1. 서 론

광산 개발, 댐 건설, 인공적인 유체 주입 혹은 생산 등의 인간 활동으로 발생되는 지진을 유발지진(Induced seismicity) 혹은 촉발지진(Triggered seismicity)라고 하며, 약 1,200여 건의 유발지진 혹은 촉발지진 사례가 보고된 것으로 알려진다(HiQuake, 2021). 통상 유발지진에서 절반 이상을 차지하는 유체 주입에 의한 유발지진은 공극압의 증가에 따른 유효응력의 감소가 균열 혹은 단층면의 미끄러짐을 유발하는 것으로 널리 알려져 있다. 하지만 유체 생산에 따른 유발지진 또한 약 120건 이상으로 유발지진의 주요한 원인이 되고 있다. 유체 생산으로 인한 유발지진은 주로 전통적인 석유와 가스 생산, 지열 발전을 위한 수증기 생산, 그리고 지하수 생산 등으로 인해 발생하며, Fig. 1은 유체 생산에 따른 유발 지진의 요인별 현황 및 지진 규모를 나타낸다.

Fig. 1.

(a) The portion of the fluid extraction induced seismicity in total; (b) Distribution of the maximum magnitude of the fluid extraction induced seismicity (Production based on HiQuake database, 2021)

유체 생산에 의한 유발지진 중 가장 규모가 큰 사례는 우즈베키스탄의 가즐리(Gazli) 가스전에서 1976 년에 발생한 규모 7.3 의 지진이다(Foulger et al., 2018). 최근 영국 뉴디게이트(Newdigate)에서도 규모가 2 이상인 네 번의 지진이 관측되었는데, 석유전과 8 km 밖에 떨어져 있지 않아서 석유 생산으로 지진이 유발되었을 가능성이 제기되고 있다(Baptie and Luckett, 2018). 서유럽 최대의 가스전인 네덜란드의 흐로닝언(Groningen) 가스전에서는 오랜 시간의 가스 생산으로 인하여 1991 년부터 지진이 관측되었으며, 2012년에는 규모 3 이상의 지진이 발생하여 이후 가스생산을 조절할 수 밖에 없었다(van Thienen-Visser and Breunese, 2015). 프랑스의 라크(Lacq) 가스전의 경우 가스 생산 이후부터 지진이 발생하여 규모 3 이상인 유발지진이 기록된 것으로 보고되었다(Bardainne et al., 2008). 지열 발전을 위한 지열수 생산으로 발생한 유발지진의 대표적인 사례는 멕시코 세로 프리에토 (Cerro Prieto) 지열 발전소로 규모 6 이상의 지진이 보고된 바 있다(Frez and Gonzalez, 1991).

본 기술보고에서는 유체 생산에 따른 유발지진의 원리를 공극 탄성 응력이론(Poro-elasticity)에 바탕을 두고 설명하고, 흐로닝언 가스전, 라크 가스전, 그리고 세로 프리에토 지열 발전소 사례를 다룬 기존 연구들을 소개 및 정리하여 아직은 우리나라에 익숙하지 않은 유체 생산으로 인한 유발지진 현상에 대해 보고하고자 한다.

2. 배경이론

2.1 유체 생산으로 인한 응력변화

유체의 주입 혹은 생산에 따른 저류층의 응력변화를 이해하기 위해서는 Fig. 2와 같은 모어 원(Mohr’s circle)의 변화와 파괴포락선이 흔히 이용된다. Fig. 2에서는 정단층 상태를 가정하였으며, Fig. 2(a)에서 공극압과 저류층 응력 사이의 관계가 독립적일 때는 모어 원이 크기는 일정하게 유지되면서 공극압의 변화에 따라 좌우로 이동한다. 유체를 생산할 때는 공극압 감소로 유효 응력이 증가하여 모어 원이 오른쪽으로 이동하고, 쿨롱의 파괴기준과 멀어지면서 안정적인 상태가 된다. 반대로 유체를 주입할 때에는 공극압이 증가하면 유효 응력이 감소해서 모어 원은 왼쪽으로 이동하게 되고, 쿨롱의 파괴기준과 가까워지면서 미끄러짐이 발생할 수 있다(Fig. 2(a)).

