 생물의 대량 번식과 해저 무산소 환경의 조합으로 유기물 함량이 1～6 wt%로 높아, 매몰로 속성 조건만 충족되면 석유 생성이 가능했을 것으로 보인다. Shilaif 층은 두께가 북서 해상에서 30～60 m로 얇으며, 육상으로 두꺼워져서 남동부에서 최대 두께가 250 m 이상이다(Fig. 20). Shilaif 층의 유기물 성숙도는 해상은 대부분 미성숙하고, 육상으로 증가하여 일부 석유 생성 단계에 진입하였으며, 동북부에서 Ras Al Khaimah 전면 분지의 급속한 침강으로 매몰심도가 깊어 비트리나이트 반사도(Ro)가 0.8% 이상으로 최대치를 보이고, 남동부는 충상단층과 관련된 융기 현상(bulge)으로 낮은 반사값을 나타낸다. Shilaif 석유는 비중 24～40°API, 포화 탄화수소 31～39%, 방향족 탄화수소 42～65%, 아스팔트분 및 수지 <3%, 황분 1.5%이고, 탄소 동위원소 값은 –26.1～–26.5‰ PDB이다. Shilaif 층에서의 석유 생성은 Ras Al Khaimah 분지에서 올리고세～마이오세 초에 시작되고, 플라이오세(～3 Ma)에 정점에 도달하였으며, Falaha 향사 등 육상의 일부 깊은 매몰 지역에서는 마이오세 후기쯤 석유 생성 구간에 진입했을 것으로 추정된다(H.assan and Azer, 1985; Gumati, 1993).



Fig. 21. Source Rock: Bab and Shuaiba basinal shale (After Taher, 1996). A. Typical log characteristics and organic content, B. Thickness, C. Thermal maturity.

아랍에미리트에서 가장 많은 석유를 부존하는 Shuaiba 층의 분지상인 Bab 층원에서 유래한 석유는 Diyab 석유와 유사하여 구분이 어렵다(Lijmbach et al., 1992; Al-Suwaidi et al., 2000). Bab 층원은 다량의 부유생물 미화석을 포함하는 세립질 석회암으로 유기물 함량은 1～6 wt%이며, 유효 근원암의 두께는 소분지 중심부에서 100 ft(30.48 m) 이상이다(Fig. 21). Bab 층원의 유기물 성숙도는 북쪽 해상과 남동 육상 외에는 석유 생성 구간에 해당되며, 생성 시기는 전면 분지 및 Falaha 향사 지역에서 에오세에 시작되었으며, 중심부는 마이오세 후기부터 정점에 도달했을 것으로 보인다(Azzam and Taher, 1995; Taher, 1996).

저류암

아랍에미리트의 대표적인 저류층은 Khuff, Araej, Arab, Shuaiba, Mishrif, Simsima 층 등이다.



Fig. 22. Reservoir Rock: Khuff Formation (After Alsharhan, 2006). A. Lithostratigraphy, sequence stratigraphy, and log characterisics, B. Sequence stratigraphic framework and regional correlation, C. Regional cross-section showing facies distribution and stratigraphic frames.

