바크레스와르 지열지역의 헬륨 기반 정량적 잠재력 평가

초록

본 연구는 인도 동부 바크레스와르 지역의 온천에서 방출되는 ^4He 농도를 이용해 방사성 붕괴에 의한 지열 생산량을 추정한다. ^4He 방출량을 기반으로 계산한 결과, 해당 지열 저장층이 약 1 100 m 깊이에 위치하며, 현재 측정된 열에너지는 약 38 MW에 불과함을 제시한다. 또한 전기저항 탐사를 통해 최적의 시추 위치를 제시한다.

상세 분석

이 논문은 전통적인 지구물리·지구화학 탐사 대신 방사성 핵종( ^238U, ^235U, ^232Th )의 붕괴 과정에서 생성되는 ^4He의 방출량을 정량화하여 지열 잠재력을 평가하는 새로운 접근법을 제시한다. 핵심 가정은 ^4He가 방사성 붕괴와 동시적으로 발생하며, 지하 저장층에서 축적되지 않고 즉시 온천을 통해 방출된다는 ‘정상 상태’이다. 이를 검증하기 위해 Agni Kunda 온천에서 측정된 ^4He 농도(1.48 %–2.63 % vol)와 3He/4He 비율(0.91 × 10⁻⁶–5.89 × 10⁻⁶)을 이용해 연간 ^4He 방출량을 산출하고, 각 핵종별 열생산계수( U: 9.5 × 10⁻⁵ W kg⁻¹, Th: 2.6 × 10⁻⁴ W kg⁻¹  등)와 결합해 총 열에너지(≈ 38 MW)를 추정한다.

지열 저장층의 깊이는 전기저항 탐사(AMT)와 VES 결과를 토대로 1 100 m 정도로 추정했으며, 이는 지역의 높은 지열구배(~ 90 °C km⁻¹)와 열유속(~ 230 mW m⁻²)과 일치한다. 저항도 프로파일에서 2.8 km~4 km 구간에 저저항대가 존재함을 확인했으며, 이는 열전도성이 높은 암석이 존재함을 의미한다. 이러한 지질·지구물리적 특성을 바탕으로 저저항 구역과 단층이 교차하는 지점을 시추 후보지로 제시한다.

하지만 방법론에는 몇 가지 한계가 있다. 첫째, ^4He 방출량이 온천 외 다른 지점(다른 온천, 토양가스 등)에서 측정되지 않아 전체 지열 시스템을 과소평가할 가능성이 있다. 둘째, ^3He/4He 비율을 통해 마그마성 ^3He 기여를 정량화하려 했으나, 데이터가 제한적이어서 방사성 ^4He만을 기준으로 열생산을 계산했다. 셋째, 열전달 메커니즘(전도·대류)의 비율을 명시적으로 고려하지 않아 실제 발전 가능 용량과 차이가 발생할 수 있다.

그럼에도 불구하고, 방사성 헬륨을 이용한 지열 평가 방법은 비용 효율적이며, 초기 탐사 단계에서 빠르게 잠재 지역을 선별하는 데 유용하다. 특히 인도처럼 온천이 다수 존재하지만 정밀 탐사가 부족한 지역에 적용하면, 기존의 복잡하고 비용이 많이 드는 시추·시료 분석 절차를 대체하거나 보완할 수 있다.