Fig. 2.

Mohr’s circle during fluid extraction (a) Assuming total stresses are independent of pore pressure; (b) influence of coupling on depletion-related rock failure; σh is effective minimum horizontal stress and σv' is effective vertical stress (Hillis, 2001)

그러나 실제 저류층에서는 공극압이 감소할 때 수평 응력이 함께 감소하여 수평 방향의 유효응력은 덜 증가하고, 이러한 수평 응력과 공극압 사이의 복합적인 거동(Coupling)으로 인하여 Fig. 2(b)와 같이 모어 원의 크기가 증가하여 단층면의 미끄러짐이 일어날 수 있다(Teufel et al., 1991, Hillis, 2001). 유효 수직 응력과 유효 수평 응력 사이의 비를 k라고 하면 수평 응력은 식 (1)과 같이 표현된다.

공극압 변화가 발생했을 때, 수직 응력은 상부 암석층의 무게로만 계산되어서 공극압 변화의 영향을 받지 않고 일정하므로 수직 응력의 변화량은 0이 된다. 따라서 수평 응력과 공극압 변화량만 식에 남아있게 되어 식 (1)은 식 (2)와 같이 정리될 수 있다.

이 식들은 Biot 계수인 𝛼가 1이라는 가정하에 정리되었으며, 만약 𝛼가 1이 아니라면 p는 αp 그리고 ∆p는 α∆p로 대체할 수 있다. k를 결정하는 방법은 여러 가지가 있으나 일반적으로는 아래의 식 (3)과 같이 포아송의 비(Poisson’s ratio)로 표현된다(Engelder and Fischer, 1994).

식 (3)에서 포아송의 비를 0.25로 고려하여 얻은 k 값을 식 (2)에 적용하면 수평 응력은 공극압 변화의 0.75 만큼 변한다는 결과를 얻을 수 있다. 실제 필드에서는 일반적으로 공극압이 감소한 양의 0.6~0.8 배만큼 수평 응력이 함께 감소하므로 유효 수평응력이 그만큼 적게 증가하게 된다(Teufel et al., 1991). 공극압의 감소 혹은 증가로 인한 응력의 변화량은 식 (4)를 이용하여 계산된다(Geertsma, 1973, Segall, 1992).

𝛼는 Biot 계수, Gij는 그린 함수(Green’s function)값, δij는 크로네커 델타(Kronecker delta, i=j이면 1이고 i≠j이면 0이다)이다. 식 (2)를 식 (4)에 적용한 후 저류층을 수평층이라고 가정한다면, 공극압과 응력의 복합거동을 고려한 저류층 주위에서의 수평 응력변화량은 식 (5)로 표현할 수 있다. 식 (5)에서 a3/a1는 저류층의 수평 길이에 대한 두께의 비를 나타내며, 저류층이 수평 방향으로 길고 얇은 형태일수록 a3/a1는 0에 가까워진다.

2.2 유체 생산으로 인한 단층의 발달과 지반침하

Segall and Fitzgerald (1998)에 의하면 단층의 미끄러짐은 쿨롱 응력(Coulomb stress)을 계산함으로써 판단할 수 있다. 저류층 주위의 응력이 공극압 변화에 따라서 식 (5)와 같이 변하고, 어떤 단층의 경사각이 θ라면 그때의 쿨롱 응력변화량은 식 (6)과 같이 계산할 수 있다.

