알래스카에 천연가스가 많은 이유는?
추운 알래스카의 땅속에는 어떻게 막대한 천연가스가 만들어지고 모였을까?
유기물 퇴적 · 매몰 · 열성숙 · 케로젠 · 이동 · 저장암 · 덮개암
[출제 의도]
알래스카에 천연가스가 풍부한 이유를 현재의 낮은 기온만으로 설명하지 않고, 과거 퇴적 환경에서 유기물이 보존되는 과정, 퇴적물이 깊이 매몰되면서 받는 열과 압력, 유기물의 열성숙에 따른 탄화수소 생성, 생성된 천연가스의 이동과 저장 및 지질학적 포획을 하나의 연속적인 과정으로 설명하는 능력을 평가한다.
특히 천연가스가 만들어지는 생성 과정과 생성된 천연가스가 대규모 가스전으로 남는 집적·보존 과정을 구분하는 것이 핵심이다.
독립 창작 대학입시 대비 연습문항 ·
3개 논제 · 총 100점 · 권장 시간 80~90분.
알래스카 북부 퇴적분지의 실제 지질학적 특징을 과학적 배경으로 하되,
문제의 깊이·온도·공극률 등의 계산값은 학습용으로 새롭게 구성하였다.
오늘날 알래스카는 춥고 넓은 동토 지역으로 알려져 있지만, 천연가스의 기원이 현재의 차가운 지표 환경에 있는 것은 아니다. 천연가스가 만들어지는 과정은 수천만 년 이상의 지질학적 시간과 지하 깊은 곳의 온도·압력 조건과 관련되어 있다.
과거의 바다나 삼각주에서는 플랑크톤, 미생물, 식물 등의 유기물이 퇴적물과 함께 쌓일 수 있었다. 유기물이 산소가 충분한 환경에 오래 노출되면 분해되지만, 산소 공급이 제한된 퇴적 환경에서는 일부 유기물이 완전히 분해되지 않고 진흙과 함께 보존될 수 있다.
이러한 유기물이 포함된 퇴적층 위에 새로운 퇴적물이 계속 쌓이면 아래쪽 지층은 점점 깊이 매몰된다. 깊이가 증가할수록 압력뿐 아니라 지구 내부에서 전달되는 열에 의해 온도도 상승한다.
보존된 유기물은 장기간의 매몰 과정에서 복잡한 고분자성 유기물인 케로젠(kerogen)으로 변화하고, 적절한 열성숙 조건이 지속되면 케로젠이나 이미 생성된 탄화수소가 열분해되어 메테인(CH₄)을 포함한 천연가스를 생성할 수 있다.
그러나 가스가 만들어졌다는 사실만으로 대규모 가스전이 형성되는 것은 아니다. 생성된 가스가 이동할 수 있는 통로, 가스를 저장할 수 있는 다공성 암석, 그리고 가스가 더 이상 빠져나가지 못하도록 막는 치밀한 덮개암과 지질구조가 필요하다.
천연가스가 땅속의 거대한 빈 동굴에 호수처럼 고여 있는 것으로 생각해서는 안 된다. 많은 가스전에서는 가스가 사암이나 탄산염암과 같은 저장암 내부의 아주 작은 공극과 균열에 존재한다.
[논제 1] 땅속 깊이는 어떻게 유기물을 천연가스로 변화시키는가
알래스카 북부의 가상 퇴적분지에서 깊이에 따른 지층 온도를 조사하였다. 이 문제에서는 지표 부근 온도를 10℃, 지온 증가율을 1km당 25℃로 단순화한다.
여기서 T는 지층의 온도(℃), d는 깊이(km)이다.