Khuff 층은 회수가능 매장량이 2,680 Tcf에 달하는 세계 최대의 가스 저류층이다(Pollastro, 2003; Pőppelreiter, 2014). Khuff 층은 아라비아 대지 상의 연해 환경에서 퇴적된 세계 최대 규모의 완경사 탄산염암으로 퇴적상의 변화가 완만하여 광대한 지역에 걸쳐 일정한 암상을 보인다. 층서는 페름기～트라이아스기 21 My(269～248 Ma) 동안의 2차 규모(second order cycle) 해침-퇴와 7회의 3차 규모 주기가 복합된 4개(Khuff A-D)의 층원 또는 7개(K1-7)의 순차층으로 구성된다(El Bishlawy, 1985; Alsharhan, 1993, 2006; Alsharhan and Nairn, 1994; Strohmenger et al., 2002)(Fig. 22). 각 순차층은 깊은 조하대에서 퇴적된 치밀한 세립질 탄산염암으로 시작하여, 얕은 조하대 모래톱에서 퇴적된 어란상 입자암/혼편암, 석호에서 퇴적된 세립질 또는 와케질의 탄산염암, 조상대 사브카에서 퇴적된 증발암의 차례로 구성되는데, 백운석이 주요 구성 광물로 75～85%를 차지하고, 경석고가 5～10%이다. Khuff 층의 공극률은 평균 5% 내외이고, 투과도는 <1～수십 md인데, 중간 증발암(middle evaporite) 상부의 해퇴기 입자암(특히, Khuff C 층원 또는 K4 순차층)들이 20% 대의 공극률, 최대 500 md의 투과도로 양질의 저류 물성을 나타낸다. 공극률은 입자 크기, 형태, 분포 등 원래의 퇴적 조직, 압밀 및 교질 작용, 용해, 용식(stylolitization), 백운석화, 단열 등에 의해 좌우되는데, Khuff 층에서는 백운석화와 관련된 입자간(intergranular) 또는 결정간(intercrystalline) 공극이 발달하고, 단열이 공극률 증가 및 투과도 개선에 크게 기여하고 있으며, 경석고 충전, 용식 등은 공극률과 투과도를 저하시키고 있다. Khuff 가스는 주로 해상의 암염 돔과 관련된 구조들에서 발견되고, 육상은 구조 발달이 백악기 이후로 Qusaiba 층의 가스 생성 및 이동 시기보다 늦어서 부존 가능성이 낮을 것으로 보인다. Zakum, Fateh, Jarn Yaphour 등에서 상당량의 H₂S, CO₂, N₂ 가스가 동반 산출되는데, 경석고와 메탄가스가 고온에서 반응한 결과로 추정된다.


Fig. 23. Reservoir Rock: Araej Formation (Alsharhan and Whittle, 1995a). A. Oil fields that produce from the Araej Formation, B. Lithostratigraphy and typical log characteristics, C. Isopach map of the Uwainat Member of the Araej Formation, D. Depositional model.

Araej 층은 아랍에미리트에서 최초로 석유가 발견된 Umm Shaif를 비롯한 서부 및 중부 해상의 20 여개의 유전에서 산출이 확인된다(Fig. 23)(Hassan, 1989; Alsharhan and Whittle, 1995a; De Matos and Walkden, 2000; De Matos, 2002). Araej 층은 Izhara 층과 Diyab 층 사이의 쥐라기 중기(Bathonian～Callovian) 저해수면 시기에 비교적 얕은 완사면에서 퇴적된 순수한 석회암으로 이루어진 하부, Uwainat, 상부 층원으로 구성된다. 하부 층원은 깊은 조하대에서 퇴적된 세립질 또는 와케질 석회암으로 공극률과 투과도가 각각 ～8%, <10 md로 불량하고, Uwainat 층원은 파도저면 위 파랑과 해류 작용이 끊임없는 높은 에너지 환경의 모래톱에서 쌓인 입자암 또는 혼편암으로 가장 중요한 저류층이며 두께 37～56 m, 공극률 7～15%, 투과도 <10～100 md이다. 상부 층원은 세립질 또는 와케질 석회암과 입자암이 교호하는데, 입자암은 Uwainat 층원과 비슷한 물성을 보인다. 공극은 입자간 공극과 입자의 용해로 형성된 입자내 또는 인상(mold) 공극이 주를 이룬다. Araej 층의 석유는 H₂S가 6 mol%로 낮고 경질(32～55° API)이다. 또한 상당량의 가스/컨덴세이트를 포함하는데 근원으로 추정되는 Diyab 층의 속성도가 낮고, Khuff 층의 가스와는 탄소 동위원소 값이 달라, 별개 또는 보다 깊이 매몰된 근원암이 요구된다.


Fig. 24. Reservoir rock: Arab Formation. A. Lithostratigraphy and typical log characteristics (Alsharhan and Whittle, 1995b), B. Offshore oil field development in relation to facies changes of the Hith Formation (Alsharhan and Kendall, 1994), C. Thickness (Alsharhan and Whittle, 1995b), D. Depositional model (ADNOC internal material, Available from http://www.alhosngas.com).