저류층 주위에 존재하던 단층의 경사, 저류층의 크기, 그리고 공극압의 변화량을 알고 있다면 식 (6)을 통하여 단층에서의 쿨롱 응력변화량을 계산할 수 있다. 예를 들어 30°의 경사를 갖는 단층이 있는데 𝜇가 1이고, ∆p가 50MPa, 그리고 a3/a1가 4라면 쿨롱 응력변화량은 약 0.33 MPa이다. 이 정도의 응력변화는 일반적으로는 지진을 발생시키기에는 작은 값이지만, 기존의 단층이 거의 미끄러지기 직전의 임계 응력 상태였다면 충분히 미끄러짐이 유발될 수 있다.

식 (5)를 통해서 계산된 저류층 주변에서의 수평 응력변화와 그로 인한 단층의 발달 양상은 Fig. 3과 같다. 저류층의 위와 아래에서는 유체 생산으로 인해 공극압이 감소하면서 수직 및 수평 방향으로 압축 상태가 되고, 따라서 역단층이 발달하게 된다(Segall, 1989). 저류층에서 멀리 떨어진 경계 부분에서는 이러한 저류층 압축의 영향을 덜 받기 때문에 저류층의 중심 부분보다 상대적으로 인장 상태가 되고, 정단층이 발달한다(Teufel et al., 1991).

Fig. 3.

Calculated change in horizontal normal stress due to fluid extraction (Segall, 1989)

이와 같이 유체 생산으로 저류층의 압력이 감소하면 저류층 중심부는 압축 상태가 되면서 가장 큰 수직 변위가 발생하고 저류층 경계부는 인장 상태가 되면서 작은 값의 수직 변위가 발생한다(Geertsma, 1973). 이러한 저류층의 압축과 변형은 앞서 언급되었던 단층의 발달로 인한 유발지진과 함께 저류층 중심부 지표면에서의 지반침하까지 발생시킨다(Segall, 1992). 유체 생산으로 인한 지표면에서의 지반침하 정도는 식 (7)을 이용하여 계산할 수 있다.

여기서 B는 스켐톤 계수(Skempton’s coefficient), T는 저류층의 두께, vu는 포아송의 비(Poisson’s ratio), ∆m(t)는 시간에 따른 유체 생산량, ρo는 유체의 밀도, 𝜉-는 y-a/D, 𝜉+는 y+a/D이다. 여기서 a는 저류층 중심에서 경계까지의 수평거리, D는 지표면에서 저류층 상부까지의 깊이다. a/D = 1로 가정하고 라크 가스전의 물성을 적용하면 Fig. 4와 같은 형태의 지반침하 결과 그래프를 얻을 수 있다.

Fig. 4.

Vertical displacement due to fluid extraction; 𝜈=0.25, B=0.62, D=3.7, a=3.7, T=2, ρ₀=1; (after Segall, 1989)

3. 사례분석

3.1 네덜란드 흐로닝언(Groningen) 가스전

3.1.1 개요

흐로닝언(Groningen) 가스전은 1963년부터 가스 생산을 시작한 서유럽에서 가장 큰 가스전으로 면적이 30 km × 30 km 에 달하며 네덜란드 북동쪽에 위치하고 있다(Fig. 5). 이 저류층은 페름기에 생성된 사암으로 2600 m에서 3200 m 깊이에 있으며, 이를 페름기 암염(Zechstein salt)이 덮고 있는 구조이다. 흐로닝언 가스전에서 1991년부터 지진이 관측되기 시작하였고, 발생 횟수와 규모가 2003년부터 눈에 띄게 증가하여 이러한 지진 발생 양상이 가스 생산에 의해 유발된 것인지에 대해 많은 관심을 받기 시작하였다. 흐로닝언 가스전에서 발생한 유발지진과 관련된 주요 이슈들을 시간 순서에 따라 아래에 정리하였다.

∙ 1963 가스 생산(원시부존량, Gas Initially in Place; GIIP: 3000×10⁹ m³, 저류층 압력: 36 MPa)

∙ 1986 네덜란드 북쪽에서 지진 발생

∙ 1991 흐로닝언 가스전에서 첫 유발지진 발생

∙ 2012 규모가 가장 큰 지진 발생(M_L 3.6)

∙ 2014 생산량 감소하기 시작(42.5 × 10⁹m³/yr)

∙ 2016 저류층 압력 8 MPa까지 감소

Fig. 5.