또한 이 문제에서만 다음과 같은 단순화된 열성숙 기준을 사용한다.
| 온도 범위 | 단순화된 유기물 상태 |
|---|---|
| 60℃ 미만 | 열성숙이 충분하지 않은 단계 |
| 60~120℃ | 액체 탄화수소 생성이 상대적으로 활발한 단계 |
| 120~180℃ | 천연가스 생성이 활발해질 수 있는 단계 |
| 180℃ 초과 | 더 높은 열성숙 단계로, 건성 가스 생성 경향이 커질 수 있음 |
| 지층 | 깊이 | 유기탄소 함량 |
|---|---|---|
| A | 1.5 km | 0.5% |
| B | 3.0 km | 4.0% |
| C | 5.0 km | 4.5% |
| D | 7.0 km | 3.5% |
- A·B·C·D 지층의 온도를 각각 계산하시오. (8점)
- 주어진 열성숙 기준에 따라 각 지층이 어느 단계에 해당하는지 분류하시오. (8점)
- B와 C는 모두 유기탄소 함량이 높다. 그럼에도 C에서 천연가스 생성이 더 유리할 수 있는 이유를 유기물의 양과 열성숙을 구분하여 설명하시오. (10점)
- “압력이 높으면 유기물이 바로 천연가스로 변한다.” 라는 설명이 충분하지 않은 이유를 열에너지·시간·유기물의 관점에서 논술하시오. (9점)
35점 · ‘유기물이 많다’와 ‘충분히 성숙했다’를 구분할 것.
쉽게 풀어쓴 해설 · 모범 답안 · 채점 기준 확인하기
① 깊이에 따른 온도 계산
A 지층은 깊이가 1.5km이므로
이다.
B 지층은
이다.
C 지층은
이다.
D 지층은
이다.
② 열성숙 단계
A의 47.5℃는 60℃보다 낮으므로 아직 열성숙이 충분하지 않은 단계이다.
B의 85℃는 60~120℃ 범위에 있으므로 문제의 단순화된 모형에서는 액체 탄화수소 생성이 상대적으로 활발한 단계에 해당한다.
C의 135℃는 120~180℃이므로 천연가스 생성이 활발해질 수 있는 조건에 해당한다.
D의 185℃는 180℃보다 높으므로 더 높은 열성숙 단계로 분류할 수 있다.
③ 유기물이 많다는 것만으로는 충분하지 않다
B와 C 모두 유기탄소가 풍부하므로 탄화수소를 만들 수 있는 원료가 많이 존재한다.
그러나 B의 온도는 85℃이고 C는 135℃이다. 문제의 조건에서는 C가 천연가스 생성이 활발해질 수 있는 열성숙 범위에 들어 있다.
따라서 천연가스의 생성 가능성은 단순히 유기물의 양만으로 결정되지 않는다.
④ 압력만으로 천연가스가 만들어지는 것은 아니다
퇴적물이 깊이 묻히면 압력이 증가하지만, 유기물이 천연가스로 변화하는 데에는 분자의 화학 결합을 변화시키는 열성숙 과정이 중요하다.
유기물이 오랜 시간 열을 받으면 복잡한 유기물이 케로젠으로 변화하고, 이후 열분해가 진행되면서 메테인을 비롯한 작은 탄화수소 분자가 생성될 수 있다.
따라서 천연가스의 생성은 압력 하나의 결과가 아니라 유기물의 종류와 양, 매몰에 따른 온도, 그리고 긴 시간이 함께 작용한 결과이다.
모범 답안
T=10+25d를 적용하면 A·B·C·D의 온도는 각각 47.5℃, 85℃, 135℃, 185℃이다. 따라서 A는 미성숙 단계, B는 액체 탄화수소 생성이 상대적으로 활발한 단계, C는 가스 생성이 활발해질 수 있는 단계, D는 더 높은 열성숙 단계에 해당한다.
B와 C는 모두 유기탄소 함량이 높지만 유기물이 많다고 해서 모두 천연가스로 바뀌는 것은 아니다. C는 더 깊이 매몰되어 높은 온도를 경험했기 때문에 열성숙도가 높고, 문제의 모형에서 천연가스 생성에 더 유리하다.
따라서 알래스카의 천연가스 형성은 유기물이 풍부한 퇴적층이 장기간 매몰되고, 지구 내부의 열에 의해 충분히 성숙한 결과로 설명해야 한다. 압력만으로 유기물이 즉시 가스로 변하는 것은 아니다.
