풍화
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1. 개요
풍화는 암석이 물리적, 화학적 작용에 의해 파괴되는 현상이다. 물리적 풍화는 온도 변화, 물의 작용, 압력 변화 등에 의해 암석이 부서지는 것을 말하며, 동결 풍화, 열응력 풍화, 압력 해제, 염류 풍화, 건습 풍화 등이 있다. 화학적 풍화는 물, 산소, 이산화탄소 등이 암석과 반응하여 암석이 분해되는 것으로, 용해, 산화 환원, 가수 분해, 수화 등이 있다. 이러한 풍화 작용은 해저 지각과 인공 구조물에도 영향을 미친다.
물리적 풍화(기계적 풍화)는 암석이 화학적 조성 변화 없이 물리적인 힘에 의해 작은 조각으로 부서지는 현상이다. 암석에 압력이 가해져 발생하며, 한랭 건조한 기후에서 잘 일어난다.
화학적 풍화는 광물이 물, 산소, 이산화탄소 등과의 화학 반응을 통해 분해되거나 용해되는 현상이다. 광물 결정 구조가 약할수록 풍화에 취약하며, 특히 고온 다습한 기후에서 활발하게 일어난다. 산성비는 대표적인 화학적 풍화 작용의 예시이다.[38]
2. 물리적 풍화 (기계적 풍화)
물리적 풍화는 다음과 같은 요인들에 의해 발생한다.
화학적 풍화와 물리적 풍화는 별개의 과정으로 생각되지만, 실제로는 화학적 풍화가 먼저 일어나고 물리적 풍화가 최종 단계로 발생하기도 한다.[38] 물리적 풍화로 넓어진 균열은 화학적 작용에 노출되는 표면적을 증가시켜 분해 속도를 높이기도 한다.
물리적 풍화의 종류는 다음과 같다.2. 1. 동결 풍화 (Frost weathering)
동결 풍화(frost weathering)는 물이 얼면서 부피가 팽창하는 힘으로 암석이 부서지는 현상을 말한다. 이는 한랭지에서 발생하는 물리적 풍화의 일종이다.[5] 물이 암석의 틈새로 스며들어 얼면 부피가 약 9% 증가하는데, 이 팽창으로 인해 발생하는 압력은 이론적으로 200MPa 이상이지만, 실제로는 14MPa가 상한선이다. 이는 화강암의 인장 강도(4MPa)보다 훨씬 크다.[6]
동결 풍화에는 두 가지 주요 메커니즘이 존재한다.
동결 풍화는 주야로 동결 온도를 오르내리는 동결 융해 사이클이 빈번하게 발생하는 지역에서 잘 일어난다. 동결 파쇄가 일어나기 쉬운 노암이 펼쳐진 산악 지역에서는 노암면 기저부에 애추가 형성되기도 한다. 그러나 기온이 항상 영하인 곳에서는 물이 암석에 침투하지 않아 동결 풍화가 진행되지 않는다.
2. 2. 열응력 풍화 (Thermal stress weathering)
'''열응력 풍화'''는 온도 변화로 인해 암석이 팽창하고 수축하면서 발생하는 풍화 작용이다. 암석이 가열되면 팽창하고, 냉각되면 수축하는데, 이러한 과정이 반복되면서 암석에 피로가 쌓여 결국 부서지게 된다.[8]
열응력 풍화는 크게 열충격과 열피로의 두 가지 유형으로 나뉜다. 열충격은 급격한 온도 변화로 인해 암석에 큰 응력이 발생하여 즉시 깨지는 현상이다. 반면, 열피로는 암석이 즉시 파괴될 정도는 아니지만, 반복적인 온도 변화로 인해 암석이 점차 약해지는 현상이다.[8]
열응력 풍화는 낮과 밤의 일교차가 큰 사막 지역에서 중요한 풍화 작용으로 알려져 있다.[9] 하지만, 춥고 건조한 기후나 산불과 같이 급격한 온도 변화가 발생하는 환경에서도 나타날 수 있다.[8][10]
20세기 초에는 열응력 풍화의 중요성이 과소평가되기도 했다. 당시 실험에서는 작은 암석 표본을 사용하고, 모든 방향으로 자유롭게 팽창할 수 있도록 조건을 설정했기 때문에, 실제 자연 환경에서 발생하는 응력을 제대로 재현하지 못했다는 비판이 있었다.[8]
하지만, 최근에는 지형학자들을 중심으로 열응력 풍화의 중요성이 다시 강조되고 있다. 특히 추운 기후에서 열응력 풍화가 중요한 역할을 한다는 연구 결과들이 나오고 있다.[8]
熱風化일본어(thermal weathering영어)는 암석이 가열되어 팽창하고 냉각되어 수축하는 과정을 반복하면서 발생하는 풍화를 말한다. 가열의 원인으로는 햇빛(일사) 외에도 화재나 폭발 등이 있다. 햇빛에 의한 가열, 즉 낮의 일사에 의한 가열 팽창과 밤의 방사 냉각에 의한 수축의 경우에는 '''일사 풍화'''(insolation weathering영어)라고도 한다.
