암석의 풍화

암석의 풍화

 

암석이 대기 중에서 기계적 및 화학적으로 변하여 작게 파괴되는 과정을 암석의 풍화 (rock weathering)라고 한다.

 

기계적 풍화
기계적으로 암석이 파괴되는 주요 원인은 위에 놓였던 하중의 제거에 의한 압력의 감소와 물의 동결 (凍結)의 두 가지이다.

 

 

압력의 제거

1기압은 0.76 m 의 수은주(水銀桂)의 압력에 해당하며, 이는 물의 기둥 약 10 m[= 0. 76 m × 13. 6(수은의 비중) 10. 3m의 압력에 해당된다. 그러므로 수면하 (水面下) 10 m에서는 약 2기압의 압력이 생기며 10 m씩 깊어짐에 따라 1기압씩 기압이 증가한다. 밀도가 2. 7 gr/cm²인 암석은 지하 약 4m 에서 1기압이 된다[4m × 2. 7 = 10. 8(m)]. 암석 속으로 깊이 들어감에 따라 기압은 비례하여 증가한다. 퇴적분지에 퇴적암이 쌓이고 그 위에 두꺼운 지층이 더 쌓이면, 이 퇴적암은 큰 압력하에 놓이게 된다. 또 깊은 곳에서 굳어지는 화성암(火成岩)은 높은 압력하에 있다. 이런 곳이 융기(隆起) 하면 바다가 물러가고, 또 깊은 곳에 있던 암석이 높이 솟아올라 침식작용을 받게된다. 위에 놓였던 두꺼운 암석이 깎여서 다른 곳으로 운반되면 암석에서 높은 압력이 점점 제거(除去)되므로 암석은 팽창하면서 지표에 노출되기 전에 많은 틈, 즉 절리(節理)를 가지게 된다. 층리 (層理)가 잘 발달된 퇴적암에는 융기할 때의 힘으로 거의 직각(直角)인 두 방향의 절리가 생긴다. 화강암에는 충상(狀)절리 (sheeting joint)가 잘 생겨나며, 한 층의 두께는 1m 내외인 것이 많다. 충상절리는 지면의 구배와 거의 평행함이 특징이다. 산의 사면이 굴곡(屈曲)하여 있는 곳에는 이와 평행한 굽은절리 (curved joint)가 생겨난다. 층상절리는 지표하 100 m 부근까지 발견되나 그보다 더 깊은 곳은 압력이 크므로 팽창하지 않아 절리가 생기지 않는다. 층상절리가 있는 깊은 곳에서 신선한 돌을 떼어 내면 암석의 길이가 1/1000 가량 길어지는 것을 볼 수 있는데, 이는 압력의 제거에 의한 변화이다. 지하 깊은 곳에 뚫은 갱도(坑道)의 벽이 폭발하듯이 튀어나오는 것은 압력의 제거로 일어나는 국부적인 현상이다.

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 파괴 작용을 일으킬 터전을 장만해주는 중요한 일을 한다.

 

 

물의 동결

물이 얼면 9%의 부피의 증가가 일어난다. 지표나 토양 속의 물이 얼 때에는 자유로이 부피의 증가를 일으키나 암석의 틈 속에 들어간 물이 겉에서부터 얼어 들어가면 속의 물은 밀폐 (密閉)된 상태에 놓이게 되고 이것이 얼 때의 부피의 증가는 암석을 쪼갤 수 있는 큰 압력을 나타낸다. 완전히 밀폐된 곳의 물이 얼어서 -1°C의 얼음으로 변하면 주위에 대하여 약 100 kg/cm² 의 압력을 일으킨다. 그러나 얼음은 이렇게 큰 압력에 견딜 만큼 강하지 못하다. 따라서 틈 속의 얼
음이 생길 때는 겉의 얼음이 압력을 받고 틈 밖으로 밀려 나오므로 틈속의 압력은 곧 감소하게 된다.

이렇게 하여 물의 동결이 이론적인 압력을 나타내지 못하더라도 물이 얼었다 녹는 일이 반복되면 암석은 잘게 쪼개진다. 이렇게 얼음이 암석을 쪼개는 작용을 얼음의 쐐기작용 (frost wedging)이라 한다. 이 작용은 기온이 낮에는 영상(季上), 밤에는 영하 (下)로 변하는 습윤한 지방에 잘 나타난다.

그런데 대단히 작은 틈 속에 들어 있는 물은 온도가 상당히 내려가도 얼지 않는다. 이는 모세관 현상 (毛細管現象)으로 물이 강하게 암석에 붙어 있기 때문이다. 아주 작은 틈 속의 물은 얇은 수막(水膜)을 만들고 이는 반결정질 (半結晶質)인 분자 구조를 암석 표면에 만들어서 물의 동결(結)과 관계 없이도 팽창하여 암석을 파괴한다.

 

 

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. 미국의 국립표준국 (U.S. National Bureau of Standards)에서는 화강암이 파괴되는 이유를 찾기 위하여 다음과 같은 두 가지 실험을 하였다. 첫째 실험은 화강암을 6시간 동안 -12°C로 냉각시킨 다음 1시간 동안 20°C인 물에 담가서 녹이는 것으로서 이를 5, 000 회 반복했으나 눈에 뜨일 만한 파괴가 일어나지 않았다. 둘째 실험은 물 대신 황산나트륨(Na₂SO)의 포화용액을 쓰는 것이다. 황산나트륨의 용액이 결정을 형성할 때에는 얼음이 결정으로 변할 때와 비슷한 압력을 주위에 미친다. 화강암 덩어리를 황산나트륨의 포화 용액 (15°C士)에 17 시간 동안 담갔다가 105°C에서 7시간 동안 건조시키는 일을 42회 반복한 결과 암석이 부스러지는 것을 볼 수 있었다. 이런 결과로도 틈 속에 결정이 생기면 암석이 쪼개진다는 사실을 알 수 있다.

