KR102643482B1 - 자연수소 부존 가능 지역 선정방법 및 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법 - Google Patents
자연수소 부존 가능 지역 선정방법 및 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 자연수소 부존 가능 지역 선정방법 및 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지각이나 맨틀 내에서 지구 내부에너지의 변화에 따른 고체-고체 또는 고체-유체의 반응을 통해 무기적으로 생성되는 자연수소의 부존 가능 지역을 선정하는 방법으로서, 정밀지표 지질조사를 진행하여 고철질 암석, 또는 자철석 광체와 화성암체가 분포하는 지를 판단하는 제1단계; 고철질 암석 또는 자철석 광체가 분포하는 경우, 발생한 자연수소가 지하 천부에 부존될 수 있는 지질조건을 만족하는지를 판단하는 제2단계; 및 지질조건을 만족하는 경우, 해당 지역의 지하수 및 가스의 화학 조성을 분석하여 자연수소 부존지역을 선정하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 자연수소 부존 가능 지역 선정방법 및 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 새로운 수소 에너지 유형에 관한 것이며, 지각이나 맨틀에서 무기적 화학반응에 의해 생성되는 자연수소의 개념을 포함하고 있다. 또한, 국내에 자연수소가 부존되어 있을 가능성이 높은 지역을 선정하는데 필요한 조사방법, 자연수소가 부존되어 있는 지역의 지질학적 특성, 자연수소의 방출량의 모니터링 등을 포함한다. 최종적으로 제시한 탐사 및 분석방법 등을 종합적으로 고려하여 국내에 경제성 있는 자연수소의 부존지역과 부존량을 결정하는데 필수적인 내용들을 포함한다.
도 1은 자연수소의 개념과 다른 유형의 수소와의 비교도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자연수소는 기존의 그레이(Grey)수소, 블루(Blue)수소, 그린(Green)수소와는 다른 개념이다.
그레이와 블루수소은 화석연료(석유나 천연가스)의 정제 과정 또는 증기로 수열처리를 통해 추출한 수소를 말한다. 그린수소는 재생에너지(예, 태양풍, 풍력, 조력 등)로 생산된 전기를 이용해 물을 전기분해하여 생산하는 수소이다. 본 발명의 명세서에서 언급하고 있는 자연수소는 지각이나 맨틀 내에서 지구 내부에너지의 변화에 따른 고체-고체 그리고 고체-유체의 반응을 통해 무기적으로 생성되는 수소를 의미한다.
도 2는 자연수소의 성인과 발생과정에 대한 모식도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 최근 10년 동안 발표된 논문들에 의하면, 암석 내에 부존되어 있는 자연수소는 크게 다음 4가지 과정을 통해 생성된다(Zgonnik et al., 2015; Miller et al., 2016; Guelard et al., 2018; Prinzhofer et al., 2018; Hao et al., 2020; Klein et al., 2020; Truche et al., 2020).
(1) 대륙과 해양에서 마그마로부터 분출되는 수소 가스
(2) 암석의 대규모 파쇄(예, 단층)과정에서 생성되는 수소
(3) 자연 방사선에 의한 물의 분해과정에서 생성되는 수소
(4) Fe2+을 함유한 광물과 열수의 반응과정에서 물의 환원 반응으로 생성되는 수소
지표 근처에서 광물-유체 간 반응을 통해 생성되는 자연수소는 주로 지구 내부에서 발생하는 열수(hydrothemal) 작용과 밀접하게 관련된다. Fe2+을 함유한 광물(예, 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모 등)과 물과 반응하면 다음 반응식 (1)과 (2)에 의해 철은 산화되어 철산화광물을 형성하고, 물 환원되어 수소를 생성시킨다.
[반응식 1]
[반응식 2]
지구에서 이 산화-환원반응으로 생성되는 무기 기원의 자연수소의 양은 ∼6×1012mol H2/년으로 추정하고 있지만(Truche et al., 2020; Worman et al., 2020), 생성되는 수소의 양은 고철질 암석을 구성하는 광물(예, 감람석, 휘석, 각섬석, 흑운모 등)의 종류와 함량, 유체의 성분, 온도 그리고 고체-유체 반응시간 등에 따라 크게 달라질 수 있다.