Arab 층은 Hith 층이 석유 수직 이동의 장벽으로 작용하는 서부 해상 유전들의 주 저류층을 형성하며, Bab 등 육상에서는 H₂S를 많이 포함하는 산성가스를 배태한다(Azer and Borai, 1987; Alsharhan and Whittle, 1995b; Azer and Peebles, 1995; Ayoub and En Nadi, 2000). Arab 층은 얕은 완사면에서 해침･퇴의 반복으로 이루어진(Fig. 24), 탄산염암과 증발암의 순환 퇴적층으로 4개의 층원으로 구성된다. 층원은 상부에서 하부로 A-D로 명명되는데, A-C 층원은 증발암과 백운석화된 조립질의 탄산염암이 교호하고, D 층원은 세립질 석회암으로 시작하여 상부로 수심이 얕아지면서 입자암 또는 혼편암으로 조립화하며 가장 두껍고 생산적이다. Arab 층은 매몰 심도 1,200～2,700 m, 150 My 이상의 오래된 암석임에도 불구하고 공극률 최대 30%, 투과도 100 md 이상의 매우 양호한 물성을 보인다(Alsharhan and Magara, 1995). Arab 층의 공극률과 투과도는 퇴적 에너지 환경의 영향을 받는 기질의 함량과 백운석화가 크게 작용하는데, 기질의 함량이 증가할수록 공극률과 투과도는 감소하고, 백운석화는 80～90%에 이를 때 공극률과 투과도가 급증하고 90% 이상이 되면 되려 감소한다(Fig. 25).


Fig. 25. Porosity and permeability distribution in the Arab Formation (After Alsharhan and Magara, 1995). A. Relationship between porosity and permeability of difference members of the Arab Formation, B. Effect of mud-size matrix on pemeability, C. Effect of dolomite contents on porosity and permeability.


Fig. 26. Reservoir Rock: Thamama Group. A. Oil fields producing from the Cretaceous formations (Alsharhan, 1995a), B. Aptian paleogeographic framework of the Bab basin and surrounding platform (Yose et al., 2006), C. Depositional model of the Shuaiba rudist formation (Wazir et al., 2012).

Fig. 27. Sequence stratigraphic framework of the Shuaiba Formation (Yose et al., 2006). A. Sequence stratigraphy, B. Seismic stratigraphy, C. Time-stratigraphic evolution.

Fig. 28. A. Porosity distribution derived from integrated analysis of 3D seismic, log, core, and production engineering data, B. Relationship between porosity and permeability varying with sequence stratigraphic position and depostional facies (Yose et al., 2006).

Thamama 층군은 해상의 Zakum, Umm Shaif 등을 비롯하여, 육상의 Bu Hasa, Asab, Bab, Sahil 등의 거대 유전을 형성하고 있다(Fig. 26). Thamama 층군에 가장 많은 석유가 부존될 수 있었던 이유는 쌍각 조개류의 일종인 루디스트가 군집을 이뤄 양질의 저류층을 제공하기 때문이다((Alsharhan, 1985; Alsharhan and Nairn, 1993; Alsharhan, 1995a). Shuaiba 층은 백악기 전기 말(Aptian) 차별 침강으로 형성된 Bab 소분지에서 3차 규모 주기의 해침･퇴에 따라 루디스트 초, 플랫폼(platform) 및 분지상으로 이루어진 경사층형(clinoform)이 전진 구축하면서 형성된 복합체이다(Fig. 27)(Yose et al., 2006; Lawrence et al., 2010). 루디스트 초는 소분지 가장자리를 따라 평균 폭 8 km, 최대 두께 75 m로 분포하고, 공극률 20% 이상, 투과도 10～1,000 md로 가장 좋은 물성을 보인다 (Russell et al., 2002; El Wazir et al., 2012). 플랫폼은 얕은 수심에서 퇴적된 생물 쇄설물과 펠로이드, 온코이드(oncoid) 등의 입자암/혼편암과 세립질 탄산염암이 혼재하고, 채널과 여울 등 다양한 지형 요소들을 포함하며, 암상 및 물성이 복잡하게 변화한다. 하부 해침기의 순차층원(1, 2)은 해조류, 스트로마토포로이드(stromatoporoid)의 결속(boundstone) 또는 골격(framestone) 탄산염암과 세립질 탄산염암으로 구성되고, 공극률은 10～25%로 높으나 투과도는 0.1～5 md로 불량하다. 고수위(highstand) 초기 순차층원(3)은 루디스트 결속/골격암이 초를 형성하고, 플랫폼에서는 여울과 채널을 채우는 세립질 탄산염암과 루디스트 쇄설물로 이루어진 입자암/혼편암 모래톱이 발달하면서, 상부로 수심이 얕아지며(shoaling upward) 전진 구축하는데, 가장 양질의 저류암을 구성한다. 고수위 후기 순차층원(4, 5)은 해수면이 점차 하강하여 플랫폼이 좁아지고 퇴적 공간이 줄어들면서, 사면에 분지 방향으로 세립화하고, 상부로 조립화하는 경사층형 벨트가 발달하는데, 상부 입자암 구간의 공극률은 10～20%. 투과도는 10～50 md이며, 아래로 갈수록 감소하여 세립질/와케질 탄산염암이 주 분포하는 하부에서는 투과도가 1 md 이하로 떨어진다(Fig. 28).

