독도 주변수역 해저 광물자원의 분포와 경제적 가치
석봉출
삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 해양의 중요성을 인식하면서도 해저 광물자원에 대한 조사는 미흡한 실정이다. 역사적으로 최초로 우리나라 해역을 조사한 것은 지금부터 217년 전인 1787년 프랑스의 라페루즈가 우리나라 남동해역과 대한해협을 지나 독도 남쪽의 울릉분지까지 항해하면서 해양조사를 실시한 것이 그 효시이다. 라페루즈 일행에 의한 조사에서 그들은 우리나라 근해의 수심을 측량하고 남동해안을 스케치했으며 해저상태도 간략히 기술한 점으로 미루어보아, 아마도 최초로 우리나라의 해저상태에 대한 기록을 남겼다고 할 수 있다.
당시에는 역사적 가치관에 의한 선조의 생활방식으로 인해 이러한 결과가 빚어졌으나, 최근 들어서는 해양이 우리 생활과 밀접하게 관계돼 있고 정치·경제적으로 바다의 유용성 및 자원개발에 대한 관심이 높이 평가되고 있다. 한반도 주위의 해저 광물자원에 대한 과학적 조사는 1960년대 들어와 황해와 동중국해, 그리고 동해 남부의 해저 석유자원 부존 가능성을 대상으로 최초로 실시됐으며, 이와 함께 한반도 해저의 지형과 지체구조가 파악되기 시작했다. 특히 1990년대에 들어와 우리나라는 동해는 물론 대양에서도 해양조사가 가능한 종합 해양조사선이 건조돼 해저환경 및 자원탐사 활동이 본궤도에 진입하게 됐다. 독도를 포함한 동해의 유망한 해저자원으로는 천연가스, 인산염광물 및 21세기 대체에너지 신자원으로 각광받을 메탄수화물 자원 등을 들 수 있다.
여기서는 지정학적 가치로 가장 중요하게 부각되는 독도를 포함한 동해수역의 해저지형 및 그 환경특성을 간략히 소개하고 동해 남부 대륙붕에 부존돼 개발에 박차를 가하고 있는 천연가스 자원, 그리고 동해 대륙사면과 심해저에 부존 가능한 21세기 신에너지 자원인 메탄수화물 자원, 그리고 동해의 독도 인근해역의 해저산 및 한국대지역에 분포하고 있는 인산염광물 자원에 대해 살펴보기로 한다.
동해와 독도의 특징을 살피면
동해는 평균수심이 약 1,400m, 면적은 약 100만㎢로 전 세계 해양의 0.3%를 차지하는 해역으로, 한국, 일본, 러시아로 둘러싸여 있어 지정학적으로 매우 중요한 지역이다. 아울러 지질학적으로는 활발한 지각운동이 일어나고 있는 환태평양 화산 및 지진대에 접한 전형적인 배호상분지이다. 동해는 해저자원의 측면에서는 석유·천연가스 자원, 인산염광물과 메탄수화물 자원 등의 부존 가능성이 높으며 그 밖에도 해저 광통신케이블 및 해저 파이프라인 건설 등 해저구조물 설치·이용 면에서는 물론, 해양오염 및 유해 폐기물의 투기, 지진, 해일 등 자연재해 예방 및 해역방위 등에서도 그 중요성이 부각되고 있다.
동해는 1930년대 일본 학자에 의해 처음으로 조사됐다. 그후 주로 일본, 미국 및 구소련 학자 등에 의해 조사가 실시됐으나 1980년대 들어서면서부터 우리나라 주도의 연구가 수행되고 있다.
그 결과 동해는 지형학적으로 크게 일본분지, 대화분지, 울릉분지로 구분되며, 이들 분지는 한국대지, 오키뱅크, 대화퇴로 분리되어 있다. 각 분지의 해저면은 몇 개의 해저산을 제외한다면 대체적으로 완만한 편이다. 동해의 최북부에 있는 일본분지의 최대수심은 3,500m에 달하지만 우리나라 독도, 울릉도 부근의 울릉분지는 이보다 얕은 1,500~2,000m 깊이를 나타내고 있다. 동해의 우리나라 연안은 좁은 대륙붕으로 특징지어지며, 바깥쪽으로 갑자기 깊어지는 대륙사면을 지나 약 2,000m 깊이의 동해 해저면과 연결된다.