채점 기준 · 35점
| 평가 요소 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 온도 계산 | 47.5℃, 85℃, 135℃, 185℃를 정확하게 계산한다. | 8 |
| 열성숙 분류 | 네 지층을 주어진 온도 기준에 따라 올바르게 분류한다. | 8 |
| 유기물과 열성숙 | 유기물의 풍부함과 열성숙도를 서로 다른 조건으로 설명한다. | 10 |
| 천연가스 생성 | 압력만이 아니라 유기물·열·시간이 함께 필요함을 논증한다. | 9 |
[논제 2] 만들어진 천연가스는 어떻게 거대한 가스전으로 모이는가
천연가스가 만들어지는 근원암은 반드시 좋은 저장암인 것은 아니다. 유기물이 풍부한 셰일은 매우 치밀할 수 있으며, 생성된 가스의 일부는 균열이나 연결된 공극을 따라 주변의 투과성 높은 암석으로 이동할 수 있다.
가상의 알래스카 북부 가스 저장암을 다음과 같이 단순화한다.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 저장암 면적 | 2.0 km² |
| 저장암 평균 두께 | 40 m |
| 공극률 | 18% |
| 공극 중 가스가 차지한 비율 | 65% |
공극률은 암석 전체 부피 중 빈 공간이 차지하는 비율이다.
- 저장암 전체의 부피를 m³ 단위로 계산하시오. (6점)
- 저장암 내부의 전체 공극 부피를 계산하고, 그중 천연가스가 차지하는 부피를 계산하시오. 단, 지하 저장 상태의 단순 부피만 비교한다. (10점)
- 천연가스가 근원암에서 생성된 뒤 사암과 같은 저장암으로 이동할 수 있는 이유와, 치밀한 셰일층이 그 위에 있을 때 가스가 축적될 수 있는 이유를 설명하시오. (8점)
- 다음 세 구조 가운데 대규모 천연가스의 장기적인 집적에 가장 유리한 것을 고르고 논증하시오. (6점)
| 구조 | 저장암 | 상부 구조 |
|---|---|---|
| A | 다공성 사암 | 위로 볼록한 구조 + 치밀한 셰일 덮개암 |
| B | 다공성 사암 | 위쪽까지 큰 균열이 연결되어 있음 |
| C | 다공성 사암 | 평평하며 측면과 위쪽으로 가스가 계속 이동 가능 |
30점 · ‘생성’과 ‘저장’의 차이를 분명히 할 것.
쉽게 풀어쓴 해설 · 모범 답안 · 채점 기준 확인하기
① 저장암의 전체 부피
2.0km²는
이다.
따라서 저장암 전체 부피는
이다.
② 암석 전체가 빈 공간인 것은 아니다
공극률이 18%이므로 전체 공극 부피는
이다.
이 중 65%를 가스가 차지하므로
이다.
따라서 문제의 단순화된 지하 조건에서는 약 936만m³의 공극 부피가 가스로 채워져 있다고 계산할 수 있다.
③ 천연가스의 이동과 포획
가스가 생성된 뒤에는 압력 차이와 부력, 암석의 공극과 균열 등에 의해 상대적으로 투과성이 높은 방향으로 이동할 수 있다.
사암처럼 공극이 잘 연결된 암석은 유체가 이동하고 저장되기 쉬우므로 좋은 저장암이 될 수 있다.
반면 치밀한 셰일과 같이 공극의 연결성이 매우 낮은 암석이 저장암 위를 덮고 있으면 가스가 계속 위쪽으로 이동하는 것을 막을 수 있다.
④ A 구조가 가장 유리하다
A에는 다공성 저장암과 치밀한 덮개암이 모두 존재한다.
또한 위로 볼록한 구조가 형성되어 있으므로 밀도가 작은 가스가 위쪽으로 이동한 뒤 구조의 높은 부분에 모이기 쉽다.
B에서는 큰 균열을 통해 가스가 더 위쪽으로 빠져나갈 수 있다.
C 역시 가스를 장기간 가둘 수 있는 효과적인 폐쇄 구조가 부족하다.
