이번 글에서는 ‘석유 기원’, 즉 현대 사회에서 매우 중요한 에너지원으로 자리 잡은 석유가 어떻게 형성되는지 그리고 그 과정에서 등장하는 유기적·무기적 기원에 대한 이론 및 논쟁을 폭넓게 다루어 보겠습니다.
석유 기원: 유기적 기원의 역사와 기본 개념
석유는 오랜 옛날부터 인류의 생활과 밀접하게 연관되어 온 자원입니다. 불과 몇 세기 전만 해도 석유의 중요성이 지금처럼 절대적이라고 할 수는 없었지만, 19세기 말에서 20세기에 걸쳐 일어난 산업혁명을 거치면서 석유는 세계 경제와 에너지 공급의 핵심에 자리 잡았습니다. 그 과정에서 ‘이 석유라는 물질이 과연 어디서 왔는가?’라는 근본적인 의문은 학계와 산업계 모두에게 오랫동안 중요한 연구 주제가 되어 왔습니다. 오늘날 대다수 과학자들과 지질학자들은 석유가 유기물에서 비롯되었다는, 즉 유기적 기원설을 지지하고 있습니다. 그러나 무기적 기원설도 일부 학자들에 의해 제기되며, 다양한 증거와 논쟁이 여전히 진행 중입니다.
석유의 유기적 기원을 살펴보려면 먼저 지구 표면 혹은 해양 환경에서 수없이 쌓였던 유기물에 주목해야 합니다. 이 유기물은 주로 아주 오래전 시대의 해양 생물—예컨대 플랑크톤이나 조류(algae) 같은 미세 생물—또는 육상 식물이 죽은 뒤 쌓여 지층에 포획된 것을 의미합니다. 지표면 혹은 해저에 퇴적되어 산소 공급이 제한된 환경에서 분해나 부패가 완전히 진행되지 못한 채, 오랜 시간에 걸쳐 지층 속으로 파묻히게 됩니다. 그리고 이러한 유기물이 특정 온도와 압력 조건에서 화학적 변화를 겪으면서 석유로 진화한다고 보는 것이 유기적 기원설의 핵심입니다.
유기물은 탄소를 중심으로 한 화합물로 구성되어 있습니다. 이 탄소 기반 유기물이 퇴적물 속에 갇혀 오랜 시간에 걸쳐 열과 압력을 받고, 또 주변의 미생물 작용 등을 거치면서 복합적인 화학 반응이 일어납니다. 이때 발생하는 주요 생성물이 바로 석유이거나 천연가스(탄화수소계 물질들)입니다. 유기적 기원설을 뒷받침하는 중요한 증거 중 하나는, 석유를 구성하는 탄화수소의 분자 구조나 동위원소적 특성이 실제 생물학적 기원을 가리킨다는 사실입니다. 이를테면 탄소 동위원소 비율(예: 탄소-13과 탄소-12 비율)을 통해, 특정 유기물에서 나오는 물질과 석유가 비슷한 특성을 보인다는 점이 확인됩니다.
지질학자들이 석유 매장지를 탐사하고 시추할 때, 그 지층에 포함되어 있는 원시 유기물(커다란 유기 화합물 혹은 케로젠(kerogen))과 열처리 창(thermal maturity window)을 함께 고려하게 됩니다. 이는 유기물이 석유나 가스로 전환되기에 적합한 온도 범위, 대략 60~120°C 정도를 의미하며, 이를 ‘석유생성창(oil window)’이라고 부르는 경우도 있습니다. 이와 같은 과정을 거치면서 만들어진 석유는 지층 내에서 집적되고, 이후 지질 구조(배사구조, 단층 등)에 의해 매장되어 우리가 흔히 말하는 석유 저수지(oil reservoir)가 됩니다.