중위도 사막에서는 기온 변화에 비해 암석 표면의 온도 변화가 크고, 암석의 열전도율이 낮아 표면과 내부의 온도차가 커지기 때문에 암석 표면이 얇게 벗겨지는 박리 현상이나 구상 풍화가 촉진된다고 알려져 왔다.
그러나 1936년 D.T.Griggs가 화강암을 이용해 200년에 해당하는 일사를 인공적으로 재현한 실험에서는, 햇빛의 열만으로는 풍화가 진행되지 않고, 물을 추가했을 때 풍화 현상이 나타났다. 따라서 태양열은 풍화를 촉진하는 것이 아니라는 결론이 내려졌다.[38] 또한, 화재와 같이 급격한 온도 변화로 인한 파쇄(열충격 파쇄)에서도, 현무암이나 흑요석의 파쇄에는 300℃ 이상의 고온 환경과 급속한 가열 및 냉각의 반복이 필요하다는 것이 실험으로 밝혀졌다.
이처럼 실험 결과와 실제 현장에서의 관찰 결과가 항상 일치하지는 않기 때문에, 열풍화 작용에 대해서는 의문이 제기되기도 한다. 그러나 지금까지의 실험적 연구는 시료의 크기가 작고, 팽창과 수축이 자유로운 상태에서 실험되는 등, 실제 풍화 조건을 정확하게 재현하지 못한다는 비판도 있다. 또한, 암석을 구성하는 광물 입자 간이나 광물 입자 자체의 열팽창 계수 차이로 인해 암석 내부에 미세한 균열이 형성된다는 것도 실험으로 밝혀져, 열풍화를 완전히 부정하기도 어렵다.
2. 3. 압력 해제 (Pressure release)
'''압력 해제'''(Pressure release) 또는 '''제하 작용'''은 깊숙이 묻혀 있던 암석이 발굴될 때 나타나는 기계적 풍화의 한 형태이다. 화강암과 같은 관입 화성암은 지구 표면 깊숙한 곳에서 형성되며, 위에 놓인 암석 물질로 인해 엄청난 상재 압력을 받는다.[11] 침식이 일어나 위에 놓인 암석 물질이 제거되면, 관입 암석이 노출되고 그에 대한 압력이 해제되면서 암석의 바깥 부분이 팽창한다. 이 팽창은 암석 표면에 평행한 균열을 형성하는 응력을 발생시키며, 시간이 지남에 따라 암석 층이 균열을 따라 노출된 암석에서 떨어져 나오는데, 이를 박리 또는 시팅(sheeting)이라고 한다.[11]
압력 해제는 열적 풍화와 마찬가지로, 버트레스된 암석에서 가장 효과적이다. 여기서 버트레스되지 않은 표면을 향하는 차동 응력은 35MPa에 이를 수 있으며, 이는 암석을 쉽게 부술 수 있을 만큼 충분하다. 이 메커니즘은 광산 및 채석장에서의 스폴링 현상과 암석 노두의 절리 형성에도 영향을 미친다.
위에 있던 빙하가 후퇴하는 것 또한 압력 해제로 인한 박리를 유발할 수 있으며, 다른 물리적 풍화 메커니즘에 의해 강화될 수 있다.[11] 제하 작용에 의해 형성되는 것의 예로는 시팅 절리가 있으며, 화강암 돔의 표면 등에서 확인할 수 있다.
