4. 암석의 풍화

1) 암석의 풍화(Rocking weathering) : 암석이 대기 중에서 기계적 및 화학적으로 변하여 작게 파괴되는 과정이다.


2) 기계적 풍화(물리적 풍화)

⊙ 기계적으로 암석이 파괴되는 주요 원인은 위에 놓였던 하중의 제거에 의한 압력의 감소와 물의 동결이다.

(1) 압력의 제거

- 지하 깊은 곳의 암석이 융기하면 침식작용을 받게 되고, 위에 놓여 있던 두꺼운 암석이 깎이면 암석에서 높은 압력이 점점 제거되므로 암석은 팽창하면서 지표에 노출되기 전에 많은 틈, 즉 절리를 가지게 된다.

- 압력의 제거로 생긴 절리는 그들 사이의 간격이 크므로 암석을 곧 작은 조각으로 만들지 못하나, 이 절리에 따라 물·공기·생물의 작용이 일어나기 시작하여 다음 단계의 파괴작용을 일으킬 터전을 마련해 주는 중요한 역할을 한다.

(2) 물의 동결

- 물이 얼면 부피가 9% 증가한다.

- 암석의 틈 속에 들어간 물이 겉에서부터 얼어 들어가면 속의 물은 밀폐된 상태에 놓이게 되고, 이것이 얼 때 부피의 증가는 암석을 쪼갤 수 있는 큰 압력을 일으킨다. ⇢ 밀폐공간에서 물이 얼어서 1℃의 얼음으로 변하면 주위에 약 100㎏/㎠이다.

- 그러나 얼음은 큰 압력에 강하지 못하므로 겉의 얼음이 틈 밖으로 밀려 나오므로 틈 속의 압력은 곧 감소한다.
  
- 이렇게 하여 물의 동결이 이론적인 압력을 나타내지 못하더라도 물이 얼었다 녹는 과정이 반복되면 암석은 잘게 쪼개진다. → 쐐기작용(Frost wedging)

(3) 결정의 작용
  
- 물에 녹아 있는 물질은 물이 말라 버리면 결정으로 변하게 된다. 암석이나 광물들 사이의 작은 틈 속에 이러한 결정이 생겨나면 얼음과 비슷하게 주위에 압력을 가하여 이들을 쪼갠다.
        
- 빗물이 토양 중을 흐르는 동안에 광물질을 녹이게 되고 이것이 암석의 틈 속에 들어간 후 건조되면 암석의 파괴가 일어난다.
  
(4) 기타
    
- 산불에 의한 암석의 가열, 벼락에 의한 충격 등이다
  
(5) 식물의 작용
        
- 식물 특히 큰 나무의 뿌리는 암석의 절리나 성층면을 따라 들어가면서 틈을 넓힌다.
        
- 나무가 바람으로 넘어지면 뿌리와 함께 암석을 뒤집어 놓는다. 그러나 식물 뿌리의 기계적인 작용보다 화학적인 작용이 더 큰 지질학적 역할을 하고 있는 것으로 생각된다.
  
◎ 온도 변화
        
- 암석은 낮에 가열되었다가 밤에는 냉각된다. 밤과 낮, 계절에 따라 암석의 표면온도는 변한다.
        
- 조암광물은 종류에 따라 그 팽창률이 다르므로 오랫동안 이런 변화가 계속되면 암석은 파괴될 것으로 생각하는 사람도 있으나, 아직 온도 변화나 태양에 의한 암석의 가열이 암석을 파괴한다는 것을 실험으로 증명한 사람은 없다.


3) 화학적 풍화
  
⊙ 빗물은 대기의 여러가지 성분을 녹여 가지고 있으며, 이 물은 암석 중의 광물과 작용하여 용해, 산화, 탄산화, 가수분해, 수화, 이온교환, 킬레이션을 일으켜 결국 암석을 파괴해 버린다.
  
(1) 광물의 화학적 풍화 : 조암광물은 유색광물이 화학적 풍화에 약하고 석영이 강하며 저항의 강도는 아래 순서와 같다.
✎ 저항의 강도

감람석 → 휘석류 → 각섬석류 → 흑운모 → 장석(칼슘사장석→나트륨사장석→칼리장석) → 백운모 → 석영
  
(2) 장석의 풍화 : 대기와 토양 중의 CO₂는 빗물에 쉽게 녹아 약한 탄산이 되며, 물에 수소이온(H+)을 증가시킨다.
  