간단히 정리하자면, 석유의 유기적 기원설은 (1) 고대 해양생물이나 식물 등 유기물이 퇴적, (2) 산소가 적은 환경에서 완전 분해되지 않고 보존, (3) 퇴적물이 깊이 매몰되면서 온도·압력 상승, (4) 화학적·생물학적 작용으로 탄화수소 생성, (5) 지질 구조에 의해 석유가 매장된다는 순서로 이해할 수 있습니다. 이러한 과정은 수천만 년에서 수억 년까지도 걸릴 수 있기 때문에, 석유는 인류가 사용할 수 있는 ‘재생 가능 에너지원’이라고 하기에는 무리가 있습니다. 다만 일부에서는 지질학적 시간 스케일로 보면 재생이 전혀 불가능한 것은 아니라고 말하지만, 인간 생활 주기와 비교했을 때 사실상 고갈 위험이 있음을 부정하기 어렵습니다.
석유 기원: 유기물의 퇴적과 변환 과정
석유가 형성되기 위해서는 먼저 해양이나 호수, 혹은 늪지대 등에서 엄청나게 많은 유기물이 퇴적되어야 합니다. 이 유기물 퇴적 과정은 단순히 ‘죽은 생물이 바닥에 가라앉았다’로 설명하기에는 복합적입니다. 미생물들이 부패와 분해를 진행하지만 어떤 환경에서는 산소가 부족하여 이 분해가 완전히 이뤄지지 못합니다. 이때 상당량의 유기 성분이 준보존 상태로 퇴적물 속에 축적됩니다. 시간이 지남에 따라 오랜 세월 동안 침전물의 두께가 커지고, 지표면의 변화나 해수면 변동, 퇴적 환경 변화 등에 의해 더 깊은 지층으로 묻히게 됩니다.
이렇게 퇴적된 유기물은 케로젠(kerogen)으로 불리는 준고형 유기물 형태를 띠게 됩니다. 케로젠은 아직 석유가 되기 전 단계로서 지층에서 매우 흔하게 발견되지만 이를 직접 우리 생활에 이용하기는 어렵습니다. 케로젠의 형태나 조성은 그 기원 생물, 퇴적 환경, 지질학적 역사 등에 따라 다양합니다. 케로젠이 더 깊이 묻히며 열과 압력을 받게 되면 복잡한 유기 구조가 서서히 파괴되고 더 작은 탄화수소분자들이 방출되기 시작합니다. 이 방출된 탄화수소분자가 석유와 천연가스로 전환되는 과정을 가리켜 ‘석유화(석유 생성)’라고 합니다.
석유 생성에 영향을 주는 중요한 요소 중 하나는 바로 온도입니다. 지층이 깊어질수록 지열에 의해 온도가 상승하며 대략 60°C에서 120°C 사이에 있을 때 케로젠이 가장 활발히 석유로 전환됩니다. 만약 온도가 이 범위를 벗어나 너무 높아진다면, 석유가 더 가벼운 가스 형태(메탄 등)로 변형될 수 있고, 너무 낮다면 석유로 전환될 만큼의 에너지가 공급되지 않아 미처 생성되지 못합니다. 따라서 석유탐사에서는 이러한 ‘석유생성창(oil window)’에 해당하는 지층을 찾아내는 것이 매우 중요합니다.
또 하나 중요한 점은, 석유가 단순히 유기물이 퇴적된 위치에만 머무는 것이 아니라, 지하에서 일정 부분 ‘이동(migration)’한다는 사실입니다. 석유는 지하수나 기타 유체의 흐름과 함께 주변 지층을 통과할 수 있습니다. 다공성(공극이 많은) 퇴적암을 따라 흐르다 보면 더이상 이동할 수 없는 덮개암(cap rock)이나 배사 구조(anticline)를 만나 정체하게 됩니다. 이처럼 석유가 모여서 축적된 지점이 우리가 말하는 석유 매장지입니다. 매장된 석유는 시간이 지나며 다양한 화학적 변화를 겪을 수 있지만, 일반적으로 일정한 범위의 화학적 특성을 유지합니다. 실제 석유 시추 과정에서 측정되는 화학적 지표(예: API 중력, 황 함량 등)는 원천 케로젠과 그 매장 환경이 어떠했는지를 간접적으로 알려주는 단서가 됩니다.
