동중국해대륙붕분지의 북동부에 해당하는남해대륙붕 제주분지의 지열사를 규명하기 위하여 분지 중앙부 J3와 분지 가장자리 O 시추공에서 채취한 올리고세-마이오세 시기 시추암편 시료에 대해 인회석 핵분열비적(FT) 연대측정, 비적 길이 분포 측정 및 시간-온도 모델링을 수행하였다. J3 시추공 시료의 중앙 연령은 28.4 Ma와 19.2 Ma, O 시추공의 네 시료는 59.0 ~ 48.0 Ma로 나타났으며, 모두 퇴적 시기보다 오래된 연령을 보여 기원지 암석의 냉각 시기가 보존되어 있음을 지시한다. 시간-온도 모델링 결과, J3 시추공은 마이오세 중기-후기(13-7 Ma) 동안 약 30-40℃의 냉각과 약 1.2-1.6 km의 삭박을 경험한 반면, O 시추공에서는 퇴적 이후 뚜렷한 냉각 시기가 나타나지 않았다. 이는 동중국해대륙붕분지의 롱징(Longjing) 구조운동이 제주분지 내에서 공간적으로 불균질하게 작용하였음을 의미하며, 제주분지 중앙부에서는 마이오세 중기부터 구조운동의 영향이 나타난 반면 북부에서는 그 영향이 미미하였다. 이 연구 결과는 제주분지를 비롯한 남해대륙붕 퇴적분지들의 구조운동사가 이들이 포함된 전체 동중국해대륙붕분지와는 상이할 수 있음을 시사하며, 분지별 독립적인 지구조 연구의 필요성을 제시한다.

암석의 특성과 퇴적학적 특징을 분석하여 지하구조를 해석하고, 이를 통해 석유 시스템 모델링을 정밀하게 수행하기 위해서는 취득한 데이터의 품질 향상이 필수적이다. 이는 석유 시스템 모델링에 필요한 기초를 제공하는 역할을 한다. 본 연구에서는 인공지능을 기반으로 한 2차원 탄성파 자료의 3차원 체적 확장 및 이를 활용한 3차원 암상 분류 기법을 개발한다. 3차원 체적 확장 기법은 생성형 인공신경망을 기반으로 개발되었다. 무작위한 잡음 벡터를 활용한 생성형 인공신경망 기반 3차원 체적 변환 기술은 넓은 간격의 2차원 자료의 공백을 보간하는 데에 높은 성능을 보였다. 또한 암상 분류 기법은 U-Net을 기반으로 한 인공신경망 모델을 기반으로 개발되었다. 본 연구에서는 취득한 자료를 대상으로 암상 역산이 완료된 자료를 학습 자료로 사용하여 네트워크를 학습하였고, 이를 통해 탄성파 자료와 암상 분포의 상관관계를 반영하였다. 이후 지구통계학적 방법을 활용하여 3차원 암상 분포를 제작할 때, 체적 확장 기법으로 변환된 3차원 탄성파 자료를 보조자료로 활용하였다. 이를 통해 최종적으로 탄성파 자료의 특성을 반영한 대상 지역 내의 3차원 암상 모델을 취득하였다.

본 연구는 제주분지를 대상으로 3차원 석유시스템 모델링을 수행하여, 인접한 시후분지(Xihu Basin)에서 증명된 석유시스템이 제주분지에도 적용 가능한지를 평가하는 데 목적이 있다. 이를 위해 최신 3D 탄성파 자료와 정밀 지화학 분석 기법으로 분석된 근원암 지화학 자료를 활용하여 연구의 신뢰도를 제고하였다. 특히 근원암의 암상을 구분하여 지화학 재분석을 수행한 결과, 에오세와 올리고세 시기에 양질의 셰일과 석탄층 퇴적이 확인되었고 이는 동 지역의 석유 부존 가능성을 높이는 중요한 근거가 된다. 모델링 결과에 따르면 제주분지에는 에오세 및 올리고세의 석유시스템이 존재하며 에오세 석유시스템은 주로 서쪽경사대에서 유효하고, 올리고세 석유시스템은 중앙습곡대에서 유효함을 확인하였다. 또한, 후기 마이오세 롱징운동의 영향을 크게 받았음에도 불구하고 구조운동 이후에도 탄화수소 생성 및 배출이 가능한 것으로 분석된다. 탄화수소의 생성, 이동, 집적과정을 3차원적으로 시각화하고 지역별로 유효한 석유시스템을 분석했다는 점에서 학술적인 의미를 갖는다. 본 연구 결과, 시후분지에서 검증된 석유 시스템이 제주분지에도 적용 가능할 것으로 사료되며 이러한 결과는 제주분지 미탐사 지역의 향후 탐사 전략 수립과 탐사 리스크 저감을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