모범 답안
저장암의 전체 부피는 2.0×10⁶m²×40m=8.0×10⁷m³이다. 공극률이 18%이므로 공극 부피는 1.44×10⁷m³이고, 그중 65%가 가스로 채워졌다면 가스가 차지하는 지하 공극 부피는 9.36×10⁶m³이다.
천연가스는 근원암에서 생성된 뒤 연결된 공극이나 균열을 통해 이동하여 투과성과 공극률이 높은 저장암에 들어갈 수 있다. 저장암 위에 치밀한 덮개암이 존재하면 가스의 추가적인 상승 이동이 억제된다.
따라서 A처럼 다공성 저장암, 위로 볼록한 폐쇄 구조, 치밀한 덮개암이 함께 존재하는 경우 대규모 천연가스가 오랫동안 집적될 가능성이 높다.
채점 기준 · 30점
| 평가 요소 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 전체 부피 | 8.0×10⁷m³를 계산한다. | 6 |
| 공극과 가스 부피 | 1.44×10⁷m³와 9.36×10⁶m³를 정확히 계산한다. | 10 |
| 이동·포획 | 투과성 저장암과 치밀한 덮개암의 역할을 구분한다. | 8 |
| 지질 구조 | A를 선택하고 저장암·덮개암·폐쇄 구조를 근거로 설명한다. | 6 |
[논제 3] 그렇다면 왜 알래스카에 많은 천연가스가 남아 있을까
네 개의 가상 퇴적분지에서 천연가스전 형성에 필요한 조건을 조사하였다.
| 분지 | 근원암 유기탄소 | 최대 매몰 깊이 | 저장암 | 덮개암 |
|---|---|---|---|---|
| W | 4.2% | 5.2 km | 다공성 사암 | 두꺼운 셰일 |
| X | 0.7% | 5.5 km | 다공성 사암 | 두꺼운 셰일 |
| Y | 4.0% | 1.0 km | 다공성 사암 | 두꺼운 셰일 |
| Z | 4.1% | 5.0 km | 다공성 사암 | 덮개암이 거의 없음 |
네 분지는 비슷한 기간 동안 존재했다고 가정하며, 논제 1과 같은 지온 조건을 사용한다.
- 네 분지 가운데 대규모 천연가스전 형성 조건을 가장 잘 갖춘 분지를 고르고, 나머지 분지와 비교하여 이유를 설명하시오. (10점)
- 큰 천연가스전이 만들어지기 위한 조건을 근원암 → 열성숙 → 이동·저장암 → 덮개암·트랩 순서로 연결하여 설명하시오. (10점)
-
한 학생이 다음과 같이 주장하였다.
“알래스카는 매우 추운 곳이기 때문에 지하의 유기물이 얼어서 천연가스로 변했다.”
이 설명의 문제점을 지표 온도와 지하 열성숙을 구분하여 논술하시오. 또한 영구동토층이 천연가스의 ‘생성 원인’과 같은 개념인지 설명하시오. (8점) - 지금까지의 세 논제를 종합하여 “알래스카에 많은 천연가스가 존재하는 것은 가스를 많이 만들어 낼 조건과 만들어진 가스를 오랫동안 보존할 조건이 함께 갖추어졌기 때문이다.” 라는 명제를 논증하시오. (7점)
35점 · 천연가스의 ‘생성량’과 현재 발견되는 ‘매장량’을 구분하여 논증할 것.
쉽게 풀어쓴 해설 · 모범 답안 · 채점 기준 확인하기
① 가장 유리한 분지는 W이다
W에는 유기탄소가 4.2%로 풍부한 근원암이 있고, 최대 매몰 깊이도 5.2km로 깊다.
논제 1의 지온식을 적용하면
이므로 문제에서 천연가스 생성이 활발해질 수 있다고 설정한 온도 영역에 해당한다.
또한 다공성 사암 저장암과 두꺼운 셰일 덮개암도 존재한다.
따라서 원료·열성숙·저장·밀봉의 네 조건을 모두 비교적 잘 만족한다.
