Fault-related basins as carbon reservoirs: Soil CO2 emission in the SE Korean Peninsula

Abstract

Carbon dioxide (CO2) is one of the main components of greenhouse gases. The carbon cycle and the CO2 sources and sinks are well studied, and fault systems are known to play significant roles in the natural C emission, as higher volatile fluxes were reported where permeable fracture zones exist. Most of the studies focused on the degassing through faults itself, while the role of sedimentary basins along the faults is rarely studied. In this study, we carried out a broad-scale CO2 flux survey in South Korea along with the Yangsan Fault System (YFS), including some fault-related natural springs and soil in the riverside. The CO2 flux was measured through the accumulation chamber method and associated with the graphical statistical analysis and isotope (13C-CO2) analysis. High CO2 flux (119.5 g m-2 d-1 ~ 77,699.5 g m-2 d-1) was observed in the fault-related carbonic springs, mainly located in the northern part of the YFS, while in the central part of the YFS, high soil CO2 fluxes (0.5 g m-2 d-1 ~ 1,240 g m-2 d-1) were observed along the Hyeongsan River with alluvium deposits. Carbon isotope compositions show that the deep mantle source contributes to the carbonic spring CO2 through the fault (-14.03 ‰ ~ -7.44 ‰), and soil CO2 originates from shallow biogenic sources deposited in fault-forming basins (-22.82 ‰ ~ -13.53 ‰). In addition, in a survey after a small earthquake at the survey site, we found changes in soil CO2 flux near the epicenter, that might be associated with the earthquake. A simple calculation of the total emission shows that a significant amount of CO2 is being released along the YSF and gives an implication that faults and fault-related basins could play important roles on the global carbon cycle as unknown carbon reservoir. This study along the YSF gave a unique opportunity to observe both massive tectonic degassing and biogenic CO2 emission, and investigate CO2 emission comprehensively with the roles of faults, fault-related sedimentary basins, and fluvial systems along with the fault system.

이산화탄소는 주요 온실 기체 중 하나로 탄소 순환과 그 안에서의 이산화탄소의 이동은 많이 연구되어왔다. 그 중 자연적인 탄소 배출원과 관련해서는 단층이 중요한 역할을 한다고 잘 알려져있는데, 이는 단층대의 파쇄대를 따라서 이산화탄소를 비롯한 휘발성 성분 플럭스가 높게 관측되었기 때문이다. 그러나 대부분의 연구는 단층대를 통한 기체 유출 그 자체에만 초점을 맞춰왔고, 단층과 연관된 퇴적 분지의 역할은 그동안 주목받지 못했다. 이를 위해서 본 연구에서는 대한민국의 양산단층대를 따라 이산화탄소 플럭스 조사를 실시했다. 조사는 단층과 연관되었다고 알려진 자연 약수 및 단층대를 따라 분포하는 강변의 토양에서 실시했고, accumulation chamber method를 이용한 플럭스 측정과 graphical statistical analysis (GSA) 를 이용한 플럭스 분석 및 이산화탄소의 탄소 동위원소 분석을 수행하였다. 그 결과 주로 양산 단층대의 북부 지역에 위치한 자연 약수에서 높은 이산화탄소 플럭스 (119.5 g m-2 d-1 ~ 77,699.5 g m-2 d-1)가 관측되었고, 양산단층대 중부 지역에서는 형산강 근처 토양에서 높은 플럭스 (0.5 g m-2 d-1 ~ 1,240 g m-2 d-1)가 관측되었다. 또한 탄소동위원소 분석 결과는 자연 약수를 통해서는 맨틀 기원의 이산화탄소 (-14.03 ‰ ~ -7.44 ‰)가 방출되고, 강변의 토양을 통해서는 단층 분지에 퇴적된 천부 생물학적 기원의 이산화탄소 (-22.82 ‰ ~ -13.53 ‰)가 방출됨을 지시한다. 그리고 조사 지역에서 발생한 소규모 지진 이후 실시한 조사에서는 지진과 연관성이 있을 수 있는 토양 이산화탄소 플럭스의 변화가 간측되었다. 총 유출량 계산 결과는 상당량의 이산화탄소가 양산단층대에서 대기 중으로 유출되고 있음을 지시하고, 이는 탄소 순환에 있어서 단층과 단층분지가 탄소 저장소로써 중요한 역할을 할 수 있다는 사실을 함의한다. 양산단층대에서 수행된 본 연구를 통해서 대규모의 지질학적 그리고 생물학적 기원의 이산화탄소 유출을 모두 관측할 수 있었고, 단층과 퇴적분지, 그리고 하천 시스템과 관련해서 종합적으로 이산화탄소 유출을 분석할 수 있었다.