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빙결 풍화 작용

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목차

1. 개요

빙결 풍화 작용은 물이 얼면서 부피가 팽창하여 암석을 파괴하는 물리적 풍화 작용의 한 유형이다. 물이 얼면서 부피가 9% 증가하는 현상을 기반으로 하며, 암석의 공극 내에서 얼음 결정이 성장하여 암석을 약화시킨다. 이러한 작용은 암석의 절리나 공극에 물이 포화된 상태에서 발생하며, '얼음쐐기' 현상으로 나타나기도 한다. 동결 파쇄 작용은 동상에 취약한 토양에서 얼음 렌즈가 형성되는 과정과 유사하게, 암석 표면의 서리 박리 현상을 유발하고, 아스팔트 포장에도 균열을 발생시켜 포트홀 형성에 영향을 미친다. 빙결 풍화 작용은 한반도, 툰드라 지대, 알프스 산맥 등에서 관찰되며, 암석의 종류에 따라 파쇄 정도가 다르다.

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빙결 풍화 작용
개요
정의물이 얼어서 팽창할 때 생기는 압력으로 인해 암석이나 기타 물질이 분해되는 기계적 풍화 과정이다.
다른 이름빙결 파쇄, 빙결 풍화, 서릿발 풍화, 얼음 쐐기 작용, 수압 파쇄.
관련 현상크라이오프랙처링
과정
작동 원리물이 암석의 틈새로 스며든다.
물이 얼면 부피가 9% 정도 팽창하여 암석에 압력을 가한다.
반복적인 동결-융해 사이클은 암석을 점진적으로 약화시키고 부수어 조각으로 만든다.
영향 요인물의 공급량
온도 변화의 빈도와 강도
암석의 종류와 강도
암석 내 균열의 크기 및 분포
발생 환경
주요 지역추운 기후 지역
고산 지대
겨울철에 기온이 영하로 내려가는 지역
특징물이 풍부하고, 동결-융해 과정이 자주 일어나는 환경에서 활발하게 발생한다.
암석의 종류에 따라 풍화 속도가 다르다.
탈루스 경사면이나 애추와 같은 지형 형성에 기여한다.
영향
지형 형성애추 또는 탈루스 경사면 형성
암괴류 형성
계단식 지형 형성
나마 형성
건축물 파괴도로, 교량, 댐 등의 콘크리트 구조물 파괴
석조 건축물 손상
기타토양 생성에 기여
광물 자원 노출
추가 정보
서릿발 펌핑 (Frost Pumping)입상 토양과 암석에서 물이 모세관 작용으로 표면으로 이동하여 얼음 렌즈를 형성하는 과정. 이는 주변 토양을 건조시키고, 더 많은 물을 끌어들이는 원동력이 된다.
아비스코 (Abisko)스웨덴 북부의 아비스코에서는 노출된 암석 표면의 온도가 0°C 이하로 유지되는 기간이 1년에 200일이 넘는 것으로 나타났다.
최적 온도최적의 서릿발 풍화 온도는 -3°C에서 -8°C 사이이다.

2. 동결 파쇄의 메커니즘

암석이나 암반의 틈새, 퇴적된 층 사이 등에 물이 스며들어 동결하면서 부피가 팽창하고, 이 압력으로 인해 암석이 자갈 크기로 부서지는 현상을 동결 파쇄 작용이라고 한다. 이러한 동결 파쇄 작용은 주로 두 가지 주요 메커니즘, 즉 물의 부피 팽창과 얼음 분리를 통해 설명된다.

2. 1. 부피 팽창

빙결 풍화 작용에 대한 전통적인 설명은 얼어붙는 물의 부피 팽창에 초점을 맞춘다. 물이 얼음으로 변할 때 부피가 약 9% 증가하며,[8] 특정 조건 하에서는 이 팽창력만으로도 암석을 움직이거나 깨뜨릴 수 있다. 온도가 -22°C에 도달하면, 얼음의 성장은 최대 207MPa에 달하는 압력을 발생시킬 수 있는데, 이는 대부분의 암석을 파쇄하기에 충분한 힘이다.[8][6]