빗물이 토양 중을 흐르는 동안에 광물질을 녹이게 되고 이것이 암석의 틈 속에 들어간 후 건조되면 암석의 파괴가 일어날 것임을 짐작할 수 있다. 가장 문제가 될 물질은 석고(石膏: CaSO · 2 H.O)이다. 유황(疏)을 포함한 석탄이나 석유를 태울 때 생기는 연기가 빗물에 녹으면 약한 황산(H₂SO)이 생성되고, 이것이 암석 틈에 들어가서 석고의 결정으로 변하면 특히 석회암(石灰岩)으로 된 건물을 파괴하기 쉬우므로 도시(都市)에서는 이에 주의해야 할 것이다. 이 작용은 기계적인 풍화에 속하나 화학적 풍화와도 관계가 깊은 것이다.

 

온도 변화

암석은 낮에 가열되었다가 밤에는 냉각된다. 밤과 낮, 계절에 따라 암석 표면의 온도는 변한다. 조암광물(造岩鑛物)은 종류에 따라 그 팽창률이 다르므로 오랫동안 이런 변화가 계속되면 암석은 파괴될 것으로 생각하는 사람이 있다. 그러나 아직도 온도 변화나 태양에 의한 암석의 가열이 암석을 파괴한다는 것을 실험으로 증명한 사람은 없고 도리어 그 반대의 결론이 나와 있다. 미국의 그리그스 (Griggs)는 1936년에 화강암 (한 변이 약 8cm 인 주사위 꼴)을 약 140°C로 5분간 가열하였다가 선풍기의 바람을 10 분간 씌어서 30°C로 식히는 실험을 89, 400번 반복하였는데 이는 244년에 해당하는 것이었다. 그러나 화강암은 현미경으로 보아도 아무런 변화의 증거 를 보여 주지 않았다.

 

또 미국 표준국에서는 화강암을 건조한 상태에서 105C로 가열하였다가 -10°C로 냉각시키는 실험을 2, 000 번 반복하였으나 변화의 증거를 발견하지 못하였다. 이 두 실험은 온도 변화만으로 암석이 파괴될 수 있는 것으로 생각한 상식적인 해석에 주의를 환기시키는 것이었다. 그러나 일면 사하라 (Sahara) 사막의 큰 돌들이 쪼개져 있고 또 밤에는 급히 냉각되는 돌이 쪼개지면서 총 소리와 같은 굉음을 낸다는 사실이 알려져 있고 최근 호주의 사막에서는 여러 가지 암석이 쪼개져 있는 것이 발견되었는데 그 원인은 온도 변화 외에 다른 것을 찾을 수 없다는 것이다. 그러나 사막이라고 하여 전혀 수분(水分)이 관여하지 않았다고 볼 수 있을까가 문제이다. 이는 아마도 돌의 틈 속에 들어간 물에 녹아 있던 물질의 결정 작용에 의한 것으로 해석된다.

 

서기 570년 경에 북한산 꼭대기에 세워진 진흥왕 순수비는 그 동안에 비석의 글자는 거의 모두 화학적 풍화로 판독이 불가능하게 되고 얼음의 쐐기작용으로 비석 상반의 절리에 따라 틈이 점점 커져서 완전히 분리되고, 아래 왼쪽 부분은 깨져서 없어져 버렸다. 1969년 아폴로(Apollo) 12호의 우주인이 관찰한 결과와 그들이 가져온 달 암석(月岩石)의 연구에 의하면 달 표면의 온도는 낮에 최고 118°C, 밤에 최저 -153°C로 크게 변함에도 불구하고, 이 변화에 의한 암석의 파괴는 일어나지 않음이 확실하게 되었다. 달의 하루는 지구의 하루의 15 배이지만 운석 기원으로 보이는 달의 암석은 달 표면에 놓인 후 거의 모두 10억 년 이상 심한 온도차를 경험했음(진흥왕 순수비, 비신 높이 1.54 m)에도 불구하고 거의 풍화되지 않고 그대로 존재해 있다. 다만 달 암석의 노출(露出)된 부분은 묻혀있는 부분에 비하여 둥그스름하게 변하여 있어서 다른 종류의 작용(작은 운석, 우주선 등)이 이런 약한 변화를 일으킨 것으로 생각된다. 작은 사건이고 드물게 일어나는 일이지만 산불(山火)에 의한 암석의 가열, 벼락에 의한 충격이 기계적인 풍화의 원인이 될 수 있을 것이다.

 

 

식물의 작용

식물 특히 큰 나무의 뿌리는 암석의 절리나 성층면 (成面)을 따라 들어가면서 틈을 넓힌다. 나무가 바람으로 넘어지면 뿌리와 함께 암석을 뒤집어 놓는다. 그러나 식물의 뿌리의 기계적인 작용보다 화학적인 작용이 더 큰 지질학적 역할을 하고 있는 것으로 생각된다.