남해대륙붕분지(South Sea Shelf Basin)는 장기간의 탐사 공백과 제한적인 탐사자료로 인해 지하 지질구조와 석유 부존 유망성에 대한 불확실성이 지속되어 왔다. 반면, 동일한 동중국해분지(East China Sea Basin)에 속하는 중국 시후분지(Xihu Basin)는 서쪽경사대와 중앙습곡대를 중심으로 다수의 유·가스전이 개발되어 석유시스템이 입증된 지역이다. 최근 제주분지에서 취득된 3D 탄성파자료의 정밀 분석 결과, 에오세 및 올리고세 사암체 분포와 단층 발달 특성이 시후분지 서쪽경사대와 유사함을 확인하였다. 이는 제주분지 서쪽경사대가 새로운 탐사 대상지로 고려될 수 있음을 시사하며, 남해대륙붕 전반에 대한 탐사 개념 재정립과 탐사 재개의 필요성을 제기한다. 또한 근원암, 저류암, 덮개암에 대한 정밀분석과 머신러닝 기반 자료 확장 등 최근 수행된 다양한 연구들은 남해대륙붕분지 석유시스템의 작동 가능성을 제시하고 있다. 향후 3D 탐사 및 시추 자료의 추가 확보와 지속적인 연구가 수행된다면, 남해대륙붕의 석유·가스 탐사뿐만 아니라 해양영토 관리와 이산화탄소 지중저장소 평가에 의미 있는 기여를 할 것으로 기대된다.

남해대륙붕 4개 광구의 6개 시추공에서 확보된 덮개암 시추암편을 대상으로 수은주입 모세관압(MICP) 시험을 수행하여 공극 구조 및 모세관 특성에 기반한 덮개암 기밀성을 정량적으로 평가하였다. 시추공 자료와 암상 정보를 토대로 덮개암 대상 구간을 선정하고 대표 심도에서 시료를 확보한 뒤, 공극 크기 분포, 공극률, 투과도, 공극진입압력, 유동압력, 돌파압력 등을 산정하였다. 또한 CO₂-염수 및 석유-염수 계에 대한 접촉각과 계면장력을 적용하여 모세관압에 상응하는 허용 가능 CO₂ 및 석유 기둥 높이를 계산하고, 자유수면-수포화도 관계를 이용해 시추공별 기밀성을 비교하였다. 분석 결과, 모든 시료에서 1 μm 이하의 나노 공극이 총 공극 부피를 지배하였으나, 공극 크기 분포와 나노·마이크로 공극의 상대적 비율은 시추공별로 크게 달라 이질성이 확인되었다. 공극진입압력과 유동압력은 0.2~36 MPa 범위에 분포하였고, 돌파압력은 약 75~283 MPa로 나타나 시료별 모세관 차단 능력의 편차가 컸다. 특히 G-1과 J5-4 시료는 283 MPa로 가장 높은 돌파압력과 최대 허용 CO₂ 기둥 높이인 6,012 m를 보여 우수한 기밀성을 나타낸 반면, J1-1 시료는 75 MPa로 낮은 돌파압력과 최소 CO₂ 기둥 높이인 1,586 m로 기밀성 취약 구간으로 평가되었다. CO₂-염수 계에서의 최대 허용 CO₂ 기둥 높이는 약 1,586~6,012 m 수준, 석유-염수 계에서의 허용 가능 석유 기둥 높이는 약 2,157~8,175 m 수준으로 산정되었다. 전반적으로 남해대륙붕 덮개암은 CO₂ 저장에 적합한 기밀성을 보이나, 시추공별 공극 구조 및 모세관 특성의 공간적 이질성이 커서 CO₂ 저장소 설계 시 세분화된 덮개암 평가가 요구된다.