최근에 전 세계적으로 지각 내에 존재하는 자연수소의 대규모 부존 사실이 새롭게 알려지게 됨에 따라 그 잠재성에 대해 관련 학계의 비상한 관심을 불러일으키고 있는 상황이다. 이 수소자원은 수소(H2) 가스 함유도가 30-90%에 이르고 기존의 메탄가스 위주의 유기물 및 화석연료 기원의 천연 가스와는 차원이 다른 무기 기원의 신개념 수소로서 최근 말리, 터키, 미국, 브라질, 일본 및 동남아 지역에서 발견된 바 있다. 특히 아프리카 말리에서 발견된 수소 부존체(hydrogen reservoir)는 직경이 8km에 달할 정도로 대규모를 이루고 경제성도 높이 평가되는 것으로 알려져 있기 때문에, 선진 외국의 수소관련 학계 및 업계에서는 이를 향후 수소산업 생태계의 페라다임을 바꿀 획기적인 사건으로 인식하고 있다.
이번에 제안한 자연수소는 지각이나 상부 맨틀 내에서 사문암화작용(serpentinization) 외에도 화성활동, 철산화작용, 열수작용, 속성작용 등 다양한 지질작용에 의해 생성된다. 그리고 생산되는 자연수소가 과거에 우리가 생각한 것에 비하면 훨씬 흔하고 광범위하게 지각 내에서 생성되고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 국내 지각에서 자연수소가 생성되어 부존되어 있는 지역을 선정하는데 필요한 지질학적(광물, 암석, 지질구조 등), 지구화학적(지하수의 물리·화학적 특징), 지구물리적(지진파 속도, 중력이상, 원격탐사) 접근방법을 체계적으로 구축하고자 하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 자연수소가 부존하는 지역에서 자연수소의 배출량과 지하수 또는 가스 화학조성(예, H2, CO2, CH4, 등) 등을 체계적으로 분석하고 지속적인 모니터링하여 최종 시추 설계에 기초자료로 활용하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 궁극적으로 기존의 화학 공정을 통해 인위적으로 추출된 수소와는 다른 개념의 자연수소의 개념을 명확히 하고자 하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 지각이나 맨틀 내에서 지구 내부에너지의 변화에 따른 고체-고체 또는 고체-유체의 반응을 통해 무기적으로 생성되는 자연수소의 부존 가능 지역을 선정하는 방법으로서, 정밀지표 지질조사를 진행하여 고철질 암석, 또는 자철석 광체와 화성암체가 분포하는 지를 판단하는 제1단계; 고철질 암석 또는 자철석 광체가 분포하는 경우, 발생한 자연수소가 지하 천부에 부존될 수 있는 지질조건을 만족하는지를 판단하는 제2단계; 및 지질조건을 만족하는 경우, 해당 지역의 지하수 및 가스의 화학 조성을 분석하여 자연수소 부존지역을 선정하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 자연수소는, 대륙과 해양에서 마그마로부터 분출되는 수소 가스, 암석의 대규모 파쇄과정에서 생성되는 수소 가스, 자연 방사선에 의한 물의 분해과정에서 생성되는 수소 가스, 또는 Fe2+을 함유한 광물과 열수의 반응과정에서 물의 환원 반응으로 생성되는 수소 가스인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 Fe2+을 함유한 광물과 열수의 반응과정에서 물의 환원 반응으로 생성되는 수소 가스는, 이하의 반응식 1,2에 의해 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
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그리고 상기 제1단계는, 고철질 암석의 종류 및 조성비를 조사하는 단계와, 열수 변질 작용의 특징을 조사하는 단계와, 자철석 광체 주변 암석의 종류와 관입한 화성암체의 화학조성을 분석하는 단계와, 지질 구조의 시공간적 분포를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제2단계에서, 상기 지질조건은 덮개암과 저류암 역할을 할 수 있는 지질 조건인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제3단계는, 수소 누수(Hydrogen seepage) 양상을 지하수, 우물, 샘, 약수터, 하천가에서 거품 발생여부를 관찰하는 단계와, pH, EC, SO4 성분을 조사하는 단계와, 가스 성분을 정량분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 지각이나 맨틀 내에서 지구 내부에너지의 변화에 따른 고체-고체 또는 고체-유체의 반응을 통해 무기적으로 생성되는 자연수소의 부존 가능 지역에 대한 지역 정밀 탐사방방법으로서, 지구물리탐사법을 통해, 상기 부존 가능 지역 주변 영역에 대해 지진파 속도 이상과 중력 이상치를 분석하는 제1단계; 원격탐사법을 이용하여 지표 온도 및 수직 변위를 모니터링 하는 제2단계; 및 지표 암석에 수소검출기를 