결과적으로 유기물의 퇴적과 변환 과정은 지구 내부에서 석유가 형성되는 핵심 단계입니다. 퇴적 과정에서 분해되지 않고 남은 유기물이 지층에서 지속적으로 열과 압력을 받고, 복잡한 화학적 변환을 거쳐 석유가 되는 흐름입니다. 이 과정을 확인하기 위해 지질학자들은 암석 시료를 분석하고, 퇴적 시기의 생물학적·지구화학적 특성을 조사하여 석유가 어떻게 만들어졌는지를 추적합니다. 이러한 통합적 접근 방식 덕분에 석유의 유기적 기원에 대한 상당한 과학적 신뢰도가 형성되었습니다.
석유 기원: 열과 압력의 작용, 그리고 지질학적 시간
석유의 유기적 기원을 제대로 이해하려면 무엇보다도 ‘시간’과 ‘지질 작용’이라는 두 축을 인지해야 합니다. 지구 표면이나 해양에서 생산된 유기물이 바로 석유로 변환되는 것이 아니라 지질학적으로 긴 세월을 거치면서 점진적으로 변화하기 때문입니다. 수만 년, 수백만 년, 심지어 수억 년에 걸쳐 일어나는 과정을 현재 우리가 직접 실험실에서 재현하기는 사실상 불가능하지만 지층 분석과 지화학적 측정을 통해 그 변화를 간접적으로 살펴볼 수 있습니다.
이때 중요한 것은 열과 압력의 누적 작용입니다. 얕은 지층에서는 온도와 압력이 상대적으로 낮아서 퇴적 유기물이 크게 변화하지 않습니다. 시간이 흘러 더 깊은 지층으로 묻히거나, 지각 변동에 의해 열이 공급되는 지형으로 이동하게 되면 화학 반응이 가속화됩니다. 탄소 사슬이 길고 복잡한 구조를 가진 유기 화합물들이 서서히 분해되어 더 간단한 탄화수소로 바뀌는 과정에서 처음에는 액체 상태 석유가 주로 만들어집니다. 그 후 온도가 더욱 올라가면 가스상 탄화수소(천연가스)의 비중이 증가하게 됩니다.
지층에 따라서는 매장 깊이와 열의 공급량이 각기 달라 석유가 생성되는 지점과 가스가 생성되는 지점이 구분되기도 합니다. 이를 연구하는 분야를 석유지질학(petroleum geology)이라 부르며 시추 및 생산에 대한 경제적 가치를 판단하는 지표로도 활용합니다. 예컨대 특정 지역의 지하 3~4km 깊이 범위에서 부존된 유기물이 석유생성창을 통과했을 것으로 추정된다면 그곳은 유망 탐사 지역이 될 수 있습니다. 이때 인접한 덮개암의 밀봉 능력과 저류암(reservoir rock)의 다공성 정도가 어떠한지도 중요한 변수입니다. 왜냐하면 생성된 석유가 빠져나가거나, 반대로 너무 낮은 투과성 때문에 흐르지 못하면 상업적으로 시추하기 곤란하기 때문입니다.
또한 지질학적 시간 스케일에서 볼 때 한 번 매장된 석유가 영원히 그대로 있는 것은 아닙니다. 지각 변동, 화산활동, 판 이동 등 다양한 지질 작용으로 인해 석유가 분산되거나 유출될 수 있습니다. 경우에 따라서는 지표로 흘러나와 자연 분출(타르피트 혹은 오일샌드 형태)로 나타나기도 합니다. 이런 흔적은 고대 인류가 석유를 최초로 발견하고 이용하게 된 계기가 되었고 현대에는 이러한 자연 유출 지대를 통해 석유 매장 가능성을 탐사하는 단서로 삼기도 합니다.
