Gas hydrate stability field in the southwestern Ulleung Basin, East Sea

동해 울릉분지 남서부 해역에서의 가스 하이드레이트 안정영역

Natural gas hydrate, a solid compound of natural gas (mainly methane) and water in the low temperature and high pressure, is widely distributed in permafrost region and deep sea sediments. Gas hydrate stability field (GHSF), which corresponds to the conditions of a stable existence of solid gas hydrate without dissociation, depends on temperature, pressure, and composition of gas and interstitial water. Gas hydrate-saturated sediment are easily recognized by the bottom simulating reflector (BSR), a strong-amplitude sea bottom-mimic reflector in seismic profiles. It is known that BSR is associated with the basal boundary of the GHSF, The purpose of this study is to define the GHSF and its occurrence in the southwestern part of Ulleung Basin, East Sea. The hydrothermal gradient is measured using the expandable bathythermograph (XBT) and the geothermal gradient data are utilized from previous drilling results for the adjacent area. By the laboratory work using methane and NaCl $3.0 wt{\%}$ solution, it is shown that the equilibrium pressures of the gas hydrate reach to 2,920.2 kPa at 274.15 K and to 18,090 kPa at 289.95 K for the study area. Consequently, it is interpreted that the lower boundary of the GHSF is about 210 m beneath 400-m-deep sea bottom and about 480 m beneath 1,100-m-deep sea bottom. The resultant boundary is well matched with the depth of the BSR obtained from the seismic data analysis for the study area.

천연가스 하이드레이트는 고압 ·저온 조건하에서 물과 천연가스가 결합하여 형성된 고체상 화합물로 일반적으로 가스 하이드레이트로 불리며, 영구동토지역과 수심이 깊은 해저의 퇴적층에 광범위하게 분포되어 있다. 가스 하이드레이트 안정영역은 하이드레이트가 형성된 후 해리되지 않고 고체상으로 안정하게 부존될 수 있는 영역이다. 반사법 탄성파 단면 도에서 관찰되는 해저면 모방 반사면 (bottom simulating reflector; BSR)은 가스 하이드레이트의 부존을 지시하는 강진 폭의 반사면으로 가스 하이드레이트 안정영역의 하한에서 나타난다. 본 연구에서는 동해 울릉분지 남서부해역에서의 가스 하이드레이트 안정영역을 규명하고 탐사자료와 비교하여 가스 하이드레이트 부존 잠재력을 밝히고자 하였다. 연구지역에서 XBT (expandable bathythermograph)를 이용하여 수온구배를 측정하였으며, 지온구배는 인접지역의 시추공 자료를 이용하였다. 실험실에서 메탄가스와 NaCl $3.0 wt{\%}$수용액을 이용하여 가스 하이드레이트 평형압력은 274.15 K에서 2,920.2 kPa 그리고 289.95 K에서 18,090 kPa로. 측정되었다 연구지역에서의 가스 하이드레이트 안정영역 분석 결과 수심이 약 400 m인 지역의 경우 가스 하이드레이트 안정영역의 하한은 해저면으로부터 심도 약 210 m에, 수심이 1,100 m인 경우에는 해저면으로부터 심도 약 480 m에 위치하는 것으로 밝혀졌다. 또한 탄성파 탐사자료와 안정영역 분석 결과를 비교하여 볼 때 BSR이 나타나는 심도가 안정영역 하한의 심도와 거의 일치하였다.