본 연구에서는 제주분지에 위치하는 J5 시추공의 이암 및 석탄 파편 시료를 대상으로 유기물의 열적 성숙도(Tmax, 비트리나이트 반사도(Ro))를 측정하였다. J5 시추공의 Tmax와 Ro는 430-535℃와 0.5-1.8%의 범위를 보인다. 유기물의 열적 성숙도를 고려하면 약 2,500 m 심도에서 원유 생성 단계에 진입하며, 약 3,400 m 지점부터 가스 생성 구간에 도달하는 것으로 평가되었다. J5 시추공의 Tmax와 Ro를 기반으로 제주분지에 최적화된 상관관계식(Ro = 0.0123 × Tmax ‒ 4.5769)을 도출하였다. 이를 이용하여 복원한 시기별 고지온은 초기 올리고세에서 주로 170℃ 이상으로 평가되며, 후기 올리고세에서는 대부분 120-170℃ 범위에 속하는 한편, 마이오세에서는 지속적으로 감소하여 108-120℃ 범위를 보인다. 고지온을 바탕으로 평가된 지온구배는 올리고세에서 마이오세로 갈수록 감소하는 경향을 보였으며, 이는 열개분지 발달 과정과 밀접한 연관성을 시사한다. 또한, 선행 연구들에서 제시된 Tmax와 Ro의 상관관계식들의 차이를 과성숙한 시료의 부족에 기인한 것으로 판단하여, 본 연구에서는 과성숙 시료를 포함하는 제주분지와 이전 연구 자료를 종합하여 국제적으로 적용 가능한 개선된 Tmax와 Ro의 상관관계식(Ro = 0.01 × Tmax ‒ 3.5854)을 제시하였다.

제주분지는 한반도 남부 해역에 위치한 신생대 열개성 퇴적분지로, 열개 작용이 활발하였던 에오세-올리고세 동안 육성 내지 연안 환경이 우세하게 발달하여 이암과 석탄층이 국지적으로 반복 산출되는 특징을 보인다. 본 연구에서는 제주분지 남부에 위치한 시추공 J4를 대상으로 HAWK-2 열분해 분석과 비트리나이트 반사도(VRo) 자료를 통합하여 올리고세 근원암의 유기물 특성, 열성숙도 구배, 생성잠재력을 재평가하였다. HAWK-2 분석 결과, 이암은 총유기탄소(Total Organic Carbon, TOC) 0.3∼7.0 wt%(평균 약 1.6 wt%) 범위로 분포하며, 특히 후기 올리고세 이암에서는 일부 구간에서 높은 HI와 S₂ 값이 확인될 뿐 아니라 해당 심도가 석유생성단계(Oil Window)에 해당하여, 제주분지 남부에서 가장 유효한 근원암층으로 해석된다. 반면, 전기 올리고세 이암은 심부 고성숙 구간에 해당하여 HI와 S₂가 감소하는 경향을 보인다. 석탄층은 TOC 10∼70 wt%에 달하는 매우 높은 유기물 함량을 보이나, 층서적으로 제한된 구간에서 산출되며 심부에서는 고성숙 가스형 특징을 나타낸다. VRo와 T_max는 심도 증가에 따라 전형적인 열성숙도 구배를 나타내며, 약 2.6∼3.4 km 구간에서 석유생성구간, 그 하부에서는 가스생성구간으로 확인된다. 암상별 T_max-VRo 회귀 분석 결과, 이암과 석탄은 상이한 기울기를 보여 근원암 성숙도 해석 시 암상별 보정이 필요함을 시사한다. HAWK-2 분석을 통해 산출된 제주분지 남부 근원암의 현재 생성가능 유기탄소(Generative Organic Carbon, GOC) 비율은 대체로 20% 이하로 제한적이며, 심도 증가와 열성숙도의 진전에 따라 감소하는 경향을 보인다. 그러나 HI의 심도별 변화와 열성숙도에 따른 변환율(Transformation Ratio, TR)을 함께 고려하여 Jarvie et al. (2012)의 방법으로 초기 생성가능 유기탄소(GOC₀) 비율을 보수적으로 복원한 결과, 미성숙 구간에서는 약 20% 수준, 심부 과성숙 구간에서는 58% 이상에 이르는 %GOC₀가 추정되었다. 이는 제주분지 남부 근원암이 현재는 제한적인 잔존 생성잠재력을 보이나, 열성숙 이전 단계에서는 훨씬 높은 생성가능 유기탄소 비중을 보유하고 있었음을 시사하며, 과거에 의미 있는 탄화수소 생성이 가능했을 잠재력을 지닌 근원암 시스템이 존재했음을 지지한다. 종합하면, 제주분지 남부 근원암 시스템은 혼합기원(Type II/III) 특성을 보이는 이암과, 높은 유기물 함량을 갖는 석탄이 공존하는 복합 근원암 체계로 해석되며, 특히 후기 올리고세 이암이 가장 유효한 석유생성 근원암층으로 평가된다. 본 연구 결과는 제주분지 근원암 특성에 대한 이해를 심화시키며, 향후 석유시스템 모델링과 가스 중심 탐사 전략 수립을 위한 기초 자료를 제공한다.