결국 석유는 지구 내부의 복합적 환경 조건—온도, 압력, 지질 구조—이 맞물려 형성되는 탄화수소 혼합물입니다. 너무나 긴 시간에 걸쳐 생성되기에 한 번 추출한 석유를 인간의 기준에서 ‘재생되는 자원’이라고 부르기에는 무리가 크다는 점을 잊지 않아야 합니다.
석유 기원: 무기적 기원설의 개념과 논쟁
대다수 과학자들은 석유가 유기물에서 기원한다고 믿지만 역사적으로 무기적 기원설(inorganic origin theory)도 꾸준히 제시되어 왔습니다. 무기적 기원설이란 지구 깊은 곳, 예컨대 맨틀 부근에서 탄화수소가 화학적 반응으로 직접 생성되었을 가능성을 주장하는 이론입니다. 이는 19세기 러시아 과학자 드미트리 멘델레예프와 같은 인물들이 처음 제안했으며 이후 일부 지질학자나 화학자들이 지지 근거를 제시하며 학계에서 간헐적으로 논쟁이 이어졌습니다.
무기적 기원설을 지지하는 이들은 탄화수소가 고온·고압 상태에서 무기물과 반응하여 형성될 수 있으며 다이아몬드나 그래파이트처럼 탄소가 무기적 과정으로 결정화되는 예시를 듭니다. 또한 지구 내부 깊숙이 존재하는 탄산염암, 마그네슘 화합물, 철 화합물 등이 특정 환경에서 탄화수소를 만들어낼 수 있다는 실험적 가능성도 언급됩니다. 실제로 실험실에서 아주 높은 압력과 온도를 가하면 소량의 메탄이나 더 복잡한 탄화수소를 합성해낼 수 있음이 증명된 적이 있습니다.
하지만 무기적 기원설이 실제 지하 환경에서 대규모 석유 매장을 설명할 수 있는가에 대해서는 회의적인 시각이 많습니다. 우선 석유에 포함된 생물 기원 지표(바이오마커)나 탄소 동위원소 비율은 대부분 생명체의 흔적을 보여줍니다. 이는 화학 반응만으로는 쉽게 재현하기 어려운 형태의 분자들이 석유 안에 존재함을 의미합니다. 또한 전 세계에서 발견되는 대규모 석유 매장지는 해양 생물 퇴적이 활발했던 고지질학적 환경과 대부분 밀접한 관련이 있습니다. 만약 무기적 기원설이 주요한 역할을 한다면 유기물 퇴적과 무관하게 탄화수소가 발견될 만한 지층에서도 비슷한 규모의 석유 매장이 발견되어야 하겠지만 그런 사례가 희박한 것이 현실입니다.
그렇다고 해서 무기적 기원설이 완전히 배제되는 것은 아닙니다. 실제로 지각 내부 깊은 곳에서 극히 일부 탄화수소가 무기적 반응으로 생성될 수 있다는 가능성은 제기되며, 일부 소규모 가스 분출 현상이나 특수한 환경에서 그 기원을 무기적 생성으로 해석할 여지도 있습니다. 그러나 오늘날 우리가 이용하는 대부분의 대규모 석유·가스 매장지를 설명하기에는 유기적 기원설이 훨씬 적합하고 다양한 증거가 뒷받침하고 있습니다. 따라서 학계 다수 의견은 “무기적 기원 과정이 전혀 없는 것은 아닐 수 있지만 산업적으로 중요한 석유 대부분은 유기적 기원이다”라는 쪽으로 모아지고 있습니다.
석유 기원: 통합적 이해와 미래 전망
석유 기원에 대한 학문적 통찰과 함께 우리는 미래에 대한 전망도 함께 고려해야 합니다. 인류가 산업혁명 이후 빠르게 발전해 온 데에는 석유가 매우 큰 역할을 했습니다. 그러나 21세기에 들어서면서 기후 변화와 환경 오염, 자원 고갈 문제에 대한 인식이 높아졌고, 탈탄소 및 재생에너지 전환이 중요 과제로 떠올랐습니다. 그럼에도 불구하고 석유가 당장 사라질 수는 없습니다. 왜냐하면 석유가 단순히 에너지원으로만 쓰이는 것이 아니라 각종 화학제품(플라스틱, 의약품, 비료, 합성섬유 등)의 원료로도 필수적이기 때문입니다.