② 다른 분지에는 무엇이 부족한가
X는 충분히 깊이 매몰되었고 저장암과 덮개암도 존재하지만 유기탄소 함량이 0.7%로 상대적으로 낮다. 따라서 탄화수소의 원료가 되는 유기물이 부족하다.
Y는 유기물이 풍부하고 저장암과 덮개암도 존재하지만 최대 매몰 깊이가 1.0km에 불과하다.
이므로 문제의 모형에서는 열성숙이 충분하지 않다.
Z는 유기물이 풍부하고 깊이 매몰되어 가스를 만들 수 있는 조건은 좋지만 효과적인 덮개암이 거의 없다. 따라서 생성된 가스가 오랜 시간 동안 보존되지 못하고 이동해 버릴 수 있다.
③ 가스전에는 네 단계가 필요하다
즉 좋은 근원암만 존재한다고 대규모 가스전이 자동으로 만들어지는 것은 아니다.
열성숙이 부족하면 가스가 충분히 생성되지 않고, 저장암이 없으면 많은 양의 가스를 담기 어렵고, 덮개암이나 폐쇄 구조가 없으면 생성된 가스가 빠져나갈 수 있다.
④ 알래스카의 추위가 가스를 만든 것은 아니다
알래스카의 현재 지표는 매우 춥지만 천연가스가 생성된 곳은 지표가 아니라 수km 깊이의 퇴적층이다.
지하에서는 깊이가 증가할수록 지구 내부의 열 때문에 온도가 상승한다. 따라서 유기물은 추위 때문에 천연가스로 변한 것이 아니라 오랜 기간 매몰되어 충분한 열성숙을 경험하면서 변한 것이다.
영구동토층은 지표 부근의 저온 환경과 관련된 현상이다. 특정 조건에서는 얕은 지하의 가스 하이드레이트 안정성이나 유체 이동에 영향을 줄 수 있지만, 이를 알래스카의 모든 천연가스가 만들어진 근본 원인으로 보는 것은 적절하지 않다.
모범 답안
W는 유기탄소 함량이 높고, 5.2km까지 깊이 매몰되어 약 140℃의 열성숙 조건을 경험하며, 다공성 저장암과 치밀한 덮개암까지 갖추고 있으므로 네 분지 중 대규모 가스전 형성 가능성이 가장 높다.
X는 유기물이 부족하고, Y는 매몰 깊이가 작아 열성숙이 부족하며, Z는 가스를 생성할 가능성은 높지만 덮개암이 부족하여 장기간 보존하기 어렵다.
천연가스전이 만들어지기 위해서는 먼저 유기물이 풍부한 근원암이 형성되어야 한다. 이후 지층이 깊이 매몰되어 장기간 열을 받아 유기물이 케로젠과 탄화수소로 변화하고, 천연가스가 생성되어야 한다. 생성된 가스는 투과성 암석을 따라 이동하여 다공성 저장암에 들어가며, 치밀한 덮개암과 폐쇄된 지질구조가 가스의 추가 이동을 막아야 한다.
따라서 알래스카의 현재 추위가 천연가스를 생성했다고 볼 수 없다. 주요 열성숙은 지하 깊은 곳에서 지질학적 시간에 걸쳐 이루어진다. 알래스카에 많은 천연가스가 존재하는 이유는 풍부한 유기물과 적절한 매몰 역사를 통해 많은 탄화수소가 생성될 수 있었고, 동시에 저장암과 덮개암 및 지질구조가 생성된 가스를 장기간 보존할 수 있었기 때문이다.
채점 기준 · 35점
| 평가 요소 | 채점 기준 | 배점 |
|---|---|---|
| 분지 비교 | W를 선택하고 X·Y·Z의 부족한 조건과 비교한다. | 10 |
| 석유시스템 | 근원암 → 열성숙 → 이동·저장 → 밀봉의 흐름을 설명한다. | 10 |
| 추위 오개념 | 지표의 추위와 깊은 지하의 열성숙을 구별하고 영구동토층을 생성 원인으로 보지 않는다. | 8 |
| 종합 논증 | 생성 조건과 집적·보존 조건이 모두 필요함을 논증한다. | 7 |
이 문제에서 가장 중요한 것은 천연가스의 생성과 천연가스전의 형성을 같은 뜻으로 사용하지 않는 것이다.
