퍼미안 분지

섬네일
퍼미안 분지(Permian Basin)는 미국 텍사스주의 남서부에 위치한 거대한 퇴적 분지이다. 이곳은 미국에서 가장 생산량이 많은 유전으로, 2019년에는 하루 평균 420만 배럴의 원유를 생산한다. 이 퇴적 분지는 텍사스 서부와 뉴멕시코 남동부 끝자락에 걸쳐 있다.

이 지역은 고생대 마지막 시기인 페름기 지질 시대의 이름을 따서 명명되었는데, 그 이유는 이 시대의 암석층이 세계에서 가장 두껍게 퇴적된 지역 중 일부를 포함하고 있기 때문이다.

퍼미안 분지는 여러 개의 구성 분지로 이루어져 있으며, 그중 가장 큰 미들랜드 분지, 두 번째로 큰 델라웨어 분지, 그리고 가장 작은 마르파 분지가 있다. 퍼미안 분지는 86,000제곱마일(220,000km²)Ball - The Permian Basin - USGS이 넘는 면적에 걸쳐 있으며, 폭은 약 250마일(400km), 길이는 약 300마일(480km)에 이른다.

텍사스 주에 있는 미들랜드, 오데사, 샌앤젤로는 이 분지 내 석유 생산 활동의 본부 역할을 한다.

퍼미안 분지는 또한 주요 칼륨염(칼륨) 생산지이기도 합니다. 뉴멕시코 주 리아 카운티와 에디 카운티에는 칼륨 광산이 있으며, 이들은 룸 앤 필러(room and pillar) 방식으로 채굴된다. 칼륨 채굴 과정에서 암염(할라이트)이 부산물로 생산된다.B. R. Alto and R. S. Fulton (1965) "Salines" and "The potash industry" in Mineral and Water Resources of New Mexico, New Mexico Bureau of Mines and Mineral Resources, Bulletin87, p. 299–309.

 구성요소 
 델라웨어 분지 
델라웨어 분지는 오아치타-마라톤 스러스트 벨트의 전면부에 위치한 페름기 분지의 두 주요 부분 중 더 큰 부분으로, 중앙 분지 플랫폼에 의해 분리되어 있다. 이 분지에는 펜실베이니아기, 울프캠피안기(닐 랜치 및 레녹스 힐스 지층), 레오나르디안기(아발론 셰일), 그리고 초기 과달루피안기에 해당하는 퇴적물이 포함되어 있다. 동쪽으로 경사진 델라웨어 분지는 여러 지층으로 세분되며(그림 2), 약 7,600m 두께의 층상 실트암과 사암을 포함하고 있다. 델라웨어 분지에는 쇄설성 퇴적물 외에도 과달루피안기에 호비 해협을 통해 바다에서 분지로 유입되었을 때 형성된 델라웨어 산맥층의 탄산염 퇴적물도 포함되어 있다.

 미들랜드 분지 
서쪽으로 경사진 미들랜드 분지는 여러 지층으로 세분되며(그림 4), 층상 실트암과 사암으로 구성되어 있다. 미들랜드 분지는 분지에 쇄설성 퇴적물을 쌓은 거대한 수중 삼각주에 의해 채워졌다. 쇄설성 퇴적물 외에도 미들랜드 분지에는 호비 해협을 통해 바다에서 분지로 물이 유입되었던 과달루피안 시대에 형성된 탄산염 퇴적물도 포함되어 있다.

 중앙 분지 플랫폼 
중앙 분지 플랫폼(CBP)은 지각 변동으로 융기된 기반암 블록 위에 탄산염 플랫폼이 덮인 지형이다. CBP는 델라웨어 분지와 미들랜드 분지를 구분하며, 가장 오래된 지층부터 가장 젊은 지층 순으로 닐 랜치, 레녹스 힐스, 아보, 예소, 글로리에타, 샌 안드레스, 그레이버그, 퀸, 세븐 리버스, 예이츠, 탠실 지층으로 세분된다(그림 5). 이 지층은 주로 탄산염 암초 퇴적물과 천해 퇴적물로 구성된다.

 동부 및 북서부 선반 
동부 및 북서부 대륙붕은 델라웨어 분지와 미들랜드 분지를 따라 분포하는 대륙붕 가장자리 암초와 대륙붕 탄산염암으로 구성되어 있으며, 상부로 갈수록 실트암과 증발암으로 변한다. 동부 및 북서부 대륙붕은 샌앤드레스, 그레이버그, 퀸, 세븐리버스, 예이츠, 탠실층으로 세분된다.