석유가 유기물 퇴적과 긴 지질학적 시간에 걸쳐 형성된다는 사실을 다시 생각해 보면 인류가 단기간에 석유 자원을 재생산해낼 방법은 현재로서는 없습니다. 지층에서 인공적으로 이 과정을 ‘가속’하려는 다양한 실험이 이뤄져 왔으나, 경제적으로 대규모 생산이 가능할 정도로 효율적인 기술은 등장하지 못했습니다. 따라서 기존 매장지를 탐사하고 효율적으로 개발하는 동시에, 환경 영향을 최소화하면서 사용해야 한다는 요구가 커지고 있습니다.
무기적 기원설이 만약 더 큰 비중을 차지한다고 판명되어 석유가 맨틀 깊은 곳에서 계속 솟아나온다면 석유 고갈 우려가 크게 줄어들 수도 있다는 주장도 제기되곤 합니다. 하지만 그 가능성은 현재까지의 연구 결과를 종합했을 때 극히 낮습니다. 오늘날 경제성을 갖춘 대규모 석유 매장지는 지구 역사에서 유기물이 대거 퇴적되었고 적절한 지질 구조가 형성된 영역에 집중되어 있습니다. 이를 토대로 볼 때, 향후에도 유기적 기원을 기반으로 한 석유 탐사가 지속될 전망입니다.
더 알고 있으면 좋은 것들
미래 에너지 수급 차원에서는 석유의 지위가 서서히 줄어들 가능성이 큽니다. 태양광, 풍력, 수소 에너지 등 새로운 재생에너지가 점차 비용 경쟁력을 갖추게 되었고, 전기차나 연료전지차의 보급도 늘어나는 추세입니다. 그럼에도 석유가 전 세계 경제에서 차지하는 비중이 여전히 매우 높다는 점을 감안하면 단기간에 완전 대체가 이뤄지리라고 보기는 어렵습니다. 특히 석유화학 제품에 대한 수요는 향후에도 일정 부분 유지될 것으로 전망되므로 석유는 적어도 수십 년 이상은 여전히 중요한 자원으로 남을 것입니다.
결론적으로 석유 기원은 유기적 기원설이 과학계에서 주류를 이루고 있으며 무기적 기원설 역시 제한적인 사례로 인정받으나 대규모 매장지 설명에는 부족하다는 것이 중론입니다. 이러한 지질학적 원리를 이해하는 것은 석유 탐사와 생산, 자원 활용 및 에너지 정책 수립에 있어 필수적인 지식입니다. 더불어 인류가 앞으로도 지속 가능성을 추구하려면 석유 자원을 어떻게 적절히 활용하고 대체 에너지를 개발해 나갈 것인지에 대한 진지한 고민이 필요합니다. 석유는 지구상의 생명이 남긴 오래된 흔적이자 현대 문명 사회를 움직이는 중요한 동력입니다. 이 소중한 자원을 올바르게 사용하고 다음 세대에도 건강한 지구를 물려주기 위해서는 석유의 형성과 그 기원을 깊이 이해하고 책임감 있게 다루는 노력이 지속되어야 합니다.
맺음말
이상으로 석유가 어떠한 과정을 통해 지하에 형성되는지, 그리고 유기적 기원과 무기적 기원 이론의 핵심 내용 및 논쟁 지점을 살펴보았습니다. 석유가 지니고 있는 경제적·산업적 가치와 더불어, 그 기원과 생성 과정을 살펴보면 우리가 사용하는 자원이 얼마나 오랜 세월과 복합적인 지질학적 작용의 산물인지 깨닫게 됩니다. 앞으로도 에너지 전환과 환경 보존이라는 과제 속에서 석유는 중요한 위치를 차지할 것이며, 이에 관한 과학적·기술적 연구와 책임 있는 활용이 더욱 강조될 것입니다.