그러나 부피 팽창에 의한 빙결 풍화가 일어나려면 몇 가지 조건이 충족되어야 한다. 암석 내부에 얼음의 팽창을 흡수할 수 있는 압축 가능한 공기가 거의 없어야 하며, 물이 암석 내부에 가득 차(포화 상태) 모든 방향에서 빠르게 얼어붙어 물이 빠져나갈 틈 없이 압력이 암석 자체에 가해져야 한다.[8] 이러한 조건은 매우 특수한 경우로 여겨지며,[8] 주로 암석 표면에서 몇 센티미터 깊이 이내나, 이미 존재하던 큰 절리에 물이 채워져 얼면서 형성되는 ''빙설쐐기''와 같은 제한적인 상황에서 발생하는 것으로 이해된다.

모든 부피 팽창이 얼어붙는 물 자체의 압력 때문만은 아니다. 얼음이 성장하면서 암석 내의 기공에 있는 얼지 않은 물에 응력을 가해 암석을 파괴하는 경우도 있는데, 이를 수압 파쇄라고 한다. 수압 파쇄는 암석 내부에 크고 서로 연결된 기공이 많거나 큰 수압 경사가 존재할 때 더 쉽게 일어난다. 반대로 기공이 매우 작을 경우, 암석의 특정 부분에서 물이 매우 빠르게 얼어붙으면서 남아있는 물이 빠져나가려 하는데, 이때 물이 이동하는 속도보다 더 빠르게 얼음이 형성되면 압력이 급격히 상승하여 암석이 파쇄될 수 있다.

1900년대 초 물리적 풍화 연구가 시작된 이래, 부피 팽창은 1980년대까지 빙결 풍화의 가장 중요한 원리로 받아들여졌다.[7] 하지만 1985년과 1986년 Walder와 Hallet의 연구 발표 이후 이러한 관점에 대한 의문이 제기되었다.[8][7] 오늘날 Matsuoka와 Murton과 같은 연구자들은 부피 팽창만으로 빙결 풍화가 일어나기 위한 조건은 매우 특이한 경우라고 본다.[8] 최근의 많은 연구들은 얼음 결정이 분리되어 성장하는 과정(얼음 분리)이 일반적인 빙결 풍화 현상을 더 잘 설명하는 정량적 모델을 제공할 수 있는 반면, 전통적인 부피 팽창 모델은 그렇지 못하다는 점을 보여주고 있다.[9][10][11][12][13][14][15]

부피 팽창 작용은 암석이나 암반의 틈새, 퇴적된 지층 사이 등에 스며든 물이 동결하면서 팽창하고, 그 압력으로 인해 암석이 자갈 크기로 부서지는 현상을 일으킨다. 이 작용으로 만들어진 동결 파쇄 자갈들이 쌓여 거대한 각진 암석 조각들의 집합체인 암괴원(block field)을 형성하거나, 부서진 암석 조각들이 급경사면을 따라 떨어져 산기슭에 원뿔 모양으로 쌓여 애추(talus)라는 독특한 지형을 만들기도 한다.

동결 파쇄 작용의 결과는 암석의 종류에 따라 다르게 나타난다. 평평하고 뚜렷한 틈(절리)이 많은 셰일이나 편암, 또는 상대적으로 무른 이암이나 실트암은 쉽게 작은 조각으로 부서지는 경향이 있다. 반면, 평탄한 틈이 적고 단단한 심성암이나 사암 등은 큰 암괴를 형성하는 경우가 많다. 동결 파쇄 작용으로 생성된 토양은 주로 고위도 지역이나 해발고도가 높은 산악 지역에 분포하며, 유기물 분해(부식)가 잘 이루어지지 않아 매우 척박한 특징을 보인다. 또한, 이 과정에서 생성된 미세한 입자인 실트(silt)는 물에 의해 구조토의 세립부로 이동하여, 미고결 또는 반고결 상태의 퇴적물이 사면의 중력에 의해 미끄러져 내리는 슬럼핑(slumping) 현상을 유발하기도 한다.