Fig. 29. Reservoir Rock: Mishrif Formation (After Al-Zaabi et al., 2010). A. Schematic cross-section showing sequence stratigraphic framework of the Mishrif Formation, B. Depositional facies distribution.

Mishrif 층은 두바이 해상의 Fateh와 Umm Addalkh 유전의 저류층을 형성하고 있다. Mishrif 층은 백악기 중기 말(Cenomanian) Shilaif 소분지 주변에서 Shuaiba 층과 비슷한 양상으로 퇴적된 루디스트 군집층과 펠로이드상 입자암의 복합체로, 서쪽 주변으로 두껍게 발달하고(426 m), 동쪽 주변은 91～244 m로 얇은 비대칭적 분포를 보인다(Fig. 29)(Al-Zabbi, 2010; Alsharhan and Nairn, 1994; Alsharhan, 1995a; Jordan et al., 1985). Mishrif 층은 4차 주기의 해수위 변동에 따른 3개의 전진/매적 구축하는 순차층으로 구성되며, 서쪽 사면은 경사가 급해 붕단(platform margin)의 영역이 좁으며, 동쪽은 경사가 완만하여 비교적 넓은 붕단이 발달한다. Mishrif 층의 가장 좋은 저류층은 모래톱과 루디스트 초가 발달한 플랫폼 가장자리를 따라 분포하며, 공극률은 20～30%이고 투과도는 평균 25 md이다.

Simsima 층은 확인 매장량이 17 Tcf에 달하는 Shah 가스전의 유일한 저류층이다. Simsima 층은 백악기 말(Maastrichtian) 2차 규모 주기의 해수면 하강기에 수심이 얕아지는 플랫폼에서 쌓인 해퇴 순차층으로, 급속히 침강하는 전면 곡분과 플랫폼 경계에 분포하는 백운석화된 혼편암과 루디스트 군집이 주요 저류층을 구성한다(Badr and Ayoub, 1989; Hozayen et al., 2008). Shah 구조의 Simsima 층은 ophiolite 압등에 따른 구조적 하중으로 융기(bulging)하면서 퇴적되어 정상부에서는 얇고 측면부로 두꺼워지는 양상을 보인다(98→191 m). Simsima 저류층은 암상과 물성에 따라 상부에서 하부로 R1, R2, R3로 구분하는데, R1 구간은 유기물 함량이 높은 흑색 세립질 석회암과 루디스

Fig. 30. Reservoir rock: Simsima Formation. A. Lithostratigraphy and typical log characteristics (Alsharhan, 1995a), B. Seismic section showing sequence stratigraphic relationship within the formation (Hozayen et al., 2008).

트와 생물 쇄설물의 혼편암으로 이루어졌고 공극률 5～17%, 투과도 2～80 md이며, R2 구간은 유공충 입자암으로 공극률 15～30%, 투과도 102～780 md로 가장 좋은 물성을 보이고, R3 구간은 단괴상의 세립질/와케질 탄산염암으로 공극률 1～22%, 투과도 0.1～200 md이다(Fig. 30). 공극은 결정간 및 인상 유형이 주로 발달하고, 백운석화, 단열, 해수면 하강시 지상 노출에 따른 용해 등이 요인으로 작용하였다.