     H₂O + CO₂  ⇄  H₂CO3₃  ⇄  H⁺ + HCO3-
        
- 이런 물은 정장석에 가수분해(Hydroysis)를 일으킨다.                      
    
2KAlSi₃O₈ + 2H₂CO₃ + 9H₂O
    정장석           탄산           물
→ Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4H₄SiO₄ + 2K⁺ + 2HCO₃-
          고령석            규산(용액) 칼륨이온 중탄산이온
        
- 사장석(NaAlSi₃O₈와 CaAl₂Si₂O₈의 고용체), 정장석의 K 대신 Na는 NaHCO₃(중탄산소다)로 Ca는 Ca(HCO₃)₂(중탄산칼슘)으로 되며, 후자가 CO₂를 잃어버리면 석회분으로 변한다.

      Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + H2₂O + CO₂ ↑

석회암은 이렇게 사장석이나 Ca를 포함한 다른 광물의 화학적 풍화로 생성된 것이 침전한 것이다.
        
- 고령석(산화물로 표현된 분자식은Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O) : 고령석은 점토광물의 일종으로서 점토의 주성분이며, 온대지방에서는 안정한 2차광물이다. 그러나 비가 많이 내리는 열대지방에서는 고령석은 다시 가수분해되어 보오크사이트가 된다.
                      
Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 5H₂O
                                     → Al₂O₃·3H₂O + 2H₄SiO₄
                                                         보오크사이트
  
(3) 유색광물의 풍화
        
- 감람석은 가수분해를 받아 완전히 녹아 버린다. 물론 이런 변화에는 긴 시간과 많은 물이 필요하다.

  (Mg,Fe)₂SiO₄ + 4H⁺ → (Mg⁺⁺,Fe⁺⁺) + H₄SiO₄
         감람석

이 변화로 생긴 Mg⁺⁺는 흘러가는 도중에 MgCl2와 기타로 변하고, Fe⁺⁺는 산화 또는 수화작용을 받아 토양을 빨갛게 또는 노랗게 물들이는 갈철석과 적철석이 된다.
    
- 다른 유색광물들은 복잡한 규산염광물이지만 모두 가수분해 및 수화작용을 받아 고령석, 갈철석, 적철석을 만들고 Mg, Ca, Fe의 화합물을 생성케 한다.
  
(4) 석영의 풍화
        
- 석영은 물에 잘 녹지 않는 광물이므로 화학적 풍화를 잘 받지 않아, 다른 광물이 분해된 후에도 모래로 남는다.
        
- 사암은 대부분이 이런 모래가 모여 만들어진 퇴적암이다.
  
(5) 석회암의 풍화
        
- 탄산화작용 : CaCO₃(석회암 또는 방해석)는 CO₂가 용해되어 있는 물에 녹는다.

    CaCO₃ + H₂O + CO₂  ⇄  Ca⁺⁺ + 2HCO₃-
        
- 석회암은 질산이나 유기산에 의하여도 용해된다.

(6) 킬레이션(Chelation) : 생물이나 유기물이 일으키는 생화학적 풍화작용으로서, 생물이 분비하는 산이나, 생물의 부패로 생겨나는 산(부식산이나 기타 산)과 이산화탄소가 암석을 용해 또는 파괴하는 작용이다.


4) 풍화와 기후 및 지형

(1) 비가 많은 열대지방
        
- 기계적 풍화작용을 받지 않으나 오랜 화학적 풍화작용의 결과, Al이 집중된 흰 보오크사이트로 된 토양 및 Fe가 집중된 빨간 라테라이트로 된 토양이 발달한다.
        
- 석회암지대는 동굴이 많고 거친 지형을 나타낸다.
  
(2) 온대지방
        
- 물의 동결이 일어나는 겨울이 있으므로 기계적 풍화와 화학적 풍화의 세력이 비슷하다.
        
- 비가 많이 내려도 점토광물은 보오크사이트로 변하지 않고, 지하에 모여 점토층을 만든다.
  
(3) 건조한 온대지방: 석회암이 심성암이나 변성암보다 높은 지형을 만드는데, 석회암이 기계적 풍화에 강하기 때문이다.
  
(4) 한대지방
        
- 기계적 풍화가 우세하고, 화학적 풍화는 거의 일어나지 않는다.
        
- 한대에서는 석회암이 가장 저항이 큰 암석으로 산맥을 형성한다.