 샌 시몬 해협 
샌 시몬 해협은 레오나르디안 시대와 과달루피안 시대에 중앙 분지 플랫폼과 북서부 대륙붕을 분리했던 좁은 습곡이다.

 셰필드 해협 
셰필드 해협은 레오나르디안 시대와 과달루피안 시대에 미들랜드 분지의 남쪽 경계를 남쪽 대륙붕 및 와치타-마라톤 충상단층대와 분리했다.

 호비 해협 
호비 해협은 델라웨어 분지 남쪽 가장자리에 위치한 지형적으로 낮은 지대로, 과달루피아기 시대에 판탈라사 해로 통하는 통로 역할을 했다. 호비 해협은 원래 선캄브리아 시대의 단층 작용으로 형성된 배사 구조였으며, 델라웨어 분지에 해수를 공급하는 주요 통로였다. 페름기 말에 호비 해협이 닫히면서 결국 페름기 산호초가 소멸하게 되었는데, 해협을 통해 물이 유입되지 않게 되자 델라웨어 분지의 염도가 급격히 상승하여 산호초가 생존할 수 없게 되었기 때문이다.

 말굽 환초 
호스슈 환초는 미들랜드 분지에 위치한 길이 282km(175마일)의 서쪽으로 기울어진 호 모양의 암초 지대이며, 펜실베이니아기에 퇴적된 550m(1,804피트) 두께의 석회암과 페름기에 퇴적된 335m(1,099피트) 두께의 석회암으로 구성되어 있다. 이 환초에는 1,859m(6,099피트)에서 3,018m(9,902피트) 깊이에 걸쳐 15개의 주요 석유 매장층이 존재한다. 이 암초 복합체는 상부 펜실베이니아기의 스트론, 캐니언, 시스코 석회암으로 이루어져 있으며, 그 위에는 하부 페름기의 울프캠프 사암과 육성 기원의 셰일이 북동쪽에서 남서쪽으로 전진하며 덮여 있다. 최초의 생산정인 시버드 오일 컴퍼니 오브 델라웨어 1-B J. C. 캘드웰 유정은 1948년에 완공되었다.

 퇴적 역사 
페름 분지는 지구상에서 가장 두꺼운 페름기 시대 암석 퇴적층입니다. 이 암석들은 미시시피세 후기부터 페름기에 걸쳐 북아메리카와 곤드와나(남아메리카와 아프리카) 대륙의 충돌 과정에서 빠르게 퇴적되었다. 페름 분지에는 약 4억 4500만 년 전 오르도비스기에 형성된 지층도 포함되어 있다.

 원생대 
선캄브리아 초대륙이 분열되고 현대 페름기 분지의 지형이 형성되기 전, 토보사 분지에는 얕은 해양 퇴적물이 쌓여 수동형 대륙 경계면의 얕은 해양 환경을 형성했다. 토보사 분지에는 약 13억 3천만 년 전(mya)으로 거슬러 올라가는 기반암이 있으며, 이는 현재의 과달루페 산맥에서도 여전히 확인할 수 있다. 이 기반암은 3,847m 깊이에서 발견된 흑운모-석영 화강암으로 이루어져 있다. 인근 아파치 산맥과 글래스 산맥의 기반암은 변성 사암과 선캄브리아 시대의 화강암으로 구성되어 있다. 또한 이 지역 전체는 페코스 고철질 화성암군(Pecos Mafic Igneous Suite)의 일부로 추정되는 층상 고철질 암석으로 덮여 있으며, 미국 남부까지 360km에 걸쳐 뻗어 있다. 이 암석의 연대는 약 11억 6천3백만 년 전으로 측정되었다.

 페름기 분지의 일반화된 퇴적상 구역 
페름기 분지는 해수면, 기후, 염분, 해양 접근성 등의 영향을 받아 형성된 퇴적 환경에 따라 구분되는 일반적인 퇴적상대(facies belt)로 나뉜다.