설치하고, 모니터링하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 제1단계는, 지진파와 중력이상치를 분석하여 지하 심부의 물질의 상태와 온도를 분석하는 단계와, 자철석 광체 주변 암석의 종류와 관입한 화성암체의 화학조성을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 주변영역은 반경 4 ~ 6km 지역이고, 상기 지하 심부는 지하 5 ~ 10km깊이인 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제2단계에서, 지표로 분출되는 수소가 검출시, 해당 지역에 대해 위성 또는 드론을 이용한 원격탐사법으로 정밀 지표 변위를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제3단계에서, 상기 지구물리탐사법으로 결정한 자연수 분출 지역의 지속적인 분출량 및 가스성분을 모니터링하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 수소검출기를 설치하여, 주기적으로 지하수를 채취하여 자연수소 방출량과 지하수의 화학조성을 모니터링하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 국내 지각에서 자연수소가 생성되어 부존되어 있는 지역을 선정하는데 필요한 지질학적(광물, 암석, 지질구조 등), 지구화학적(지하수의 물리·화학적 특징), 지구물리적(지진파 속도, 중력이상, 원격탐사) 접근방법을 체계적으로 구축할 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 자연수소가 부존하는 지역에서 자연수소의 배출량과 지하수 또는 가스 화학조성(예, H2, CO2, CH4, 등) 등을 체계적으로 분석하고 지속적인 모니터링하여 최종 시추 설계에 기초자료로 활용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 한반도 지각의 지질학적·지구화학적·지구물리적 특성이 반영된 자연수소의 생성 원인의 규명과 부존 가능성에 대한 연구결과는 다양한 유형의 수소 에너지원을 확보하는데 필수적인 기초자료 역할을 할 뿐만 아니라, 향후 수소 생성 메커니즘의 다양성/효율성 그리고 지중(underground) 수소 저장과 같은 국가적 융복합 연구의 디딤돌 역할을 할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 자연수소의 개념과 다른 유형의 수소와의 비교도,
도 2는 자연수소의 성인과 발생과정에 대한 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자연수소 부존 가능 지역 선정방법의 흐름도,
도 4는 경상누층군의 영양과 의성 소분지에서 산출되는 현무암의 분포
도 5는 영양 소분지의 중력이상값(Lim et al., 2019), 지진파 속도이상과 열류량의 분포(Song et al., 2020)와 지하수 조성(pH)의 특성(data from KIGAM)
도 6은 경기도 가평지역에서 산출되는 사문암의 구성광물(사문석과 자철석)을 보여주는 편광현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1은 자연수소의 개념과 다른 유형의 수소와의 비교도,
도 2는 자연수소의 성인과 발생과정에 대한 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자연수소 부존 가능 지역 선정방법의 흐름도,
도 4는 경상누층군의 영양과 의성 소분지에서 산출되는 현무암의 분포
도 5는 영양 소분지의 중력이상값(Lim et al., 2019), 지진파 속도이상과 열류량의 분포(Song et al., 2020)와 지하수 조성(pH)의 특성(data from KIGAM)
도 6은 경기도 가평지역에서 산출되는 사문암의 구성광물(사문석과 자철석)을 보여주는 편광현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명에 따른 자연수소 부존 가능 지역 선정방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 3은 본 발명에 따른 자연수소 부존 가능 지역 선정방법의 흐름도를 도시한 것이다.
본 발명은 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 바와 같이, 지각이나 맨틀 내에서 지구 내부에너지의 변화에 따른 고체-고체 또는 고체-유체의 반응을 통해 무기적으로 생성되는 자연수소의 부존 가능 지역을 선정하는 방법에 대한 것이다.
먼저 정밀지표 지질조사를 진행하여 고철질 암석, 또는 자철석 광체와 화성암체가 분포하는 지를 판단하게 된다. 즉, 자연수소의 부존 가능성이 높은 지역을 선정하기 위해서는 고철질 암석(사문암, 맨틀암, 현무암, 반려암 등) 또는 대규모 철광체와 알칼리 화성암체가 분포하는 지역의 정밀 지표 지질조사가 필수적이다.