2. 4. 염류 풍화 (Salt weathering)
'''염 결정화'''('''염풍화''', '''염쐐기''' 또는 할로클라스티)는 암석의 틈이나 관절에 염분 용액이 스며들어 증발하면서 소금 결정이 남을 때 암석이 붕괴되는 현상이다. 얼음 분리와 마찬가지로, 소금 알갱이의 표면은 모세관 작용을 통해 추가적인 용해염을 끌어당겨 주변 암석에 높은 압력을 가하는 염 렌즈의 성장을 유발한다. 나트륨과 마그네슘 염은 염풍화를 일으키는 데 가장 효과적이다.[12] 염 결정화는 염이 증발에 의해 농축되는 곳이라면 어디에서든 발생할 수 있다. 따라서 강한 가열로 인해 증발이 심하게 일어나는 건조 기후와 해안가에서 가장 흔하게 발생한다.[12]
'''염류 풍화'''는 염류에 의한 풍화이다. 건조 지역에서의 증발암 형성에 수반되지만, 한랭지(남극 대륙 등)나 해안(염분 공급이 있기 때문에)에서도 염류 풍화는 발생한다. 염의 근원은 암석 속 염 용액이며, 해수, 빗물, 먼지, 화산 가스, 온천수, 암석에서 화학적 풍화로 용탈된 용액 등이 그 공급원이다.
염류 풍화의 가장 중요한 메커니즘으로는, 염을 포함한 용액에서 염류의 결정 성장 시 걸리는 압력이 있다. 수화 작용에 의해 생기는 응력(온도와 습도의 변화에 반응하여 수화와 탈수를 반복하는 염류는, 수화할 때 물을 흡수하여 염의 체적을 증가시킨다.)이나, 결정화된 염의 열에 의한 팽창 등도 염류 풍화의 원인이 될 수 있다. 염류 풍화에 의한 암석의 풍화는 입상 붕괴되는 경우가 많고, 그 풍화 생성물로서 실트가 생산된다. 또한, 염류 풍화에 의해 형성되는 지형으로 타포니와 벌집 구조, 파식와가 있다.
2. 5. 건습 풍화 (Wet-dry weathering)
점토를 함유한 이암이나 셰일은 점토광물이 물을 흡수하여 팽창하고, 건조 시에는 탈수 작용으로 수축하는 과정을 반복하면서 잘게 부스러지기 쉽다. 이러한 암석은 틈이 작을수록 팽윤압이 효과적으로 작용하여 풍화 속도가 빨라진다. 또한, 물에 젖고 마르는 환경이 반복되는 하상이나 해안 등에 있는 이암은 쉽게 부스러지며, 더 나아가 침식·제거되기 쉬운 곳에서는 낮은 지형이 형성되기 쉽다. 게다가, 건습 풍화가 일어나기 쉬운 암석으로 구성된 경사면에서는 산사태가 발생하기 쉽다.[1]
예를 들어, "귀신 빨래판"이라고 불리는 지형은 건습 풍화에 따른 지형의 한 예이며, 파식대(Wave-cut platform영어)의 오목한 부분만이 조수의 간만에 따라 건습 풍화를 받으면서 형성되었다.[2] 그 외에도, 후두(Hoodoo (geology)영어)도 건습 풍화에 의해 만들어진 지형이다.[3]
2. 6. 기타
식물 뿌리의 성장은 암석에 물리적인 압력을 가하여 틈을 벌리는 쐐기 작용을 일으킨다.[13] 두더지나 개미와 같은 동물들의 굴착 활동과 인간의 활동 역시 암석을 분해하는 물리적 풍화 작용에 해당한다.[13]
3. 화학적 풍화
대부분의 암석은 높은 온도와 압력에서 형성되지만, 지구 표면은 비교적 서늘하고 습하며 산화적인 조건이기 때문에 암석을 구성하는 광물은 화학적으로 불안정하다. 따라서 물, 산소, 이산화탄소 등의 화학 물질과 반응하여 광물의 조성이 변하게 된다. 이러한 반응을 통해 원래의 ''1차'' 광물은 ''2차'' 광물로 변환되고, 일부 물질은 용질로 제거되며, 가장 안정적인 광물은 화학적으로 변하지 않는 ''잔류물''로 남는다. 화학적 풍화는 암석 내 광물 집합을 표면 조건에 더 가까운 평형 상태로 변화시키는 과정이라고 할 수 있다.
물은 화학적 풍화의 주요 작용제이며, 가수분해 반응을 통해 많은 1차 광물을 점토 광물이나 수화 산화물로 변환시킨다. 산소는 산화 반응에, 이산화탄소는 탄산화 반응에 중요한 역할을 한다.
