풍화작용(절리 발달, 결정의 성장, 동결쐐기작용, 열의 효과, 식물 뿌리)에 대하여

대기에 노출될때에 암석은 모두(기반암이든 암석구조물이든 상관없이), 공기, 습기, 그리고 유기물에 의해 암석과 표토의 화학적 변질작용과 기계적 파괴작용인 풍화작용(Weathering)의 영향으로부터 벗어날수가 없다. 그림5.1은 고화되지 않고 무짌하게 배열된 흙으로 된 표토는 아래로 내려감에 따라 기반암의 조직이 변질되었으나 여전히 잘 배열된 형태를 유지하고 있고, 그 아래는 변질되지 않은 기반암이 나타나기 때문에 더 이상 아래로 점이적으로 변하지 않는다. 그림5.1은 기반암을 자세히 살펴보면 노두의 아래쪽에서 장석입자들의 벽개면은 밝고 반짝거리는데 비하여 위쪽에서 이들 면들은 광택이 없고 얼룩져있다. 노두 꼭대기부분에서 부드러운 점토광물은 더 이상 이전의 장석을 닮지 않고 장석은 심하게 변질되어 있다. 암석과 광물이 화학적반응으로 분해되는 화학적 풍화작용(Chemical Weathering)으로 인해 초래된 변화는 그들을 지표나 지표부근에서 안정된 화합물로 변형시킨다.

그림5.1 토양단면 오래지속된 침식은 이런 토양단면을 생성시켰다. 식물뿌리는 주로 가장 상부 갈색층에 한정되어 나타나고 아래로 가면서 부분적으로 변질되어 변성암으로 인식될 수가 있는 층리가 발달한 암석으로 점이적으로 변화하는 것을 주목하라.

○. 물리적 작용: 암석의 물리적 풍화작용은 자연에서 아주 흔하며 암석이 깨진 곳에 얼음이나 소금이 성장할 때, 또 불에 의해 암석이 가열될 때, 그리고 식물 뿌리의 성장이 암석을 갈라놓을 때 일어난다.

 

-절리의 발달

대부분의 암석은 풍화에 중요한 역할을 하는 기계적인 단열작용을 받게 된다. 지각의 상부 절반에 놓여있는 암석은 깨지기 쉬워서 지구조적인 힘에 의해 그들은 비틀리고, 압력을 받게 되거나 늘려 퍼지게 되면 약한 지점에서 부서지게 된다. 이런 지구조적 힘의 작용시기와 기원은 항상 분명하지 않지만, 그들은 인지할 수 있는 이동이 없이 생긴 암석 내의 틈인 절리의 형태로 발자국을 남기게 된다. 암석이 지각 깊은 곳에 매몰되는 동안 지구조적 힘에 의해 절 리가 형성된다. 융기와 침식을 통해 암석은 서서히 지표를 향해 상승하게 되고, 이렇게 암석이 지표를 향해 상승하게 됨에 따라 위에 놓인 암석의 무게가 감소하고 절 리가 약간 생기게 되며, 물, 공기 그리고 현미경적 규모의 미세한 생물이 이 틈에 들어가게 된다.

침식에 의한 상부 암석의 제거는 하중의 감소로 인한 추가적인 균열과 절리의 형성을 초래한다. 암석은 상부가 팽창되게 함으로써 하중감소에 적응하게 된다. 결과적으로 지표면에 대체로 평행하게 단열들이 밀집되어 발달되고 암석은 계단같은 모습을 보이게 된다(그림5.2), 일반적으로 하중감소에 의해 형성된 절리는 위에 놓인 암석의 압력이 너무 커서 50m 내지 100m 깊이 아래에서는 생기지 않는다. 그러나, 지하 수천 미터 깊이에서 지구조적 힘에 의해 절리가 생길수 있다. 드물게는 절 리가 단독으로 생기기도 한다. 대부분 절리는 평행한 절리의 쌍으로 산출되다(그림5.3).