동해의 해수는 4개의 해협, 즉 타타르해협(15㎞), 소야해협 (55㎞), 쓰가루해협(130㎞), 대한해협(130㎞)을 통해서 오호츠크해, 북태평양, 그리고 동중국해와 교환된다. 동해는 이러한 좁고 얕은 해협의 지형 때문에 과거 수차례 반복된 빙하기 동안에 인근 대양으로부터의 해수 유입과 동해 내 해수의 순환이 정체되거나 제한됐으며, 특히 동해의 퇴적작용 및 수층의 특성은 현재의 간빙기가 시작되는 약 1만 년 전을 경계로 큰 변화를 겪었을 것으로 추정된다.
동해 울룽분지 북동연 변역에 위치하며 지질학적으로 신생대 제3기말 플라이오세 전기부터 후기인 약 460~250만 년 전에 생성된 독도는 삼척으로부터 239㎞, 울릉도 남동향으로부터 9㎞ 떨어져 있다. 독도는 주변 수심 2,000m에서 솟은 화산섬으로 밑바닥의 지름은 20~25㎞이며, 그 동쪽에 물에 잠겨 있는 2개의 큰 해저화산도와 함께 주변에 산재한 32개의 부속도와 56개의 암초로 구성돼 있다. 그러나 해면 위로 노출돼 있는 동도와 서도를 제외하고는 대부분이 물에 잠겨 있다.
동해 대륙붕의 해저석유·천연가스 자원
19세기 이후 물질문명의 발달로 석탄을 에너지로 사용함으로써 산업혁명이 일어나게 됐고, 그후 가솔린엔진의 발명으로 석유 및 천연가스 등을 자동차나 항공기의 연료로 사용하면서 화석에너지의 사용량이 급격히 늘었다. 또한 석유는 에너지자원뿐만 아니라 석유화학의 기초재료로 많이 사용되고 있다. 우리나라의 경우에는 총 에너지소비의 60% 이상을 수입원유에 의존하고 있으며, 천연가스의 수입도 꾸준히 증가하는 추세이다. 그러나 석유매장량은 중동과 북부아프리카 등 일부 지역에 편중돼 있어, 비산유국인 우리나라는 에너지소비에 충당할 석유자원의 확보에 노력해야 하는 실정이다.
동해의 육상에서 해저로 연결되는 대륙붕(대륙연변부)에는 석탄, 석유, 천연가스 등의 미개발 자원이 상당량 부존되어 있다. 또한 대륙사면 및 심해평원에서는 메탄수화물 자원, 그리고 해저산 및 해저대지에는 인산염광물의 부존 가능성이 대두되고 있다. 특히 석유의 경우 현 산유량의 약 30% 정도는 해저유전에서 생산되고 있다. 이러한 관점에서 우리나라 동해대륙붕에 부존 가능한 석유 및 천연가스의 생성과 개발과정을 이해하고 에너지자원의 효율적인 활용과 개발에 관심을 기울여야 한다.
석유라고 하면 흔히 원유만을 생각하기 쉽다. 그러나 석유와 천연가스는 대체로 함께 산출되며 같은 화합물을 가지고 있고 그 기원도 동일하다. 석유는 돌에서 나온 기름이란 의미로 탄화수소(탄소와 수소)로 이뤄진 화합물이다. 석유와 천연가스는 지질시대에 살던 생물이 남긴 유해로 퇴적층 내에 부존돼 있는데, 담수성 퇴적물보다는 해양성 퇴적물에 풍부하게 존재한다. 퇴적된 유기물(동식물의 유해)이 지하 깊은 곳에 매몰돼 오랫동안 열과 압력을 받으면 석유가 생성된다. 원유와 가스는 고생대 이후의 모든 지층에서 산출되나 신생대 지층에 총 석유매장량의 약 60%가 들어 있고, 중생대 지층에 25%, 고생대 지층에 15%가 들어 있다.