Location of Groningen gas field and distribution of M_L≥2 earthquakes; yellow indicates natural seismicity and red indicates induced seismicity, the largest of which is the Groningen gas field (Bourne et al., 2014)

3.1.2 연간 생산량과 유발지진

흐로닝언 가스전에서 1991년 전까지는 지진을 관측할 수 있는 적절한 네트워크가 없었기 때문에(Vlek, 2019) 지진의 관측이 시작된 1991년부터의 데이터를 바탕으로 연간 생산량과 유발지진의 상관성을 살펴보고자 한다. Fig. 6은 1991년부터 2020년까지의 연간 가스 생산량과 규모별 지진 발생 횟수를 도시한 것으로 둘 사이의 높은 상관관계를 명확하게 보여주고 있다. 예를 들어 1991년부터 1993년까지 가스 생산량이 증가하였는데 약 1년 후인 1992년부터 유발지진 발생 횟수가 증가한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6.

Yearly gas production (10⁹ Nm³/yr) and the number of events with their magnitude from 1991 to 2020. Gas production is expressed as normal cubic meters (Nm³) to indicate that gas is at standard temperature and pressure (Production based on NAM, 2021)

흐로닝언 가스전에서는 유발지진의 발생 횟수를 저감하기 위해 연간 생산량을 줄이는 방법을 택하였다. 2014년에는 연간 생산량을 42×10⁹ m³까지 감소시켰으며 생산량을 감소한 생산정에서는 유발지진 발생 횟수 역시 감소한 것이 보고되었다(van Thienen-Visser and Breunese, 2015). 그러나 2019년과 2020년에는 각각 16×10⁹ m³과 8×10⁹ m³까지 연간 가스 생산량이 감소하였음에도 불구하고 Fig. 6에서 나타난 바와 같이 유발지진 횟수가 연속적으로 감소하지는 않았으며, 계속되는 건물 손상과 지진의 불확실성 등의 증가로 인해 네덜란드 정부는 2030년까지 흐로닝언 가스전에서의 가스 생산을 서서히 중지할 계획을 밝힌 바 있다(Vlek, 2019).

3.1.3 저류층의 압축과 지반침하

흐로닝언 가스전에서는 가스 생산 중에 저류층 내의 공극압이 감소하면서 저류층의 압축이 발생하고 이로 인해 지반침하가 발생한 것으로 보인다. 흐로닝언에서의 지반침하는 특히나 중요한데 이는 흐로닝언 가스전이 해수면과 비슷하거나 더 낮아서 지반침하에 영향을 받은 지하수 유동과 염분의 변화가 농업에도 큰 영향을 미치기 때문이다. 흐로닝언에서 지반침하는 얕은 침하와 깊은 침하가 같이 발달했는데 침하 원인에 따라 그 깊이가 달라진다. 얕은 지반침하는 점토의 압축이나 인공적으로 조정된 지하수층의 깊이 등에 의해 나타난다. 그에 반해 깊은 지반침하는 가스 생산으로 인한 저류층의 압축으로 인하여 발생한다. 따라서 흐로닝언 가스전에서 깊게 발달한 지반침하는 가스 생산으로 인한 유발지진의 중요한 지표라고 볼 수 있다.