그림5.2 판상절리 균질한 화강암내의 판상절 리가 캘리포니아의 요세미티 국립공원에 계단모양의 표면을 형성하고 있다.	그림5.3 절리쌍 잘 발달한 두 개의 절리쌍이 수평적인 층리면과 겳합되어 웨일즈의 적색사암을 사각형의 블록으로 부서지게 하였다.

교차되는 절리는 암석이 부서져 분리되는 데 큰 영향을 미친다. 절리는 일단 형성되면 빗물이 암석으로 스며들어가는 통로 역할을 하고 물리적이고 화학적 풍화를 증진시킨다. 절리의 한 종류는 암맥, 암상, 용암류, 응결응회암과 같은 지표나 지표 부근에서 급히 냉각한 화성암의 판상체(책상의 표면처럼 판상 평태를 갖는)에 제한된다. 이와 같은 화성암이 냉각되면 뜨거운 유리병을 찬 물속에 넣을 때 수축되고 깨지는 것처럼 수축되어 조각으로 부서질 수 있다. 부서진 유리조각과는 달리 화성암에서의 냉각열극은 규칙적인 형태로 갈라진다. 긴 프리즘이나 막대처럼 갈라지는 절리를 주상절리라고 한다(그림5.4).

그림5.4 주상절리. 화성암에 발달한 주상절 리가 암반 등산가에게 두 개의 인접 기둥 사잉의 틈을 따라 암반벽을 오를수 있도록 길을 제공한다	그림5.5 남그대륙에서 풍화작용 남극대륙 곤돌라산맥의 기반암인 화강암이 심하게 풍화되어 스위스 치즈처럼 보인다. 이런 풍화는 작은 틈과 입자 경계를 따라 염이 결정화됨에 따라 일어나는 입자의 갈라짐으로부터 기인한다

 

-결정의 성장

단열이 발달된 암석을 통해 서서히 흐르는 지하수는 용액으로부터 침전되어 염을 형성할 수 있는 이온을 포함한다. 암석의 공간이나 입자의 경계를 따라 성장하는 소금 결정에 의해서 작용하는 힘은 아주 크며 암석의 균열이나 깨짐으로 나타난다. 이와 같은 물리적 풍화작용의 효과는 가끔 사막지역에서 볼수 있다. 사막에서는 위로 올라오는 지하수가 증발해서 그곳에 용해된 염이 침전됨에 따라 소금 결정이 자란다. 남극 연안의 얼음이 없는 계곡에 분포하는 화강암의 거력과 기반암의 노두에는 물리적 풍화작용에 의해 생성된 특이한 형태의 굴이 많은 지형에 발달되어 있다(그림5.5).

그림6.6 동결쐐기 작용: 광범위한 암괴밭이 캘리포니아 네바다 최고봉인 휘트니산(Mont Whitney)정상을 덮고있다. 녹은 눈이 틈속으로 침투하여 내려가 그곳에서 다시 얼어 나타난 동결쐐기작용은 광활한 지역에 각진 거력을 생산하며 화강암을 쪼개지게 하였다.

빙하가 없는 계곡의 화강암내의 공극과 입자 사이의 열극에 있는 용액으로부터 소금 결정이 형성될 때, 암석은 서서히 부서진다. 이렇게 생성된 입자들은 강한 바람에 의해서 운반되어 인근 얼음판으로 날아가고 노출된 암석이 스위스 치즈와 같은 모양으로 남게된다.

-동결쐐기작용

일년중 어느 시기에 기후가 빙점 부근에서 변하는 곳에서는 어느 곳이나 지하의 물은 주기적으로 얼고 녹게 된다. 물이 얼어서 얼음을 형성하게 되면 그 부피는 9% 가량 증가하게 된다. 이 부피 증가로 생기는 높은 압력은 아석을 파괴시킨다. 암석의 공극에서 동결 현상이 일어남에 따라 물은 자라는 얼음에 강하게 붙어서 암석에 대한 압력을 증가시킨다. 이 작용은 동결쐐기작용(frost wedging), 즉 암석내의 제한된 공극에서 얼음이 형성되는 작용으로 알려진 물리적 풍화작용의 아주 효과적인 형태로 나타나며 암석을 벌어지게 한다. 동결쐐기작용은 아주 큰 압력을 만들어내 작은 입자뿐만 아니라 수 톤에 이르는 큰 암석들도 벌어지게 한다(그림5.6). 동결쐐기작용은 아마 -5°에서 -15° 사이에서 가장 효과적이다. 온도가 높아지면 얼음 압력이 너무 낮아 효과적이지 못하고 너무 낮은 온도에서는 균열이 커지는 데 필요한 물의 움직임이 느려지기 때문에 얼음의 성장 속도가 떨어진다. 고산 지역의 사면에 분포하는 대부분의 암석 파편은 동결쐐기작용과 관련이 있다. 일년 중 얼고 녹는 횟수가 많은 저위도 지역에서는 어느 곳이나 이런 작용은 가장 효과적이다.