대륙붕에서 가장 많이 석유를 함유한 지층구조인 배사구조는 현재 한국석유공사가 개발중인 동해 울산 앞바다 6-1광구의 돌고래 및 고래구조처럼 퇴적 당시에는 수평이었던 지층이 이후의 지각변동에 의해 위로 구부러진 아치 모양의 구조를 가진 곳이다.
우리나라는 동해남부 대륙붕 6-1광구 고래Ⅴ 구조에서 양질의 천연가스 발견에 성공했다. 지난 2002년 산출시험을 실시해 일일 천연가스 7,500만ft3와 초경질유(콘덴세이트) 1,546배럴이 산출되는 결과를 얻었다. 이번에 발견된 가스층은 두께 약 106m에 예상 가채매장량은 340~400만 톤 규모에 달하는 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라 새로 확인된 가스층은 산출시험 결과 분출압이 2,000PSI로 이전 고래Ⅰ 구조의 2배에 달하고, 일일생산량 또한 300만ft3보다 25배 많다. 이 양은 금액으로 약 7~8억 불에 해당되며 부산의 일일소비량(4천만ft3) 기준으로 약 15년간 공급할 수 있는 물량이다. 특히 이 지역 옆에는 비슷한 구조가 여러 곳 발견돼 천연가스의 양은 향후 더욱 늘어날 전망이다.
독도 주변수역의 미래형 광물자원
세계적으로 가까운 장래에 다가올 화석에너지 자원(석유·천연가스 등)의 고갈에 대비해 선진 각국은 자국 해양의 배타적 경제수역(EEZ) 내에서 신자원 개발에 박차를 가하고 있다. 그 중 중요한 비재래식 미래형 에너지자원인 해저 메탄수화물은 메탄이나 에탄 등 저분자가스가 어떤 온도·압력조건하에서 물분자와 결합해 형성되는 결빙상태의 고체물질로, 메탄수화물 1m3에는 메탄가스가 164 가 농축돼 있으며, 특히 심해환경 같은 고압하에서는 0 이상의 온도에서도 안정하게 존재하는 것이 특징이다. 또한 메탄수화물층의 투과성은 현저히 낮기 때문에 덮개암의 역할을 하여 그 하부에 유리(游離)가스의 저류층이 존재 가능한 것도 주목할 만한 일이다.
메탄수화물의 기원은 두 가지로 설명될 수 있는데, 첫 번째는 해저 미생물의 발효에 의해 발생되는 생물분해 기원과, 두 번째는 가스와 생물의 유해가 지층 속에서 열과 압력을 받아 발생되는 열분해 기원이다. 전 세계적으로 가스수화물이 부존된 지역에서 심해 시추자료에 의해 확인된 천연가스 수화물의 대부분은 생물분해에 의해 형성되는데, 이는 박테리아가 생물의 유해를 분해시키고 메탄가스를 분비해 물분자와 결합하여 수화물을 형성하게 되는 것이다. 따라서 유기물의 유해가 풍부하고 이들 물질이 산화되기 전에 빠른 퇴적작용이 일어나는 환경에서 메탄수화물의 생성이 용이하다.
우리는 가스가 보통 기체상태로 존재하고, 천연가스의 경우에는 섭씨 영하 162 정도에서 액체로 존재하는 것으로 알고 있는데, 영하 10 정도에서 안정된 얼음 형태로 존재하는 메탄수화물에 대해서도 깊은 관심을 가질 필요가 있다. 실제로 해저에서 메탄수화물이 안정되게 얼음과도 같은 결빙상태의 고체물질로 존재하기 위해서는 저온·고압의 조건이 이루어져야 한다. 즉 0 에서는 26기압, 10 에서는 78기압이 필요하므로 해저 온도가 0 일 때는 260m 이상의 수심이, 10 일 때는 780m 이상의 수심이 필요하다. 그리고 지층 심도가 2,000m를 넘어서면 지온의 증가로 인해 수화물이 형성되지 못하는 것으로 알려져 있다. 따라서 메탄수화물이 안정되게 존재하기 적합한 지형은 영구 동토지역이나 심해저 하부 퇴적층으로 온도·압력의 평형이 이루어진 영역이라고 할 수 있다.