2. 2. 얼음 분리 (Ice segregation)

특정 동상에 취약한 토양에서는 물이 모세관 현상을 통해 이동하여 어는점 근처에서 얼음 렌즈가 형성되고 성장하면서 얼게 된다. 이 과정에서 토양이 팽창하거나 동상 융기가 발생할 수 있다.[2] 이러한 현상은 암석의 공극(빈틈) 내에서도 일어난다. 얼음이 축적되면서 주변 공극에 있는 액체 상태의 물을 끌어당겨 점점 더 커지게 된다. 이렇게 얼음 결정이 성장하면 암석을 약화시키고 결국에는 부서지게 만든다.[3] 물이 얼면서 부피가 팽창하기 때문에, 주변을 둘러싼 암석 등에 상당한 압력을 가하게 된다. 이 과정은 습하고 온화한 기후 지역에서 노출된 암석, 특히 사암과 같이 구멍이 많은 암석에서 매우 흔하게 나타난다. 노출된 사암 표면 바로 아래에서 개별 입자가 하나씩 떨어져 나간 모래를 발견하는 경우가 많은데, 이 과정을 흔히 서리 박리(frost peeling)라고 부른다. 실제로 많은 지역에서 노출된 암석에 가장 큰 영향을 미치는 풍화 과정이기도 하다.

비슷한 과정이 아스팔트 포장에서도 작용하여 다양한 형태의 균열이나 손상을 일으킨다. 이는 차량 통행 및 물의 침투와 결합하여 포트홀 형성[4] 및 기타 포장면 거칠기 발생을 가속화한다.[5]

과거에는 빙결 풍화 작용을 주로 얼어붙는 물의 부피 팽창으로 설명했다. 물이 얼음으로 변하면 부피가 약 9% 증가하는데, 특정 조건에서는 이 팽창이 암석을 밀어내거나 깨뜨릴 수 있다. -22°C의 온도에서 얼음이 성장하면 최대 207 메가파스칼(MPa)에 달하는 압력을 생성할 수 있으며, 이는 어떤 암석이라도 부술 수 있는 강력한 힘이다.[8][6] 하지만 부피 팽창에 의한 빙결 풍화가 일어나려면, 암석 내부에 얼음의 팽창을 흡수할 만한 압축 가능한 공기가 거의 없어야 한다. 즉, 암석이 물로 완전히 포화된 상태에서 모든 방향으로 빠르게 얼어 물이 빠져나갈 틈 없이 압력이 암석 자체에 가해져야 한다.[8] 이러한 조건은 매우 특수한 경우로 간주되며,[8] 주로 암석 표면에서 몇 센티미터 이내의 얕은 부분이나, 이미 존재하던 물로 채워진 큰 절리에서 ''얼음쐐기''가 형성되는 과정에 국한된다고 본다.

모든 부피 팽창이 얼어붙는 물 자체의 압력 때문에 발생하는 것은 아니다. 얼지 않은 물에 가해지는 응력에 의해서도 발생할 수 있다. 얼음 성장이 암석 내 공극수의 압력을 높여 암석을 파괴할 때, 이를 수압 파쇄(hydraulic fracturing)라고 한다. 수압 파쇄는 암석 내부에 크고 서로 연결된 공극이 많거나 수압 경사가 클 때 더 잘 일어난다. 반면 공극이 작으면, 암석의 일부에서 물이 매우 빠르게 얼어붙어 물이 빠져나갈 수 있는 속도보다 빠르게 압력이 상승하여 암석이 파쇄될 수 있다.

1900년대 초 물리적 풍화 연구가 시작된 이래, 부피 팽창은 1980년대까지 빙결 풍화의 주된 메커니즘으로 여겨졌다.[7] 그러나 1985년과 1986년 Walder와 Hallet의 연구 발표 이후 이러한 관점에 변화가 생겼다.[8][7] 오늘날 Matsuoka와 Murton 같은 연구자들은 "부피 팽창에 의한 빙결 풍화에 필요한 조건"이 매우 특이하다고 본다.[8] 최근의 여러 연구는 전통적인 부피 팽창 모델보다는 얼음 분리 메커니즘이 실제 빙결 풍화 현상을 더 잘 설명하며 정량적인 모델을 제공할 수 있음을 보여준다.[9][10][11][12][13][14][15]

암석이나 암반의 틈새, 퇴적된 지층 사이의 틈에 물이 스며들어 동결하면 부피가 팽창하고, 그 압력으로 인해 암석이 자갈 조각으로 부서지는 현상이 발생한다. 이 작용으로 동결 파쇄 자갈이 만들어지며, 때로는 암괴원(block field)이라 불리는 큰 각력(모난 돌조각) 퇴적 지형이나, 부서진 암석 조각들이 급경사면을 따라 떨어져 산기슭에 쌓여 원뿔 모양의 애추(talus)라는 지형을 형성하기도 한다.