 

-열의 효과

어떤 지질학자드른 보통의 조암광물들이 가열될 때, 팽창되는 양이 다르기 때문에 낮에 뜨거운 햇빛 아래서 암석이 열을 받고, 밤에는 냉각되는 것이 물리적 파괴의 원인이라고 생각하였다. 사막의 암석에서 표면온도가 80°C 까지 측정되었고 40°C 이상의 온도 일교차가 기록되었다. 가장 높은 온도는 현무암 같은 어두운 색의 암석이면서 내부로 쉽게 열을 전도하지 않는 암석에서 일어난다. 여러 번의 주의 깊은 실내 실험에도 불구하고 이제까지 그와 같은 매일 매일의 가열과 냉각의 반복이 눈에 띌 만큼 암석에 물리적 효과를 미치게 했다는 것을 보여주지 못했다. 그러나 이 실험들은 비교적 짧은 시간 동안 수행되었다. 아마도 열에 의한 깨짐 현상은 반복적이고 긴 시간 동안 극단적인 자연 온도 변화 후에 일어나는것 같다. 다른 한편 캠프파이어에 쓰여 졌던 암석이 과열되어 부서지는 것을 목격한 사람은 누구든지 아는 것처럼 불은 암석을 부서뜨리는데 아주 효과적이다. 왜냐하면 암석은 열을 잘 전도하지 않으며 강한 불은 단지 팽창되고 깨져서 부서짐(spal)으로 나타나는 외부의 얇은 껍질만을 가열시키기 때문이다. 산불과 잡목의 풀은 노출된 노두나 거력의 암석으로부터 암석을 껍질처럼 벗겨지게 한다(그림5.7). 산림지역이 산불 역사에 대한 연구는 번개로 일어나는 대규모 산불은 수백년마다 한번씩 일어날 수 있음을 보여준다. 그러므로 긴 지질학적 시간 동안 불은 표면 암석의 물리적인 파괴 작용에 막대한 영향을 미친다.

그림5.7 열의 깨어짐 : 미국와이오밍주 옐로스톤 국립공원 소나무 숲속으로 급속히 이동된 대규모 산불은 심한 열은 노출된 거력의 표면을 껍질처럼 벗겨지게 하였다	그림5.8 부리의 쐐기작용 : 기반암노두 틈에 자란 소나무는 암석을 큰 큰 판상조각으로 부수는 원인이 되었고 나무의 확장 뿌리체계를 노출시켰다

-식물 뿌리

암석 틈 속의 씨는 이터서 시굴로 자라고 그들의 뿌리가 암석 틈 속으로 뻗어간다. 암석틈 속에서 자라는 나무의 뿌리는 쐐기 작용으로 인접한 기반암체를 벌어지게 한다(그림5.8). 같은 방법으로 뿌리는 암석포장길, 인도, 정원의 담, 심지어 건물까지도 갈라지게 한다. 바람에 흔들리는 커다란 나무는 암석의 틈을 넓힐 수 있으며, 만약 바람에 넘어지면 이들 나무는 지렛대처럼 암석을 들어올릴 수 있다. 비록 측정하기가 어렵지만 식물에 의해서 일어난 암석의 파괴량은 아주 많음에 틀림없다. 암석의 벌어진 곳이 많은 부분은 암석이 벌어지자마자 일어나는 화학적 풍화작용에 의해서 잘 인식되지 않는다.