메탄수화물은 95% 이상이 메탄으로 이루어져 열량이 우수하며 연소시 천연가스와 알코올보다도 적은 이산화탄소의 발생으로 다른 화석연료에 비해 공해를 크게 감소시키는 효과가 있다. 예를 들면 단위칼로리당 발생하는 이산화탄소의 양을 천연가스가 1이라 할 때 석유는 1.4배, 석탄은 2배 발생시킨다.
가스수화물의 존재는 이미 100년 전 프랑스에서 실험실적으로 알려졌지만, 자연상태에서 발견된 것은 1930년대에 천연가스 생산파이프가 막히는 원인의 물질이 메탄수화물이란 것을 알았고, 1967년에는 시베리아의 동토대에서 채취·확인했다. 지구 표면의 약 71%에 해당하는 해양에는 미래의 신에너지자원인 메탄수화물 자원이 막대하게 매장돼 있다. 지금까지 밝혀진 세계의 총매장량은 약 1,650조m3로, 이는 1993년에 확인된 재래형 천연가스의 확인 매장량 138조m3의 12배에 해당되는 양이다.
수화물의 분포는 일반적으로 석유나 천연가스와 달리 덮개암 없이도 집적이 가능하므로 매우 다양한 형태로 나타난다. 특히 심해저 메탄수화물의 경우 일반적으로 심해저 천부층에서부터도 존재하기 때문에 전 세계적으로 매우 광범위하게 분포하고 있다. 특히 메탄수화물은 북극을 중심으로 한 알래스카, 캐나다, 시베리아, 노르웨이뿐만 아니라 동토대 지역 육상과 알라스카 주변해, 미국 동서부, 멕시코만, 일본 근해, 인도 근해 및 흑해 등 500m 이하의 심해저 퇴적층에서 대량 발견되고 있다. 메탄수화물층은 또한 매우 낮은 투수율을 가지므로 하부에 존재하는 석유 혹은 천연가스의 방출을 억제하는 좋은 덮개 역할을 하기도 한다.
우리나라 동해에서 메탄수화물의 존재는 1992년 동해에서 실시한 한국·러시아 국제공동 지구물리 탐사를 통해 러시아의 오호츠크해와 유사한 지질구조 특성과 함께 그 존재 가능성이 처음으로 확인됐으며, 일본 주변해역에서도 막대한 양의 메탄수화물이 매장돼 있음이 확인됐다. 한국 동해의 울릉분지 주변해역은 해저수온이 0~1 , 지온구배는 37∼39 /㎞, 해양퇴적물의 열수치는 2.35HFU(heat flow unit)이고, 코아 퇴적물로부터 측정된 평균 유기탄소 함유량은 2~3%로 충분히 메탄을 함유하고 있으므로 가스수화물의 부존이 가능한 환경이다.
또한 간접적인 지질학적 증거로는 울릉분지의 퇴적물을 불안정하게 하는 해저사태와 같은 것의 원인이 메탄수화물의 방출에 의한 것으로 추정되고 있다. 또한 지구 물리탐사 자료로부터 가스분출에 의해 해저면이 움푹 파인 형태로 나타나는 폭마크(pock mark)로 추정되는 것도 여러 곳에서 관측된 바 있다. 그리고 90년대 말 동해 대륙붕, 대륙사면과 울릉분지 내에서 획득한 심부 탄성파자료와 코아자료로부터 메탄수화물의 존재 가능성을 확인했다. 특히 탄성파 기록에서는 메탄수화물의 존재를 시사하는 강한 반사면을 확인했다. 그리고 시추시료에서 메탄수화물로부터 이동한 표층가스에 의한 가스맥의 발견과 시추 퇴적물의 팽창 등을 관측했다.
현재 우리나라의 메탄수화물 자원 탐사능력은 탐사 전문가, 탐사장비의 대부분이 확보돼 국내 기술수준에 의한 탐사가 가능하게 됐다. 그러나 현재 실질적이고 체계적인 정밀연구가 뒤따르지 않고 있는 실정이다. 그러므로 에너지자원이 빈약한 우리나라에서는 시급히 메탄수화물에 대한 각 분야 전문가로 구성된 전문팀을 구성해 선진국에서 유출을 꺼리는 자료의 확보는 물론이고, 미국, 러시아, 일본 등과 연계해서 기초적이고 체계적인 연구활동을 벌임으로써 우리 자체의 기술수준을 향상시키고 자체의 탐사·검층·회수·생산기술을 확보함으로써 21세기 미래형 신자원 확보에 총력을 펼쳐야 할 것이다.