 저수위 시스템 트랙 
해수면이 낮아지면 조간대와 잠재적으로 대륙붕 가장자리 지역이 드러나게 되며, 선형 수로 사암이 대륙붕을 침식하여 경사면 탄산염암 위에 대륙붕 가장자리를 넘어 뻗어 나가 분지 쪽으로 부채꼴 모양으로 펼쳐진다. 해수면이 낮아지는 시기의 조간대에는 해침계 퇴적층의 초기 조간대 암상 위에 풍성 사암과 실트암이 분포한다. 해수면이 낮아지는 시기의 분지 퇴적물은 대륙붕에서는 사암 및 실트암과 섞인 얇은 탄산염층으로, 분지 내에서는 사암층으로 구성된다.

 해침형 시스템 트랙 
이러한 퇴적상은 분지의 급격한 심화와 탄산염 생성의 재개로 인해 형성되었다. 생물교란된 와크스톤과 산소가 부족한 석회질 진흙과 같은 탄산염암은 분지와 사면에서 하부의 저해수면 시스템 트랙트 사암 위에 퇴적된다. 조간대는 돌로머드스톤과 돌로팩스톤과 같은 고온 건조 기후의 초조간대 퇴적층으로 특징지어진다. 분지는 대륙붕 위 또는 대륙붕 근처에 두꺼운 탄산염층이 분포하며, 대륙붕 경계는 점차 가파르게 변하고 분지 사암은 얇아진다.

 해수면 상승기 퇴적층 
해수면 상승기 퇴적층은 해수면 상승 속도가 둔화되면서 형성된 퇴적상이다. 이 퇴적상은 대륙붕 가장자리에서의 탄산염 생성과 분지 전체에 걸친 탄산염 퇴적의 우세함을 특징으로 한다. 암상은 대륙붕과 대륙붕 가장자리에는 두꺼운 탄산염층이, 대륙사면에는 얇은 사암층이 나타낸다. 대륙붕에 적색층이 형성되면서 분지의 크기가 줄어들고, 분지 내에 증발암이 생성된다.

 지각 변동의 역사 
캄브리아기-미시시피기 동안, 선조 페름기 분지는 탄산염암과 쇄설암 퇴적물을 포함하는 넓은 해양 수동형 대륙 경계인 토보사 분지였다. 초기 펜실베이니아기-초기 페름기에 북아메리카 대륙과 곤드와나 대륙(남아메리카와 아프리카)의 충돌로 헤르시니아 조산 운동이 발생했다. 헤르시니아 조산 운동으로 인해 토보사 분지는 얕은 대륙붕으로 둘러싸인 두 개의 깊은 분지(델라웨어 분지와 미들랜드 분지)로 분화되었다. 페름기 동안 분지는 구조적으로 안정화되었고, 분지 내부에는 쇄설암이, 대륙붕에는 탄산염암이 퇴적되었다.

 고생대 하부 수동형 대륙 경계 단계(선캄브리아기 후기~미시시피세, 8억 5천만 년 전~3억 1천만 년 전) 
이 수동형 대륙 경계 퇴적층은 미국 남서부 전역에 걸쳐 분포하며 최대 1.5km(0.93마일) 두께에 달한다. 선조 페름기 분지는 약한 지각 확장과 낮은 침강이 특징이며, 이러한 환경에서 토보사 분지가 발달했다. 토보사 분지에는 대륙붕 탄산염암과 셰일이 포함되어 있다.

 충돌 단계(미시시피세 후기~펜실베이니아세, 3억 1천만 년 전~2억 6천 5백만 년 전) 
플랫폼을 기준으로 두 개의 엽상 구조를 가진 페름기 분지는 북아메리카와 곤드와나 대륙(남아메리카와 아프리카)의 충돌 당시 발생한 헤르시니아 조산 운동의 결과이다. 이 충돌로 인해 와치타-마라톤 습곡대가 융기하고 토보사 분지가 변형되었다. 델라웨어 분지는 토보사 분지 내 원생대 지반의 약한 부분을 따라 발생한 경사로 인해 형성되었다. 남서쪽 방향의 압축력으로 인해 급경사 역단층이 재활성화되고 중앙 분지 능선이 융기했다. 기반암 지괴의 습곡 작용으로 분지는 서쪽의 델라웨어 분지와 동쪽의 미들랜드 분지로 분리되었다.