이러한 정밀 지표 지질조사는 고철질 암석의 종류 및 조성비를 조사하는 단계와, 열수 변질 작용의 특징을 조사하는 단계와, 자철석 광체 주변 암석의 종류와 관입한 화성암체의 화학조성을 분석하는 단계와, 지질 구조의 시공간적 분포를 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 고철질 암석 또는 자철석 광체가 분포하는 경우, 발생한 자연수소가 지하 천부에 부존될 수 있는 지질조건을 만족하는지를 판단하게 된다. 이러한 지질조건은 덮개암과 저류암 역할을 할 수 있는 지질 조건일 수 있다. 즉, 고체-유체 상호작용으로 생성된 자연수소가 땅속 천부에(< 2-3 km 깊이) 부존되기 위해서는 수소의 이동을 막는 효과적인 덮개암(cap rocks)의 종류와 분포형태에 대한 자료가 자연수소 부존 가능성을 증가시키는 중요한 요소이다.
그리고 지질조건을 만족하는 경우, 해당 지역의 지하수 및 가스의 화학 조성을 분석하여 자연수소 부존지역을 선정하게 된다. 구체적으로 수소 누수(Hydrogen seepage) 양상을 지하수, 우물, 샘, 약수터, 하천가에서 거품 발생여부를 관찰하는 단계와, pH, EC, SO4 성분을 조사하는 단계와, 가스 성분을 정량분석하는 단계를 포함할 수 있다.
빈번한 마그마 활동과 열수작용 그리고 복잡한 지질구조의 가지고 있는 한반도는 석유 및 연료가스의 부존을 불가능하게 만들었지만, 역설적으로 같은 이유로 자연수소의 부존 가능성은 오히려 충분할 것으로 판단된다. 다음 세 지역은 국내에서 자연수소가 생성되고 부존될 가능성이 매우 높은 지역이다.
경상분지의 영양 소분지와 의성 소분지 하부의 현무암, 사문암 및 철광 분포지 지역 (경북 봉화/영양지역. 안동-예천 지역, 경북 영덕/포항 지역)
도 4는 경상누층군의 영양과 의성 소분지에서 산출되는 현무암의 분포를 나타낸 것이다. 그리고 도 5는 영양 소분지의 중력이상값(Lim et al., 2019), 지진파 속도이상과 열류량의 분포(Song et al., 2020)와 지하수 조성(pH)의 특성(data from KIGAM)을 나타낸 것이다.
한반도에 분포하는 경상분지는 영양, 의성, 진주 소분지(sub-basin)로 구성되어 있으며, 중생대 백악기-신생대 동안 화산활동으로 형성된 화산암과 호수환경에서 퇴적된 쇄설성 퇴적암이 교호하면서 수 km 두께로 산출되는 지역이다. 영양과 의성 소분지에는 수 십 km의 연장성을 갖고 두께가 수 m-수 십 m인 현무암(예, 오십봉 현무암, 채약산과 학봉 현무암)이 쇄설성 퇴적암 내에서 협재되어 산출된다(도 4 참조).
특히 영양 소분지에서 산출되는 오십봉 현무암은 감람석과 휘석이 반정으로 산출되면, 열수작용에 의해 행인상구조(amygdaloidal texture)가 나타난다. 또한 이 현무암체는 지표에서 최대 약 1km 깊이에 존재한다 (도 4 참조).
기존 한반도 전체의 중력이상 (isostatic anomaly), S파 속도 이상(velocity anomaly)과 지각 열류량(heat flow) 분석 결과를 보면 (도 5 참조), 영양과 의성 소분지가 분포하는 지역에서 지진파의 속도가 매우 느리고 열류량이 높게 나타난다. 이런 지구물리 탐사 결과는 이 지역 지각 내의 고온의 유체가 존재할 가능성이 매우 높음을 시사한다.
또한 해당지역의 지하수의 pH는 8.0-9.0로 알카리 성분을 보이며, 높은 pH를 보이는 지하수의 분포와 지하에 현무암이 분포하는 위치가 일치하는 경향을 보인다(도 5참조). 따라서 이 지역은 자연수소 부존 가능성이 매우 높은 지역으로 판단되며, 향후 정밀 지질조사와 지하수 및 지구물리탐사 분석법을 앞서 언급한 도 5에 도시된 자연수소 부존 가능지역 선정방법을 통해 자연수소 부존을 확인할 수 있을 것이다.