독도 주변수역의 인산염 광물자원
인산염광물은 대부분 인산비료의 제조나 합성세제, 도금표면 처리제, 가축사료 제조 등 다양하게 이용되고 있다. 우리나라는 육상에서 인광석이 산출되지 않아 전량을 해외에 의존하고 있다. 세계적으로 인광석의 산출지는 매우 드물어 상업개발이 가능한 인광의 91%가 모로코, 미국, 러시아, 남아공에 편중돼 있다.
인산염암은 P2O5가 20% 이상 함유된 암석으로, 성인과 산상에 따라서 다양하게 나타난다. 인산염암은 성인에 의해 퇴적기원 및 화성기원 인산염암, 구아노로 구분된다. 퇴적기원의 인산염암은 원양성 퇴적물이 주로 공급되는 용승해역에서 일차적으로 형성된 것과, 다양한 기원의 쇄설성 퇴적물이 퇴적된 이후에 공극수 내에 용존된 인산염에 의해 이차적으로 형성된 것으로 구분된다. 전 세계 인산염암 생산의 75%는 해양퇴적 기원의 광상에서 산출되고 있다. 화성기원의 인산염암은 관입암체, 열수암맥, 페그마타이트 내에서 배태된 것이다. 구아노는 해양생물 또는 박쥐 등 생물체들의 배설물에 의해서 형성된 인산염암으로, 전체 인산염암의 1% 정도를 차지한다.
인산염암은 또한 산출상태에 의해서 층상, 각상, 피복상, 단괴상으로 각각 구분된다. 특히 해양퇴적 기원의 인산염암은 수심이 얕고 쇄설성 퇴적물의 공급이 거의 이루어지지 않으며, 용승이 일어나는 대륙붕 가장자리에 집중돼 있으며, 대륙으로부터 멀리 떨어져 있고 상대적으로 수심이 얕은 해저산과 해저평정화산 등에서 형성되기도 한다.
러시아는 1970년대 말 오호츠크해에서 최초로 인산염암의 부존을 확인했고, 이후 러시아 과학자들에 의해 약 50군데의 동해 해역에서 인산염암이 채취됐다. 동해의 인산염암은 대부분 해저화산, 해저산, 해양대지, 대륙붕에 인접한 대륙사면 등에서 발견됐다. 동해에 부존된 인산염암은 그 대부분이 초기 마이오세의 자갈, 사암, 규조암 등의 인회석화 작용에 의해 생성됐고, 그 중 일부는 후기 마이오세의 탄산염 연니와 점토·규조 연니에 의한 것으로 해석됐다.
지금까지 우리나라 육상에서의 인산염 광물의 산출은 모나자이트 사광이나 석회암 내 접촉교대 광상 또는 열수충진 광상으로 형성된 인회석 등이 보고된 적이 있으나, 해양에 부존된 인산염암 연구는 극히 미미하다. 1990년 러시아 과학자들은 동해의 대륙사면과 얕은 수심의 대지 등에서 채취한 제3기 마이오세에 형성된 인산염암을 보고한 바 있다.
독도 북쪽의 한국대지 사면에는 초기~후기 마이오세의 퇴적층이 해저면에 노출돼 있으며, 이 퇴적층의 일부 구간에서 인회석화 작용을 받은 것으로 추정된다. 이 인산염암의 P2O5 함량은 약 30%에 이르러 경제적 가치가 충분히 있는 것으로 평가된다. 이곳에는 층상으로 형성된 인산염암의 두께가 약 20m에 이르는 것으로 보고됐다. 인회석을 포함한 인산염암은 이암에 포함된 우라늄 함량보다 약 30배 이상 높은 우라늄(120ppm)과, 비록 채취지역에 따라 함량의 차이가 크지만 바나듐(17~300ppm) 등을 함유하고 있어 개발의 가치가 큰 암석이다.