산괴 융기 과정은 새로운 암석 지층을 대기와 수분에 노출시켜 화학적 풍화를 촉진하며, 이 과정에서 Ca2+ 및 기타 이온이 표면수로 방출된다.[14] 지구상 암석의 95%는 8가지 원소로 구성되어 있으며, 풍화 작용은 화학 반응을 통해 암석에 함유된 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘을 제거하고, 규소, 철, 알루미늄, 물을 증가시키는 현상이다.[38] 화학적 풍화와 물리적 풍화는 별개의 과정으로 생각되지만, 실제로는 화학적 풍화가 먼저 일어나고 물리적 풍화가 뒤따른다.[38] 식물 뿌리의 화학 물질이나 염류 결정화에 의한 생물학적 풍화, 염류 풍화도 화학적 풍화의 일종이다.[38]
화학적 풍화는 용해, 산화 환원, 수화, 가수 분해 등으로 분류할 수 있다.
3. 1. 용해 (Dissolution)
물에 잘 녹는 광물이 물에 용해되어 제거되는 현상이다.[15] 빗물은 할라이트나 석고와 같은 가용성 광물을 쉽게 용해시키지만, 충분한 시간이 주어지면 석영과 같이 내성이 강한 광물도 용해시킬 수 있다.[16] 물은 결정 내 원자 사이의 결합을 끊는 방식으로 용해를 일으킨다.[17]
특히, 대기 중의 이산화 탄소가 용해 풍화를 촉진하는 탄산염 용해가 중요하다. 탄산염 용해는 탄산 칼슘을 함유한 석회암 및 백악과 같은 암석에 영향을 미친다. 빗물이 이산화 탄소와 결합하여 탄산(약산)을 형성하여 탄산 칼슘(석회암)을 용해시키고 가용성 중탄산 칼슘을 형성한다. 이 과정은 저온에서 열역학적으로 유리한데, 이는 더 차가운 물이 더 많은 용해된 이산화 탄소 가스를 보유하기 때문이다(기체의 역 용해도).[18] 따라서 탄산염 용해는 빙하 풍화의 중요한 특징이다.
탄산염 용해 과정은 다음과 같다.
:CO2 + H2O → H2CO3
:이산화 탄소 + 물 → 탄산
:H2CO3 + CaCO3 → Ca(HCO3)2
:탄산 + 탄산 칼슘 → 중탄산 칼슘
균열이 잘 발달된 석회암 표면에서 탄산염 용해는 석회암 포장도로를 생성한다. 이 과정은 균열을 따라 가장 효과적으로 작용하여 균열을 넓히고 깊게 한다.[19]
오염되지 않은 환경에서 용해된 이산화 탄소로 인한 빗물의 pH는 약 5.6이다. 산성비는 이산화황 및 질소 산화물과 같은 기체가 대기 중에 존재할 때 발생하며, 빗물과 반응하여 더 강한 산을 생성하고 pH를 4.5 또는 3.0까지 낮출 수 있다. 이산화황(SO2)은 화산 폭발이나 화석 연료에서 나오며, 빗물 내에서 황산이 되어 떨어지는 암석에 용해 풍화를 일으킬 수 있다.[20]
조암 광물 대부분은 물에 용해되지만, 이 작용은 석회암에서 명확하며, 화학적 풍화 속도가 가장 빠른 것도 석회암이다. 석회암 용해로 형성되는 지형으로 카르스트 지형이 있다.
3. 2. 산화 환원 (Oxidation-reduction)
광물 속의 철(Fe2+) 성분이 산소(O2)와 물(H2O)에 의해 산화되면 괴테석, 갈철석, 적철석과 같은 Fe3+ 산화물 및 수산화물이 생성된다. 이러한 현상은 암석 표면에 붉은 갈색을 띠게 하고, 쉽게 부스러지며 암석을 약화시킨다.[38] 황동광이나 CuFeS2가 수산화구리와 산화철로 산화되는 것과 같은 황화 광물의 풍화 과정에서 황이 산화될 때도 이와 같이 색깔이 있는 침전물이 생성된다.[38] 자연계에서 산화는 산소 공급량이 많은 곳에서 수소와 이산화 탄소가 암석에 포함된 철과 망가니즈의 아산화물 및 황화물에 직접적으로, 혹은 약산성 물로서 작용함으로써 진행된다. 이는 화학적 풍화의 대표적인 예이다.