덮개암

증발암, 세립질 탄산염암, 셰일, 이회암 등이 덮개암 역할을 한다. Khuff 층에 대해서는 층내 증발암 및 트라이아스기 Sudair 층의 기저 셰일과 점토질 석회암이 덮개암이다. 쥐라기 층에 대해서는 Hith 증발암층이 광역 덮개암이며, Diyab 층과 Arab 층의 층원 사이의 증발암이 각각 Araej 층과 Arab 층에 대해 개별적인 덮개암으로 작용한다. Hith 증발암이 충실한 덮개 역할을 하는 서부에서는 단층이 존재하는 Abu Al Bukhoosh 유전 외에는 쥐라기 층들이 주 저류

Fig. 31. Model for migration of oil generated from the Jurassic Diyab source rock in relation to the Hith anhydrite cap rock (After Hassan and Azer, 1985; Taher, 1996).

층을 형성하고, 퇴적상 변화로 증발암이 사라진 동부에서는 Diyap 층으로부터 방출된 석유가 백악기 전기 Thamama 층으로 충전되었다(Fig. 31).

Fig. 32. Cap Rock. A. Nahr Umr Formation for the Thamama Group (Alsharhan, 1991), B. Laffan Formation for the Mishrif Formation (Al-Zaabi et al., 2010).

Nahr Umr 층은 Shuaiba 층의 덮개암으로, 점토광물이 62～73%인 셰일이고 두께 63～220 m로 광역적으로 분포한다(Alsharhan, 1991)(Fig. 32a). Mishrif 층에 대해서는 동시기의 근원암인 Shilaif 층이 측면으로 석유가 새는 것을 방지하고, 동쪽으로부터 유입된 세립질 쇄설물로 삼각주 전면을 구성하는 백악기 후기 Laffan 층은 유효 덮개 두께 6 m 이상으로 상부로의 유출을 억제하고 있다(Fig. 32b). Shah 구조의 Simsima 층은 Umm er Rhaduma 층(두께 >350 m)에 포함된 셰일과 점토질 석회암이 덮개암을 구성한다.

트랩

아랍에미리트는 안정된 지체인 아라비아 대지의 내륙에 속해 현생대 동안 격렬한 구조운동을 받지 않아 심부 지질이 비교적 단순한 가운데, 남북 방향의 완만한 습곡(Arabian folds)이 두드러진다(Fig. 33). 습곡은 향사와 배사가 번갈아서 Ghurab, Falaha, Hamra 향사를 사이에 두고 Bu Hasa, Bab, Shah, Asab, Sahil 등 배사 구조가 발달하여 거대 유전을 형성한다. 해상에서는 호르무즈 암염이 유동하여 기존 남북 방향에 자그로스 구조 방향이 겹친 구조가 암염 돔을 핵으로 하여 발달한다(Alsharhan and Salah, 1997). 동쪽 전면분지에서는 Sajaa, Margham 등 충상단층과 습곡에 연계된 구조가 트랩을 형성한다. 구조 발달은 서부 지역의 석유가 대부분 쥐라기 층, 중부는 백악기 전기 층. 동부는 백악기 중기 층에 함유되는 것으로 보아, 쥐라기 후기에 발달하기 시작하여 서쪽에서 동쪽으로 진행되었던 것으로 추정된다.

Fig. 33. Oil and gas field distribution in relation to the main syn- and anticlinal structural trends in the UAE (Alsharhan, 1989).

Fig. 34. Fracture system interpretation in the context of the regional stress regime (Marzouk and Satter, 1993). A. Oman stress regime operative during Paleozoic and Mesozoic times. B. Zagros Stress regime resulting from the collision between Arabian and Eurasian plates since the Oligocene.

트랩 형성과 더불어 수많은 단층과 단열이 발달해 있는데 광역적 응력 상황과 밀접하게 관련된다(Marzouk and Sattar, 1993; Jhonson et al., 2002; Sirat et al., 2007, 2012, 2013). 기반암의 구조 성분은 원생대 곤드와나 초대륙이 형성되는 과정(Pan-African Orogeny)에서 동서 방향의 압축에 의해 발달하였는데, N-S 방향의 Arabian Trend와 NW-SE 전단 방향의 Najd Trend로 구성되며, 현생대 동안 지속적으로 연약면으로 작동하면서 후기의 구조 운동을 제어한다. Hercynia 구조 요소는 확실하게 인지되지 않으며, 백악기 ophiolite 압등 시의 수평 주응력(Oman stress)은 동서 방향으로 작용하여 남북 방향의 변형타원을 따르는 wrench 구조를 발달시키고, 신생대 자그로스 구조 운동의 수평 주응력(Zagros stress)은 북동-남서 방향으로 북서-남동 방향의 변형타원을 따르는 wrench의 발달에 기여한다(Fig. 34). 위 요소들이 복합적으로 작용하여 발달한 단열은 저류층의 물성을 변화시키고, 투과도의 이방성을 야기하는 등 유체 흐름에 영향을 주고, 궁극적으로 생산성과 직결된다.