그럼에도 불구하고 한국대지에 형성된 인산염암의 부존상태 및 부존량 등에 대한 자세한 정보는 아직까지 미미한 상태이다. 따라서 독도 북부 한국대지는 물론 인근 수역에 존재하는 해저산이나 대륙사면의 노출 퇴적암층에 부존 가능한 해저 유용 광물자원에 대한 정밀연구는 경제적인 측면뿐만 아니라 고해양학적인 학술적 측면에서도 중요하다.
연구와 개발에 박차를 가해야
20세기 산업과 문명의 비약적 발전은 자원의 활용과 기술혁신에 의해 주도됐다. 그러나 21세기 첨단 기술혁명 시대를 맞아 세계는 육상 금속자원의 감소와 고갈 등 심각한 자원 공급문제에 직면하게 됐으며, 이의 해결방안의 하나로 해양에 부존하고 있는 막대한 양의 해저부존 광물자원을 개발하려는 계획을 구체화시키기에 이르렀다.
석유·천연가스는 사회·경제활동의 유지·발전을 도모한다는 점에서 중요한 열쇠이지만, 석유는 1990년대 중반 이후 공급의 불안정화, 수급의 급속한 증가가 예상되고 있다. 특히 최근 계속되는 석유 무기화에 의한 산유국들의 감산합의에 따라 유가상승은 필연적인 것으로 대두되고 있다. 유가가 배럴당 1불만 상승해도 우리나라의 경우 9억 불의 추가부담이 확실시된다. 1999년 산유국의 감산합의 이전 배럴당 12불이던 것이 현재는 40불에 이르렀다.
따라서 현재 전량을 해외수입에 의존하고 있는 우리나라의 경우 사용량 자제는 물론, 대체에너지 개발 등 장기 수급전망에 따른 국가적 정책대안이 필요하다. 또 천연가스는 공급형태에 제약이 있지만, 석유 대체에너지의 하나로서 지구환경에 대한 부하가 상대적으로 낮은 현실적인 에너지로 금후 그 수요의 증가가 예상된다. 이러한 상황하에서 이들 자원의 거의 전량을 수입에 의존하는 우리나라로서는 중장기적인 안정 공급체제의 확립이 우리나라의 사회·경제활동의 안정적 발전에 연결된다는 인식을 하고 국제협력을 기본으로 한국의 에너지정책 전반과 조화를 이루면서 우리나라 동해의 석유·천연가스의 탐사·개발을 적극적으로 추진해 나가야 한다.
또한 세계는 21세기에 들어와 화석에너지 자원의 고갈과 환경오염 및 지구 기후변화 등 여러 가지 어려움에 직면하고 있지만, 현재 에너지자원 측면에서는 기존 화석에너지 자원을 대체할 만한 획기적인 에너지원을 개발하지 못하고 있는 실정이다. 환경적인 측면에서도 화석에너지 사용에 따른 환경오염과 지구온난화가 날로 심각해지고 있다.
이러한 시점에서 선진 각국들이 메탄수화물에 대한 연구 및 개발을 서두르는 이유는 바로 위에서 언급한 두 가지 측면을 해결할 수 있다는 데 있다. 즉 메탄수화물은 막대한 매장량과 사용에 따른 유해물질 방출이 현저히 적은 청정에너지원이고, 또한 지구온실화의 원인이 되는 메탄가스가 대기중에서보다 3,000배나 많이 함유된 가스수화물을 자원으로 활용할 수 있기 때문이다.
그러나 상업적 생산을 위한 기술개발이 아직까지는 미미하며, 메탄수화물 내에 함유된 메탄가스가 지구환경에 미치는 영향에 대해서도 확실히 밝혀진 상태는 아니다. 그러므로 선진 각국들은 메탄수화물에 대한 연구 및 개발을 국가사업 차원에서 활발히 진행하고 있는 것이다. 따라서 우리나라도 시급히 메탄수화물 자원은 물론 독도 인근수역에 부존 가능한 유용해저 광물자원인 인산염암 등의 개발에 박차를 가해 해저 광물자원의 확보뿐만 아니라 지구환경의 보전 측면에서도 획기적인 전기를 마련해야 할 것이다.