 페름기 분지 단계(페름기, 2억 6500만 년 전~2억 3000만 년 전) 
쇄설물, 탄산염 플랫폼 및 대륙붕, 증발암의 급속한 퇴적은 조산 운동과 동시에 진행되었다. 조산 활동의 급격한 증가는 분지 지층에 나타나는 세 개의 경사 부정합으로 구분된다. 작은 잔존 분지에 있는 증발암 퇴적물은 해수면 하강으로 인해 분지가 바다와 차단되면서 퇴적 작용의 마지막 단계를 나타낸다.

 탄화수소 생산 및 매장량 
썸네일|upright=1.3|그림 9: 퍼미안 분지 내 주요 탄화수소 매장지
퍼미안 분지는 미국 최대의 석유 생산 분지로, 누적 289억 배럴의 원유와 75조 입방피트의 천연가스를 생산했다. 2020년 초에는 하루 400만 배럴 이상의 원유가 생산되었다. 추정 매장량의 80%는 지하 3,000미터(10,000피트) 미만 깊이에 매장되어 있다. 퍼미안 분지에서 회수된 원유의 10%는 펜실베이니아기 탄산염암에서 나왔다. 가장 큰 저류층은 중앙 분지 플랫폼, 북서부 및 동부 대륙붕, 그리고 델라웨어 분지 사암층에 있다. 주요 탄화수소 저류층의 주된 암석은 높은 다공성으로 인해 석회암, 백운암, 사암이다. 그러나 수평시추 및 수압파쇄법와 같은 탄화수소 회수 기술의 발전으로 울프캠프 셰일과 같은 비전통적인 저투과성 셰일층에서도 생산이 확대되었다.

 자원의 역사 
썸네일|300px|1923년 빅 레이크 유전 발견에 사용된 산타 리타 No. 1 굴착기
1917년, 텍사스 대학교 지질학과 교수 J.A. 우든은 마라톤 산맥과 관련된 마라톤 습곡이 북쪽으로 뻗어 있을 가능성을 제기했다. 이 습곡설은 1918년 지질학자 R.A. 리들과 J.W. 비드에 의해 더욱 구체화되었다. 이 잠재적인 구조는 석유 부존 가능성이 있는 것으로 여겨졌다. 마라톤 습곡설과 기존에 알려진 석유 유출 지점을 바탕으로, 페름기 분지 동부 지역에서 시추 조사가 시작되었다.

퍼미안 분지의 석유 매장량은 1920년 W.H. 에이브럼스가 텍사스주 서부 미첼 카운티에서 처음으로 발견했다. 최초의 상업용 유정은 그로부터 1년 후인 1921년, 미첼 카운티에서 새로 발견된 웨스트브룩 유전에서 761m(2,498피트) 깊이로 시추되었다. 초기에는 퍼미안 분지가 그릇 모양이라고 여겨져 지질 조사팀이 노두 부족으로 분지 내부를 조사할 수 없었다. 이후 몇 년 동안 빅 레이크 유전(1923년), 월드 유전(1925년), 맥캐미 유전(1925년), 헨드릭 유전(1926년), 예이츠 유전(1926년) 등 여러 유전이 발견되었다. 이러한 발견들은 모두 무작위 시추나 지표면 지질 조사 과정에서 이루어졌다. 지진계와 자력계 같은 도구를 사용하여 해당 지역의 이상 징후를 찾아냈기 때문에 지구물리학적 조사는 해당 지역의 지도를 작성하는 데 매우 중요했다.

1924년까지 이 분지에 지역 지질 사무소를 설립한 회사로는 캘리포니아 컴퍼니(스탠다드 오일 오브 캘리포니아), 걸프 오일, 험블(스탠다드 오일 오브 뉴저지), 록사나(셸 오일 컴퍼니), 딕시 오일(스탠다드 오일 오브 인디애나), 미드웨스트 익스플로레이션(스탠다드 오일 오브 인디애나), 그리고 텍사스 컴퍼니 등이 있었다.