흐로닝언에서 가스 생산으로 인한 지반침하는 1964년부터 꾸준히 발생하였다. 1975년까지는 지반침하 발생 속도가 비교적 느린 편이었으나 가스 생산량이 급격히 증가하기 시작한 1975년 이후부터 지반침하가 더 빠르게 발생하였다(Hettema et al., 2002). 이는 배경이론에서 설명된 바와 같이 유체 생산으로 인한 공극압 감소가 저류층 압축을 발생시키고 결과적으로 지반침하를 발생시키는 주요인이 된다는 점을 뒷받침한다. 흐로닝언 가스전에서 공극압은 초기 35 MPa 상태에서 가스 생산으로 인해 2016년에는 8 MPa까지 감소하였는데, 지반침하 역시 공극압 감소와 거의 비례하게 발생하다가 2013년에는 최대 34cm까지 지반침하가 발생하였다(Pijnenburg et al., 2019). 게다가 지반침하가 제일 많이 발생한 필드 중심부에 규모 1.5 이상 유발지진의 진원이 집중되어 있다(Fig. 7). 이런 관측 결과들을 통해 유발지진의 규모와 발생 횟수가 증가할수록 지반침하 발달 정도가 커지며 결국 유체 생산으로 인한 유발지진은 생산량 그리고 지반침하와 큰 상관관계를 갖는 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

Earthquake epicenters for M_L ≥ 1.5 from 1995 to 2012 in relation to the model of reservoir compaction from 1960 to 2012 in the Groningen field (Bourne et al., 2014)

3.2 프랑스 라크(Lacq) 가스전

3.2.1 개요

라크(Lacq) 가스전은 프랑스의 남서부에 위치하였으며, Fig. 8에서 볼 수 있듯이 석유 저류층과 가스 저류층이 서로 다른 깊이에 발달해있다(Maury et al., 1992). 1950년부터 지하 650 m 부근에서 석유를 생산하기 시작하였고, 1951년에 지하 3500 m에서 석유 저류층보다 약 10 배 정도 큰 가스 저류층이 발견되었다(Segall et al., 1994). 이 가스 저류층은 지하 3.2 - 5 km 깊이에 존재하고 있으며, 백악기 시대의 이회토에 의해 덮어져 있는 배사구조를 따라 20 km 길이로 발달해있다(Bardainne et al., 2008).

1957년부터 라크 가스전의 지하 3700 m 깊이에서 천연가스를 생산하기 시작하였다. 저류층의 초기 압력은 66 MPa로 상당히 안정적인 편이었으나(Grasso and Wittlinger, 1990), 1963년부터 가스의 생산량이 7 × 10⁹ m³/year 이상일 정도로 증가하면서 가스 생산을 시작한 지 12년 만에 저류층의 압력은 약 30 MPa만큼 감소하여 36 MPa이 되었다(Grasso and Wittlinger, 1990). 1974년부터 1997년까지 2000건이 넘는 지진이 발생했다(Bardainne et al., 2008). 1969년 이전에는 사람이 느낄 수 있는 규모의 지진 활동이 관측되지 않았기에(Grasso and Wittlinger, 1990) 수많은 지진 활동은 유체 생산으로 인한 유발지진으로 볼 수 있다. 라크 가스전과 관련된 주요 공정 및 유발지진 이슈를 시간에 따라 정리하였다.

∙ 1950 석유 생산 시작(저류층 압력 61 MPa, 640 – 710 m 깊이)

∙ 1957 가스 생산 시작(저류층 압력 66 MPa, 3700 m 깊이)

∙ 1969 규모 3~4의 지진이 처음으로 관측되기 시작(저류층 압력 36 MPa)

∙ 1975 가스 저류층에 물 주입 시작(지하 4800 m 깊이)

∙ 1989 지반침하 60 mm

∙ 2008 저류층 압력이 2.3 MPa까지 감소

Fig. 8.