태백산 분지에 분포하는 조선누층군 및 평안누층군 하부의 철광 광화대 지역 및 섬장암을 수반하는 peralkalic 마그마 관입이 있는 지역 (양양철광 및 신예미 철광)
강원도 양양에 위치하는 양양 철광상은 선캄브리아 시대 편마암류를 기반암으로 섬장암 압쇄대에 배태된다. 양양 철광화작용은 자철석이 수반되며 대부분 열수 변질작용과 밀접한 연관성을 보인다. 기존 철광상의 성인에 대한 연구결과를 보면(김동우, 2013), 양양 철광상의 성인은 심부의 화성암체로부터 공급된 고온성 마그마 기원의 열수가 섬장암 암체의 전단대를 중심으로 유입되며 파쇄된 섬장암을 따라 교대작용에 의하여 렌즈 상의 광체로 배태된 것으로 해석하였다.
이와 같은 지질학적 분포와 조건은 앞에서 전술한 자연수소의 생성 조건과 매우 유사하다. 따라서 앞서 언급한 도 5에 도시된 자연수소 부존 가능지역 선정방법을 통해 자연수소 부존을 확인할 수 있을 것이다.
경기육괴와 영남육괴 내에 고철질 암체 (사문암, 활석, 탄산규산염암)가 소규모로 분포하는 지역 (충남 홍성과 유구지역, 경기도 가평지역, 경남 울산 및 가야 지역)
도 6은 경기도 가평지역에서 산출되는 사문암의 구성광물(사문석과 자철석)을 보여주는 편광현미경 사진을 나타낸 것이다.
경기도 가평지역과 충남지역에서 소규모의 사문암체가 기반암인 호상편마암 내에서 산출된다.
이들 지역에서 산출되는 사문암체는 감람석과 휘석이 잔류 형태 나타나고 열수와 반응에 의해 사문석과 자철석을 생성되었다(도 6참조).
이와 같은 광물조성은 전형적으로 Fe2+을 함유한 광물(감람석, 휘석 등)과 열수의 반응과정에서 물의 환원 반응을 통해 생성되는 자연수소가 생성됨을 지시한다. 따라서 앞서 언급한 도 5에 도시된 자연수소 부존 가능지역 선정방법을 통해 자연수소 부존을 확인할 수 있을 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법에 대해 설명한다. 즉, 앞서 언급한 자연수소 부존가능 지역 선정방법에 의해 선정된 자연수소 부존가능 지역에 대한 정밀 탐사방법에 대한 것이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 지구물리탐사법을 통해, 부존 가능 지역 주변 영역에 대해 지진파 속도 이상과 중력 이상치를 분석하게 된다. 즉, 앞에서 언급한 자연수소가 부존될 수 있는 최적의 지역을 선정, 결정한 후, 다음 단계에서는 부존 지역의 지질학적 정보를 기반으로 정밀 지구물리 탐사가 수행된다. 지진계, 중력계 또는 자력계를 이용하여 최적의 부존 지역 주변 반경 5km 지역에 대해 지진파 속도이상과 중력이상치를 분석한다. 구체적으로, 지진파와 중력이상치를 분석하여 지하 심부의 물질의 상태와 온도를 분석하는 단계와, 자철석 광체 주변 암석의 종류와 관입한 화성암체의 화학조성을 분석하는 단계를 포함할 수 있으며, 분석 결과는 자연수소 부존 지역의 지하 5-10km 깊이의 물질의 상태와 온도 등을 해석할 수 있다.
그리고 원격탐사법을 이용하여 지표 온도 및 수직 변위를 모니터링 하게 된다. 지표로 분출되는 수소가 검출시, 해당 지역에 대해 위성 또는 드론을 이용한 원격탐사법으로 정밀 지표 변위를 측정하게 된다. 지표로 수소가 다량 분출되는 지역에 대해서는 원격탐사법을 적용하여 지표의 온도 변화 등으로 인한 지표 지형의 수직 변위 등을 보다 정밀하게 해석하게 된다. 이 자료는 자연수소 부존 지역을 보다 정확하게 결정하는 자료로 활용된다.