동결 파쇄 작용의 결과는 암석의 종류에 따라 다르게 나타난다. 얇고 평평한 틈이 많은 셰일(shale)이나 편암(schist), 상대적으로 무른 이암(mudstone)이나 실트암(silt)은 쉽게 부서져 작은 암편이 되기 쉽다. 반면, 평탄한 틈이 적은 심성암(plutonic rock)이나 사암(sandstone) 등은 큰 암괴를 형성하는 경향이 있다. 동결 파쇄 작용으로 생성된 동결 파쇄 토양은 주로 고위도 지역이나 해발고도가 높은 산악 지역에 분포하며, 유기물 분해(부식)가 잘 이루어지지 않아 매우 척박하다. 또한, 동결 파쇄로 인해 굵은 자갈과 함께 생성된 미세한 실트 입자는 물에 의해 구조토의 세립부로 이동하여, 미고결 또는 반고결 상태의 퇴적물이 중력에 의해 사면 아래로 미끄러져 내리는 슬럼핑(slumping) 현상을 유발하기도 한다.

3. 동결 파쇄 작용과 관련된 지역

동결 파쇄 작용은 주로 고위도 지역이나 해발고도가 높은 산악 지역에서 활발하게 일어난다. 과거 홍적세 후기에는 대륙 빙상 남쪽에 분포했던 빙결 파쇄 암설 툰드라 지대와 유럽의 알프스 산맥 상부 등이 대표적인 예이다. 이러한 지역들은 과거 강력한 빙결 파쇄 작용의 흔적을 보여준다.

3. 1. 툰드라 지대

후기 홍적세(Pleistocene)에는 강력한 빙결 파쇄 작용과 바람, 극지에 서식하는 생물에 의해 특징지어지는 빙결 파쇄 암설 툰드라 지대라는 지역이 있었다. 이곳은 과거 대륙 빙상의 남쪽에 분포했으며, 현재의 잉글랜드 남부, 북유럽 평원, 프랑스, 폴란드 부근의 동유럽, 러시아 일부가 이 지역에 해당한다.

특히 프랑스에서 폴란드까지 분포하는 지역은 뢰스 툰드라 지대라고 불리는데, 이 지역은 뢰스(loess)의 퇴적, 빙결 파쇄 작용으로 생성된 모래 등이 바람의 영향을 받았음을 보여주며, 연속적이거나 불연속적인 영구 동토(permafrost)로 덮여 있었다.

또한, 유럽의 알프스 산맥 상부에서도 빙결 파쇄 작용의 영향을 받는 지역이 있다. 이러한 장소에서는 빙결 파쇄로 생긴 쇄설물이 노출되어 분포하며, 툰드라 지대처럼 강한 바람과 추위 등 혹독한 생육 조건에 견딜 수 있는 이끼류 같은 식물이 드물게 자란다.

3. 2. 알프스 산맥

유럽의 알프스 산맥 상부에서도 빙결 파쇄 작용의 영향을 받는 지역이 있다. 이러한 장소에서는 빙결 파쇄 작용으로 만들어진 쇄설물이 노출되어 분포하며, 툰드라 지대처럼 강풍과 추위 등 혹독한 생육 조건에 견딜 수 있는 이끼류 같은 식물이 드물게 자란다.