3. 3. 가수 분해 (Hydrolysis)
가수 분해는 물 분자가 광물과 반응하여 수소 이온(H+)과 수산화 이온(OH-)으로 분해되고, 이 이온들이 광물의 성분과 결합하여 새로운 광물을 생성하는 화학적 풍화 작용의 한 형태이다. 장석이 고령토로 변하는 것이 대표적인 예이다.[17]
광물이 풍화될 때, 대부분 산성 가수 분해가 일어나는데, 산성 물에 있는 양성자(수소 이온)가 광물 결정의 화학 결합을 공격한다.[17] 광물 내에서 양이온과 산소 이온 사이의 결합 강도는 서로 다르며, 가장 약한 결합이 먼저 공격받는다. 그 결과, 화성암 내의 광물은 원래 형성된 순서와 거의 같은 순서로 풍화된다 (보웬의 반응 서열).[17]
상대적인 결합 강도는 다음 표와 같다.[17]
| 결합 | 상대적 강도 |
|---|---|
| Si–O | 2.4 |
| Ti–O | 1.8 |
| Al–O | 1.65 |
| Fe+3–O | 1.4 |
| Mg–O | 0.9 |
| Fe+2–O | 0.85 |
| Mn–O | 0.8 |
| Ca–O | 0.7 |
| Na–O | 0.35 |
| K–O | 0.25 |
예를 들어, 포스테라이트(마그네슘 감람석)는 고체 브루사이트와 용해된 규산으로 가수 분해된다.
:Mg2SiO4 + 4 H2O ⇌ 2 Mg(OH)2 + H4SiO4
:포스테라이트 + 물 ⇌ 브루사이트 + 규산
알루미노규산염은 산성 가수 분해 과정에서 용해된 중탄산염 형태로 양이온을 방출한다.
:2 KAlSi3O8 + 2 H2CO3 + 9 H2O ⇌ Al2Si2O5(OH)4 + 4 H4SiO4 + 2 K+ + 2 HCO3−
:정장석 (알루미노규산염 장석) + 탄산 + 물 ⇌ 고령토 (점토 광물) + 용액 내 규산 + 용액 내 칼륨 및 중탄산염 이온
이와 같이 물에 포함된 수소 이온과 조암 광물에 포함된 나트륨 이온 또는 칼륨 이온이 서로 교환되면서 풍화 작용이 진행된다.
3. 4. 수화 (Hydration)
광물 수화는 광물의 원자와 분자에 물 분자 또는 H+ 및 OH- 이온이 결합하는 화학적 풍화의 한 형태이다. 이 과정에서 눈에 띄는 용해는 일어나지 않는다. 예를 들어, 산화철은 수산화철로 변환되고, 무수석고가 수화되면 석고가 된다.[8]광물의 수화는 용해, 가수분해, 산화보다는 덜 중요하지만, 결정 표면의 수화는 가수분해의 중요한 첫 단계이다. 광물 결정 표면은 전하를 띠어 물 분자를 끌어당기는 이온을 노출시킨다. 이 분자들 중 일부는 H+와 OH-로 분해되어, H+는 노출된 음이온(주로 산소)에, OH-는 노출된 양이온에 결합한다. 이는 표면을 더욱 불안정하게 만들어 가수분해 반응을 촉진한다. 추가적인 양성자는 표면의 양이온을 대체하며 양이온을 용액으로 방출한다. 양이온이 제거되면 규소-산소 및 규소-알루미늄 결합이 가수분해에 취약해져 규산과 수산화알루미늄이 침출되거나 점토 광물이 형성된다.[23]
광물이 물과 반응하여 부피가 증가하면 풍화가 진행된다. 수화가 반복되면 암석은 약해지지만, 그 파괴력은 가수분해보다 약하다.
4. 해저의 풍화
현무암질 해양 지각의 풍화는 대기 중 풍화와는 다른 중요한 특징을 보인다. 풍화 작용은 상대적으로 느리게 진행되어 현무암의 밀도는 1억 년당 약 15%씩 감소한다. 현무암은 물과 반응하여 수화되면서, 원래 성분 중 실리카(규산염), 티타늄, 알루미늄, 철, 칼슘은 줄어들고, 총 철, 마그네슘, 나트륨이 풍부해진다.[1]
5. 건물 풍화
건물, 조각상, 기념물 등 인공 구조물도 자연적인 풍화 작용을 받는다. 특히 산성비는 화학적 풍화를 가속화시켜 건물의 손상을 초래한다.[32] 대한민국의 대도시 지역에서는 대기 오염으로 인한 산성비 피해가 발생하고 있다.
건물의 풍화 가속화는 환경과 거주자의 안전에 위협이 될 수 있다. 압력 조절형 빗물 차단 장치를 사용하여 HVAC 시스템이 습도 축적을 효과적으로 제어할 수 있도록 보장하고, 수분 함량이 감소된 콘크리트 혼합물을 선택하여 동결-해동 주기의 영향을 최소화하는 등 환경 영향의 영향을 완화하는 설계 전략을 통해 풍화를 완화할 수 있다.[33]
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