다음으로, 지표 암석에 수소검출기를 설치하고, 모니터링하게 된다. 지구물리탐사법으로 결정한 자연수 분출 지역의 지속적인 분출량 및 가스성분을 모니터링하게 된다. 즉, 수소검출기를 설치하여, 주기적으로 지하수를 채취하여 자연수소 방출량과 지하수의 화학조성을 모니터링하게 된다. 이후 모든 탐사/분석 자료를 바탕으로 자연수소 시추를 수행하게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (12)
- 지각이나 맨틀 내에서 지구 내부에너지의 변화에 따른 고체-고체 또는 고체-유체의 반응을 통해 무기적으로 생성되는 자연수소의 부존 가능 지역을 선정하는 방법으로서,
정밀지표 지질조사를 진행하여 고철질 암석, 또는 자철석 광체와 화성암체가 분포하는 지를 판단하는 제1단계;
고철질 암석 또는 자철석 광체가 분포하는 경우, 발생한 자연수소가 지하 천부에 부존될 수 있는 지질조건을 만족하는지를 판단하는 제2단계; 및
지질조건을 만족하는 경우, 해당 지역의 지하수 및 가스의 화학 조성을 분석하여 자연수소 부존지역을 선정하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 자연수소는,
대륙과 해양에서 마그마로부터 분출되는 수소 가스, 암석의 대규모 파쇄과정에서 생성되는 수소 가스, 자연 방사선에 의한 물의 분해과정에서 생성되는 수소 가스, 또는 Fe2+을 함유한 광물과 열수의 반응과정에서 물의 환원 반응으로 생성되는 수소 가스인 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법.
- 제 2항에 있어서,
상기 Fe2+을 함유한 광물과 열수의 반응과정에서 물의 환원 반응으로 생성되는 수소 가스는, 이하의 반응식 1,2에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법:
[반응식 1]
[반응식 2]
- 제 1항에 있어서,
상기 제1단계는, 고철질 암석의 종류 및 조성비를 조사하는 단계와, 열수 변질 작용의 특징을 조사하는 단계와, 자철석 광체 주변 암석의 종류와 관입한 화성암체의 화학조성을 분석하는 단계와, 지질 구조의 시공간적 분포를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법.
- 제 4항에 있어서,
상기 제2단계에서,
상기 지질조건은 덮개암과 저류암 역할을 할 수 있는 지질 조건인 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법.
- 제 5항에 있어서
상기 제3단계는,
수소 누수(Hydrogen seepage) 양상을 지하수, 우물, 샘, 약수터, 하천가에서 거품 발생여부를 관찰하는 단계와, pH, EC, SO4 성분을 조사하는 단계와, 가스 성분을 정량분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 가능 지역 선정방법.
- 지각이나 맨틀 내에서 지구 내부에너지의 변화에 따른 고체-고체 또는 고체-유체의 반응을 통해 무기적으로 생성되는 자연수소의 부존 가능 지역에 대한 지역 정밀 탐사방방법으로서,
지구물리탐사법을 통해, 상기 부존 가능 지역 주변 영역에 대해 지진파 속도 이상과 중력 이상치를 분석하는 제1단계;
원격탐사법을 이용하여 지표 온도 및 수직 변위를 모니터링 하는 제2단계;및
지표 암석에 수소검출기를 설치하고, 모니터링하는 제3단계;를 포함하고,
상기 제1단계는,
지진파와 중력이상치를 분석하여 지하 심부의 물질의 상태와 온도를 분석하는 단계와, 자철석 광체 주변 암석의 종류와 관입한 화성암체의 화학조성을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법.
- 삭제
- 제 7항에 있어서,
상기 주변영역은 반경 4 ~ 6km 지역이고, 상기 지하 심부는 지하 5 ~ 10km깊이인 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 제2단계에서,
지표로 분출되는 수소가 검출시, 해당 지역에 대해 위성 또는 드론을 이용한 원격탐사법으로 정밀 지표 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법.
- 제 10항에 있어서,
상기 제3단계에서,
상기 지구물리탐사법으로 결정한 자연수 분출 지역의 지속적인 분출량 및 가스성분을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법.
- 제 11항에 있어서,
상기 수소검출기를 설치하여, 주기적으로 지하수를 채취하여 자연수소 방출량과 지하수의 화학조성을 모니터링하는 것을 특징으로 하는 자연수소 부존 지역 정밀 탐사방법.
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