Underground strata structure in the Lacq gas field (Maury et al., 1992)

3.2.2 가스 생산과 유발지진 발생의 상관관계

라크 가스전에서는 석유와 가스 생산 시 진행된 물의 재주입이 유발지진에 영향을 미쳤을 가능성을 먼저 살펴봐야 한다. 석유 저류층에서는 석유 생산과 함께 재주입을 해왔으며, 가스 저류층에는 1975년부터 물을 주입하기 시작했다(Maury et al., 1992). Fig. 9에서는 석유와 가스 저류층에서의 압력 변화와 지진의 발생 횟수를 함께 보여주고 있다. 석유 저류층에 1957년부터 1975년까지 10⁷ m³의 물이 주입되면서 저류층 압력이 6.1 MPa에서 6.5 MPa로 증가하였고, 1980년에 물의 재주입이 완전히 중단된 후부터 6~7 MPa로 안정적인 압력 상태가 유지되었다(Grasso and Wittlinger, 1990).

Fig. 9.

Oil and gas reservoir pressure (left scale) and histogram of earthquakes located within the field with magnitudes greater than 3.0 (right scale) (Segall et al., 1994)

Segall et al. (1994)은 석유 저류층에 오랫동안 주입된 물이 라크 가스전의 유발지진에 영향을 미치지 않았음을 주장하며 다음과 같은 근거들을 제시하였다. 관측된 진원지가 주로 가스 저류층 범위와 비슷하게 분포하고 있으며, 진원지 대부분은 가스 저류층의 덮개암인 이회토층 아래에 분포하여 진원지가 분포하는 영역이 석유 저류층과 수리적으로 연결되어 있지 않다는 점이다. 즉, 석유 저류층과 관측된 주된 진원지는 공간적으로나 수리적으로도 연관되어 있지 않기 때문에 석유 저류층의 물 주입으로 인해 가스 저류층의 응력 상태가 변화되었을 가능성은 낮다는 것이다(Segall et al., 1994).

석유 저류층에서와 다르게 가스 저류층에서의 물 주입은 가스 생산으로 인한 저류층 압력 감소를 보완해주지 못하였다. 1974년부터 1989년까지 가스 저류층에 3.3×10⁶ m³의 물이 주입되었는데 이는 평균 연간 생산량의 0.1%도 되지 않을 만큼 적은 양이다. Fig. 6에서 알 수 있듯이 가스 생산이 시작된 1957년 이후부터 저류층 압력이 매우 큰 폭으로 감소하며 가스 저류층의 초기 압력은 약 66 MPa이었지만 1969년에는 약 36 MPa까지 감소하였으며, 이때부터 유발지진이 관측되기 시작하였다. 라크 가스전의 경우에는 저류층이 깊이가 매우 깊은 편이고 가스 생산으로 인하여 약 10년 만에 저류층 압력이 초기 압력의 45% 만큼 감소할 정도로 공극압의 변화가 컸기 때문에, 규모 3에서 4 정도의 강한 지진을 유발할 수 있었던 것으로 보인다(Grasso and Wittlinger, 1990).

3.2.3 가스 생산으로 인한 지반침하

가스 생산으로 인한 저류층의 압력 감소는 지반침하에도 큰 영향을 미친다. 라크 가스전의 지표면에서 수년간 측정된 수직 변위가 Fig. 10(a)에 나타나 있다. 중심부에서 지반침하가 최대 60 mm까지 발생하였으며 저류층의 경계 부분으로 갈수록 지반침하 현상이 약해지는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 라크 가스전에서 관측된 지반침하 정도는 앞서 공극탄성응력이론을 따라 얻어진 결과(Fig. 4)와 그 동향이 매우 유사하다(Maury et al., 1992).

여기서 주의 깊게 보아야 할 점은 Fig. 10(b)에 나타난 바와 같이 공극압 감소와 지반침하의 발달이 높은 상관성을 보여주고 있다는 것이다(Maury et al., 1992). 이는 흐로닝언 가스전과 비슷한 관찰결과이며 지속적인 지반침하 모니터링을 통해 저류층의 공극압 감소 정도를 판단할 수 있음을 의미한다. 시간에 따른 지반침하 정도와 공극압 감소를 모니터링함으로써 쿨롱 응력을 계산할 수 있을 것이다. 이러한 데이터를 바탕으로 실제 유체 생산 현장에서 응력변화와 단층의 미끄러짐 발생 정도를 판단하여 유발지진의 발생 및 규모 분석에 활용할 수 있을 것으로 보인다.