유기물이 열성숙하여 메테인 등의 탄화수소가 만들어지는 것은 천연가스의 생성 과정이다. 그러나 우리가 실제로 이용할 수 있을 정도의 대규모 천연가스전이 형성되려면 생성된 가스가 이동하여 저장암에 들어가고, 덮개암과 트랩에 의해 장기간 보존되어야 한다.
따라서 알래스카에 많은 천연가스가 존재한다는 사실은 단순히 유기물이 많았다는 뜻도, 현재 기후가 춥다는 뜻도 아니다. 여러 지질학적 조건이 수천만 년 이상 순차적으로 맞아떨어진 결과로 해석해야 한다.
출제자 참고 · 과학적 타당성과 계산 최종 검산
① 논제 1 계산 검산
A: 10 + 25×1.5 = 47.5℃
B: 10 + 25×3.0 = 85℃
C: 10 + 25×5.0 = 135℃
D: 10 + 25×7.0 = 185℃
② 논제 2 계산 검산
저장암 면적: 2.0km² = 2.0×10⁶m²
전체 부피: 2.0×10⁶×40 = 8.0×10⁷m³
공극 부피: 8.0×10⁷×0.18 = 1.44×10⁷m³
가스가 차지하는 공극 부피: 1.44×10⁷×0.65 = 9.36×10⁶m³
③ 논제 3 계산 검산
W 분지의 단순화된 최대 매몰 온도: 10 + 25×5.2 = 140℃
Y 분지: 10 + 25×1.0 = 35℃
문제의 가정에 따르면 W는 가스 생성이 활발해질 수 있는 범위, Y는 열성숙이 충분하지 않은 범위이다.
④ 실제 알래스카 지질과의 연결
실제 알래스카 북부는 두꺼운 퇴적층과 여러 유기물 풍부한 근원암을 가진 대규모 석유·가스 시스템이 발달한 지역이다.
실제 지질학에서는 유기물의 종류, 총유기탄소량, 매몰 역사, 열성숙도, 저장암의 공극률과 투과도, 덮개암, 단층과 습곡, 탄화수소가 생성된 시기와 트랩이 형성된 시기의 관계까지 함께 분석한다.
⑤ 온도 범위에 대한 주의
문제에서 사용한 60~120℃, 120~180℃ 등의 범위는 학생이 열성숙 개념을 이해하기 위한 단순화된 교육용 모형이다.
실제 석유와 천연가스의 생성 범위는 지온 증가율, 매몰 시간, 케로젠의 종류, 지층의 열역사 등에 따라 달라지므로 하나의 온도값으로 절대적으로 구분할 수 없다.
⑥ 압력과 열성숙 구분
깊은 매몰은 압력과 온도를 모두 증가시키지만, 유기물에서 탄화수소가 만들어지는 과정은 단순한 기계적 압축이 아니다.
복잡한 유기물의 화학 결합이 장기간의 열성숙과 열분해 과정을 거치며 변화하는 것이 중요하다.
⑦ 천연가스와 영구동토층 구분
알래스카의 영구동토층은 천연가스의 주요 열성숙 생성 과정과 구분해야 한다.
영구동토 환경에서는 특정 압력·온도 조건에서 메테인과 물이 결합한 가스 하이드레이트가 안정하게 존재할 수 있지만, 이것은 깊은 퇴적분지에서 유기물의 열성숙으로 생성된 일반적인 천연가스의 기원과 동일한 개념이 아니다.
⑧ 저작권 점검
알래스카 북부에 실제로 존재하는 퇴적분지와 석유·가스 시스템이라는 일반적인 지질학적 사실을 배경으로 사용하였다.
문제의 지온식, 지층 A~D, 분지 W~Z, 공극률과 저장암 수치, 논제, 계산 문제, 해설, 모범 답안 및 채점 기준은 본 학습 자료를 위해 독립적으로 구성하였다.