>결 론

중동 지역의 산유국들 가운데 고속 성장과 혁신으로 전 세계적 관심을 받고 있는 아랍에미리트는 명실공히 우리나라의 전략적 동반자로 발전하고 있는 중요한 국가이다. 올해 5월 느슨한 약속이었음에도 불구하고 일산 160만 배럴에 달하는 육상 생산광구의 지분 3%를 국내 기업에게 양도해 우리나라의 에너지 수급 안정을 도와준 신뢰할 만한 우방국으로 돋움해 가고 있다.

아랍에미리트는 석유와 천연가스의 확인매장량이 97.8 Bbbl, 215 Tcf이고, 석유 생산은 3.471 Mbbl/일로 세계 6위 국가이며, 국내에 도입되는 원유가 연간 1,085 Mbbl로 전체 물량의 11%를 차지한다(2014년 기준; http://www. petronet.co.kr). 아랍에미리트의 석유는 중동의 다른 국가들과 마찬가지로 주로 탄산염암에서 산출되는데, 페름기 이후 저위도 지역에 위치하면서 지금까지 꾸준히 퇴적되고 있다. 페름기 Khuff 층은 회수가능 매장량이 2,680 Tcf에 달하는 세계 최대의 가스 저류층으로, 아랍에미리트에서는 Umm Shaif, Zakum 등에서 대규모 가스전을 구성한다. 세계 최대 유전인 사우디아라비아의 Ghawar에서 저류층을 형성하는 쥐라기 Arab 층은 Hith 증발암이 석유의 수직 이동 장벽으로 작용하는 서부 해상 유전들의 주 함유층이다. 백악기 Thamama 층군은 해상의 Zakum, Umm Shaif 등을 비롯하여, 육상의 Bu Hasa, Asab, Bab, Sahil 등의 거대 유전을 형성하여 아랍에미리트에서 가장 많은 석유를 부존하는데, 쌍각 조개류의 일종인 루디스트가 군집을 이뤄 양질의 저류층 복합체를 구성하기 때문이다. 근원암은 대륙붕 상에 빈번하게 발달했던 소분지(Diyab, Bab, Shilaif intrashelf basins)의 무산소 환경에서 퇴적된 여러 층준들이 담당한다. 쥐라기 Diyab 층이 주 근원암으로, 유기물은 석유 생성 경향의 Type II 유형이며, 함량은 0.72～1.8 wt%이고, 육상에서는 가스 생성 단계에 있으며(Ro>1.3%), 해상으로 성숙도가 낮아져서 석유 생성 말기(0.9～1.3% Ro)이거나, 북서부에서는 현재 석유가 왕성하게 생성 중(0.7～0.9% Ro)이다. 트랩은 남북 방향의 완만한 습곡(Arabian folds)들이 담당하는데, Ghurab, Falaha, Hamra 향사 사이의 Bu Hasa, Bab, Shah, Asab, Sahil 등 배사 구조가 거대 유전을 형성한다. 해상에서는 심부의 암염이 유동하여 돔을 핵으로 배사가 발달하고, 전면분지에서는 충상단층과 습곡에 연계된 구조가 트랩을 형성한다.

탄산염암 저류층은 단열이 물성 변화와 유체 흐름에 매우 중요한 역할을 하는데, N-S 또는 NW-SE 방향의 단열은 기반암의 구조 성분과 관련되고, 백악기 ophiolite 압등 시 형성된 단열은 동서 방향의 수평 주응력(Oman stress)에 상응하며, 신생대 단열은 북동-남서 방향으로 작용한 자그로스 구조 운동의 수평 주응력(Zagros stress)에 기인한다.

Acknowledgements

이 연구는 한국지질자원연구원의 기관목적사업 ‘탄산염 저류층 특성화를 통한 복합 모델링 기술 개발’ 과제의 일환으로 수행되었다.

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Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

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Petroleum Geology of the United Arab Emirates

ABSTRACT

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Acknowledgements

References