Fig. 10.

Subsidence in the Lacq gas field (a) Elevation changes determined by repeated leveling over the Lacq field along a roughly NW-SE (Segall et al., 1994), (b) Subsidence and pressure drop with time (Maury et al., 1992)

3.3 멕시코 세로 프리에토(Cerro Prieto) 지열 발전소

3.3.1 개요

세로 프리에토 지열 발전소(Cerro Prieto Geothermal Field; CPGF)는 설비용량 720 MW로 멕시코의 메히칼리 남쪽(South Mexicali)에 있는 세계에서 두 번째로 큰 지열 발전소이며, 1973년부터 1991년까지 총 1 km³ 이상의 물과 증기가 혼합된 유체가 생산되었다. 라크 가스전과는 다르게 판의 경계에 있어서 해당 지역은 원래 지진 활동이 활발한 편이었으나, 세로 프리에토의 단층과 임페리얼(Imperial) 단층을 따라서 평소와 달리 규모가 6 이상인 지진이 발생하기 시작하였다(Frez and Gonzalez, 1991). 1978년부터 1981년까지 관측된 결과에 따르면, 1979년에 세로 프리에토 지열 발전소의 북쪽인 임페리얼 밸리에서 발생한 규모 6.6의 지진, 1980년에 세로 프리에토 지열 발전소의 남쪽 빅토리아에서 발생한 규모 6.1의 지진, 그리고 1987년에 세로 프리에토에서 발생한 규모 5.4의 지진까지 상당히 큰 규모를 가진 세 주요지진은 시기상으로 세로 프리에토 지열 발전소의 유체 생산량을 늘린 시기와 일치하였다(Majer et al., 1980). 세로 프리에토 지열 발전소의 주요 공정 및 유발지진 이슈를 시간에 따라 아래에 정리하였다.

∙ 1973 전력 생산 시작

∙ 1979 임패리얼 밸리 지진 발생 (M_L 6.6)

∙ 1980 빅토리아 지진 발생 (M_L 6.1)

∙ 1987 세로 프리에토 지진 발생 (M_L 5.4)

∙ 1989 배출된 유체의 재주입 시작 (깊이 500 m – 2600 m)

∙ 1994 127개의 생산정 운영(약 1 km³의 유체 생산)

3.3.2 생산량과 지진의 상관성

Fig. 11은 세로 프리에토 지열 발전소의 유체 생산으로 인해 주요지진이 발생한 지역(CPR로 표기)에서 발생한 지진의 규모로 계산된 지진 모멘트와 연간 생산량의 증가량을 연도에 따라 보여주고 있다.

Fig. 11.

(a) Observed yearly seismic moment release; (b) Production increase in CPR (Glowacka and Nava, 1996)

Fig. 11에서 A, B, B’, 그리고 C는 각각 1974년, 1979년, 1980년 및 1986년에 상대적으로 지진 모멘트가 증가한 경우를 표시하였다. 그림에서 알 수 있듯이 세로 프리에토 지열 발전소에서 지열수의 생산량이 크게 증가한 경우 지진 모멘트 역시 증가하였다. 그러나 해당 연도의 생산량 증가가 즉시 지진 모멘트를 증가시키는 것은 아니다. 지진 모멘트가 크게 증가하는 시점과 생산량 증가 시점 사이에는 일반적으로 약 1년 정도의 시간 지연(Time delay)이 있다는 것을 알 수 있다. 시간 지연과 세로 프리에토 지열 발전소로부터 진원까지의 거리를 통해서 암반의 수리적 확산도(seismic hydraulic diffusivity)를 계산할 수 있다(Glowacka and Nava, 1996). 이론적으로 저류층의 투수성이 높을수록 수리적 확산도가 높아지므로 투수성이 낮은 곳에서 유체 생산 유발지진의 시간 지연이 더 커진다고 볼 수 있다.