석유를 운반할 파이프라인이 부족하고 거리가 멀었기 때문에, 비용이 많이 드는 심층 시추 시험은 1920년대에는 드물었다. 그 결과, 1928년까지 시추된 모든 유정은 깊이가 1,500m(5,000피트) 또는 1,800m(6,000피트) 미만이었다. 그러나 1928년, 빅 레이크(Big Lake)의 오르도비스기 지층에서 8,520피트 깊이의 I-B 유니버시티(University) 탐사 유정이 석유를 발견했다. 1930년대에 들어서면서 하퍼(Harper) 유전(1933년), 골드스미스(Goldsmith) 유전(1934년), 포스터(Foster) 유전(1935년), 키스톤(Keystone) 유전(1935년), 민스(Means) 유전(1934년), 와슨(Wasson) 유전(1936~1937년), 그리고 슬로터(Slaughter) 유전(1936년)이 발견되면서 탐사 및 개발이 활발해졌다. 제2차 세계 대전 중 미국의 석유 수요는 절박해졌고, 이는 심층 석유 시추에 드는 막대한 비용을 정당화했다. 이러한 획기적인 발견은 캄브리아기부터 페름기에 이르기까지 모든 지층에서 주요 유전을 찾아내는 계기가 되었다. 주요 유전으로는 엠브라르 유전(1942년), TXL 유전(1944년), 달러하이드 유전(1945년), 그리고 블록 31 유전(1945년) 등이 있다.

1966년 퍼미안 분지의 원유 생산량은 6억 배럴, 천연가스는 2조 3천억 입방피트로 총 20억 달러에 달했다. 이 지역에 가스 파이프라인과 정유 시설이 설치되면서 생산량은 꾸준히 증가하여 1993년에는 총 149억 배럴을 넘어섰다.

석유 외에도 퍼미안 분지에서 채굴되는 주요 자원 중 하나는 칼륨이다. 칼륨은 1800년대 후반 지질학자 요한 아우구스트 우덴에 의해 이 지역에서 처음 발견되었다. 우덴의 초기 연구와 산타 리타 유정의 1,100~1,700피트 깊이에서 칼륨이 발견된 것을 계기로 미국 지질조사국은 칼륨 탐사를 위해 이 지역을 조사하기 시작했다. 제1차 세계 대전 당시 미국은 더 이상 독일에서 칼륨을 수입할 수 없었기 때문에 칼륨은 매우 중요한 자원이었다. 1960년대 중반까지 퍼미안 분지의 뉴멕시코 쪽에는 7개의 칼륨 광산이 운영되고 있었다.

 현재 생산 
미국 셰일 오일의 중심지인 퍼미안 분지 원유 생산량은 2010년 1월 일일 88만 6,430만배럴에서 2014년 1월 일일 150만배럴까지 늘었다.

2018년 기준으로 퍼미안 분지에서는 330억 배럴 이상의 원유와 118조 입방피트의 천연가스가 생산되었다. 이는 미국 원유 생산량의 20%, 천연가스 생산량의 7%에 해당한다. 1970년대 초 생산량이 정점을 찍었다고 여겨졌지만, 수압 파쇄 및 수평 시추와 같은 새로운 석유 추출 기술의 발전으로 생산량이 급격히 증가했다. 미국 에너지정보국(EIA)은 퍼미안 분지의 확인된 매장량이 여전히 50억 배럴의 원유와 약 19조 입방피트의 천연가스를 보유하고 있다고 추정하고 있다.

 환경 문제 
2019년 10월까지 화석 연료 업계 경영진들은 최근까지 천연가스 소각(플레어링) 감축에 진전을 보였다고 밝혔다. 석유 시추 회사들은 수익성이 높은 원유 시추 및 생산에 집중하지만, 원유와 함께 생산되는 가치가 낮은 가스는 "부산물"로 간주됩니다. 현재 퍼미안 분지 유전의 호황으로 원유 시추 속도가 파이프라인 건설 속도를 훨씬 앞지르면서 플레어링이 증가했을 뿐만 아니라 천연가스와 기타 강력한 온실가스를 대기 중으로 직접 배출하는 사례도 늘어났다. 이는 플레어링보다 훨씬 더 큰 온실 효과를 초래한다. 두 가지 행위 모두 주 법률상 합법이다. 배출되는 메탄의 대부분은 소수의 발생원에서 나온다. 위성 데이터에 따르면 퍼미안 분지에서 생산되는 가스의 3.7%가 누출로 손실되는데, 이는 텍사스 주 700만 가구의 소비량에 해당한다. 천연가스 가격이 매우 저렴해지면서 파이프라인 용량을 보유한 소규모 회사들은 파이프라인 비용을 지불하는 대신 플레어링을 선택하고 있다.
 각주 

분류:뉴멕시코주의 지역
분류:멕시코의 지역
분류:텍사스주의 지역