4. 암석 종류에 따른 동결 파쇄

동결 파쇄 작용은 암석의 종류에 따라 그 결과가 다르게 나타난다. 암석의 내부 구조, 특히 틈새의 발달 정도나 암석 자체의 굳기와 같은 물리적 특성에 따라 파쇄되는 양상이 달라지기 때문이다. 예를 들어, 평활하고 명료한 틈새가 많거나 굳기가 약한 암석은 상대적으로 쉽게 작은 조각으로 부서지는 경향을 보인다. 반대로, 틈새가 적고 단단한 암석의 경우에는 작은 조각보다는 큰 암괴 형태로 깨지는 경우가 많다. 이처럼 암석의 종류는 동결 파쇄 작용의 결과로 나타나는 지형이나 퇴적물의 형태에 중요한 영향을 미친다.

4. 1. 쉽게 파쇄되는 암석

평활하고 명료한 틈새가 많은 셰일(shale)이나 편암(schist)은 동결 파쇄 작용에 의해 비교적 쉽게 작은 암편으로 부서진다. 또한, 굳기가 약한 이암(mudstone)이나 실트암(silt)도 동결 파쇄 작용에 의해 쉽게 파쇄되는 경향이 있다.

4. 2. 파쇄가 어려운 암석

평활한 틈새가 적은 심성암이나 사암과 같은 암석은 빙결 풍화 작용에 의해 상대적으로 파쇄되기 어려워, 작은 암편보다는 큰 암괴를 형성하는 경향이 있다. 이는 암석의 종류에 따라 동결 파쇄 작용의 결과가 달라짐을 보여준다.

5. 동결 파쇄와 포트홀

암석의 틈이나 공극 속으로 스며든 물이 얼면서 부피가 팽창하고, 이때 발생하는 압력으로 암석이 부서지는 현상을 동결 파쇄 또는 빙결 분리라고 한다. 물이 얼 때 주변의 액체 상태 물을 끌어당겨 얼음 렌즈가 성장하면서 암석 내부의 압력을 더욱 증가시킨다.[2][3] 이러한 과정이 반복되면 암석은 점차 약해져 결국 부서지게 되는데, 특히 사암과 같이 다공성 암석에서 흔하게 관찰된다. 노출된 암석 표면에서 암석 조각이나 모래 알갱이가 떨어져 나오는 현상을 '서리 박리'라고도 부른다.

이와 유사한 과정이 아스팔트 포장 도로에서도 발생한다. 도로 표면의 작은 틈으로 물이 스며든 후 얼고 녹기를 반복하면 균열이 커지고 도로 구조가 약해진다. 여기에 차량 통행으로 인한 지속적인 압력과 추가적인 물의 침투가 더해지면 파손이 가속화되어 결국 도로 표면에 움푹 파인 구멍인 포트홀이 생기게 된다.[4][5] 이는 도로 파손의 주요 원인 중 하나이다.

참조

[1] 논문 Climatic controls on frost cracking and implications for the evolution of bedrock landscapes 2007
[2] 논문 The mechanics of frost heaving https://apps.dtic.mi[...] 2010-04-20
[3] 서적 Quaternary and Recent Processes and Forms Geological Society
[4] 간행물 Pothole Primer: A Public Administrator's Guide to Understanding and Managing the Pothole Problem U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory 1989-12
[5] 웹사이트 Investigation of Low Temperature Cracking in Asphalt Pavements — Phase II (MnROAD Study) http://www.pooledfun[...]
[6] 서적 The mechanics of frozen ground https://books.google[...] Scripta Book Co.
[7] 논문 The Physical Weathering of Frost Weathering: Towards a More Fundamental and Unified Perspective 1986-02
[8] 논문 Frost weathering: recent advances and future directions https://onlinelibrar[...]
[9] 뉴스 Periglacial weathering and headwall erosion in cirque glacier bergschrunds Geology 2012-07-18
[10] 논문 The role of subglacial water in ice-sheet mass balance 2008-04-27
[11] 논문 Bedrock Fracture by Ice Segregation in Cold Regions 2006-11-17
[12] 논문 The physics of premelted ice and its geophysical consequences
[13] 논문 Interfacial Premelting and the Thermomolecular Force: Thermodynamic Buoyancy
[14] 논문 A theory for ice-till interactions and sediment entrainment beneath glaciers https://pages.uorego[...]
[15] 논문 Differential frost heave model for patterned ground formation: Corroboration with observations along a North American arctic transect https://www.geobotan[...]


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