3.3.3 지반침하

세로 프리에토 지열 발전소에서도 지반침하가 두드러지게 발생하였으며, 1973년부터 1997년까지 측정된 연간 생산량과 지반침하 발생률이 Fig. 12에 나타나 있다. Fig. 12(a)에 의하면 1973년부터 1978년까지는 지반침하가 거의 없었으나 1978년부터 6-7 cm/yr로 증가하고, 1986년에는 10-12 cm/yr까지 증가하였다. 그 이후에는 작은 편차를 가진 채로 1997년까지 비슷한 지반침하율이 유지되었다. Fig. 12(b)에 의하면 1973년부터 1978년까지는 전체 생산량이 별로 크지 않았고 지반침하율도 거의 0에 가까웠다. 1979년부터 눈에 띄게 생산량이 증가하였고 1986년에는 생산량이 이전 연도보다 두 배 이상 증가하면서 지반침하율 역시 증가하였다. 세로 프리에토 지열 발전소가 지구조 운동이 활발한 지역이긴 하지만 지구조 운동에 의한 지반침하율은 보통 1년에 수 밀리미터 정도에 불과하다(Glowacka et al., 1999). 또한, 11 cm/yr의 최대 지반침하율이 관측된 지점이 세로 프리에토 지열 발전소의 생산정 위치와 일치한다는 점도 발견되었다(Glowacka et al., 2000). 따라서, 세로 프리에토 지열 발전소에서 발생한 지반침하는 유체 생산의 영향을 받은 저류층 압축에 의한 지반침하라고 볼 수 있다.

Fig. 12.

(a) Subsidence rate; (b) Fluid production in CPGF for 1973-1996 (Glowacka et al., 2000)

4. 결 론

가스나 지열수의 생산에 따른 공극압의 감소와 이에 다른 유발지진의 발생은 통상적인 직관에는 위배하나 적지 않게 발생사례가 보고되고 있어 이에 대한 이해가 필요하다. 유체를 생산할 때에 지진이 유발되는 원리는 공극 탄성 응력이론을 적용하여 설명할 수 있으며, 단층의 경사나 저류층 공극압의 변화량을 통해서 저류층 근처의 응력변화를 예측할 수 있다. 유체 생산으로 인한 유발지진이 기록된 흐로닝언 가스전, 세로 프리에토 지열 발전소, 그리고 라크 가스전은 모두 저류층 내부 혹은 그 근처에 단층이 존재하고 있는 상태였다. 유체를 생산하는 저류층 근처에 단층이 존재하는 경우 유체 생산으로 인한 공극압 감소로 인해 유발지진 발생 가능성이 높아지므로 유체 생산을 위한 부지를 선정할 때 기존 단층의 유무와 방향성 등에 관한 정확한 탐사가 필요하다.

유체의 연간 생산에 따른 저류층 압력 감소는 유발지진의 발생 횟수와 규모에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 저류층 중심부 지표면에서 눈에 띄는 지반침하를 발생시킨다. 라크 가스전에서는 약 60 mm의 최대 수직 변위가 관찰되었다. 세로 프리에토 지열 발전소에서도 최대 11 cm/yr 속도로 지반침하가 발생하였으며, 유체의 생산량이 많은 시기일수록 더 큰 수직 변위가 관찰되었다. 흐로닝언 가스전 역시 지반침하가 최대 34 cm까지 발생하였다. 즉, 유체 생산으로 인한 유발지진의 발생 및 규모 분석에 있어서 지반침하 정도가 중요하므로 유체 생산 시 저류층 압력뿐만 아니라 필드의 중심부에서 집중적으로 침하가 발생하는 경향은 없는지 실시간으로 모니터링하고 관리하며 생산량을 조절해가는 것이 유발지진의 예방 및 대응에 있어서 매우 중요하다.