화학적인 풍화(가수분해, 용탈작용, 산화작용, 용해작용 등)와 안정 광물의 집적, 풍화테, 박리작용과 구상풍화작용 등에 관하여

화학적 풍화작용: 일반적인 조암광물은 모두 그리고 조암광물이든지 아니든지 대부분의 광물은 지표에서 풍화에 노출되면 화학적으로 불안정하다. 이런 광물은 부서져서 새롭고 보다 더 안정된 광물로 된다. 아주 드물게 몇몇 광물 예를 들면, 다이아몬드나 금 같은 광물은 화학적 풍화작용에 더 오래 견딜 수 있기 때문에 지표에서 수억년 동안 존재할 수 있다. 이런 광물은 아주 드문 예에 속한다. 화학적 풍화작용에서 주된 반응을 일으키는 물질은 약산처럼 행동하는 수용액이다. 화학적 풍화작용의 효과는 화학반응을 증진시키는 강수량이 많고 온도가 높은 지역에서 가장 현저하게 나타난다.

 

-조암광물의 화학적 풍화작용

빗물이 대기를 통과하여 떨어지면 빗물은 약간의 CO2를 용해시켜 탄산을 만든다. 약산선인 물이 토양속으로 스며들어 옆으로 이동함에 따라 추가적인 CO2가 식물의 분해로부터 용해되어 나온다. 탄산은 이온화하여 수온이온과 탄산수소이온을 형성한다(표5.1, 반응1). 수소이온은 아주 작아서 주위에 있는 광물의 결정 속으로 들어가 다른 이온을 치환하고 EK라서 광물의 성분을 변화시킨다.

 

-가수분해

분해되는 광물내에서 H1+ 이온의 효율성은 흔한 조암광물인 정장석이 탄산에 의해서 분해되는 과정에 잘 나타난다(표5.1, 반응2). H1+ 이온은 정장석에 들어가 K1+ 이온을 치환하고 K1+ 이온은 결정을 QK져나와 용액 속으로 들어간다. 물은 남은 알루미늄-규산염 분자와 결합하여 점토광물인 고령토를 생성한다. 고령토(kaolinite)는 원래의 암석에 존재하지 않았으며 화학적 풍화작용에 의해 생성되었다. 고령토는 점토를 구성하고 있는 불용성 광물로서 표토의 상당 부분을 차지하고 있다. 물의 H1+ 이온 또는 OH1- 이온이 광물의 이온을 치환하는 화학반응을 가수분해(hydrolysis)라고 한다. 가수분해는 일반 암석의 화학적 분해와 관련된 주된 작용이다.

 

-용탈작용

화학적 풍화작용의 또 다른 일반작용은 기반암이나 표토로부터 수용액에 의해 가용성 물질이 계속 제거되는 용탈작용(leaching)이다. 예로서 화학적 풍화작용에 의해서 규산이 암석으로부터 유출되면 약간은 지하에 스며드는 물에 의해 천천히 용액 속으로 들어가게 된다. 암석으로부터 풍화된 많은 K1+ 이온은 용액으로 빠져나간다. 풍화작용이 일어나는 동안 암석으로부터 용탈된 가용성 물질은 모든 지표수와 지하수에 존재한다. 때로는 그들의 함량이 높아서 좋지 않은 물맛을 나게 한다.

 

-산화작용

산화작용(oxidation)은 원소가 전자를 잃고 그 원소의 산화상태가 증가하는 작용이다. 철은 흑운모, 휘석, 각섬석 같은 일반적으로 흔한 조암광물의 전형적인 성분이다. 이들 광물 중 어떤 것은 화학적으로 풍화되었을 때 철이 방출되고, 만일 산소가 있으면 Fe2+에서 Fe3+ 으로 급히 산화된다. 전형적으로 이것은 산화작용과 물이 결정 구조로 들어가는 수화작용을 통해 적황색 침전물인 수산화철[FeO∙(OH)3]의 형성으로 나타난다. 수산화철은 곧 탈수(무을 잃는 것을 의미)되어 침철석[FeO∙OH]을 형성한다. 침철석은 후에 탈수되어 붉은 벽돌색 광물인 적철석을 형성한다(표5.1, 식4). 풍화된 암석과 토양에서 수산화철, 침철석 그리고 적철석의 색의 강도는 풍화가 시작된 이래 경과된 시간과 풍화의 강도나 정도에 대한 단서를 제공할 수 있다.

 

-용해작용

몇몇 용해되기 쉬운 광물이 물속에서 용해되는 것을 용해작용(dissolution)이라고 한다. 암염(NaCl)은 용해작용에 의해서 없어지는 광물의 한 예이다. 용해작용은 모든 화학적 풍화작용의 역할을 하고 가수분해와 용탈작용을 수반한다. 빗물 속의 방해석의 반응을 생각해 보자. 방해석은 물속에서 단지 약간만 용해되며, 용해되면 Ca2+ 와 CO32- 이온이 용액에 생성된다. 만일 탄산이 존재하게 되면 반응은 더 빠르게 일어나게 되고, CO32- 이온은 H1+ 이온과 반응하여 탄산수소이온(HCO32-)을 형성하게 된다. 이 용해작용과 가수분해 반응이 표5.1의 식 6에 제시되어 있다. 이 반응의 결과는 탄산염암으로 구성된 지역에서 광범위하게 볼수 있다.

 

-일반 암석의 화학적 풍화작용의 영향

화성암이 화학적으로 풍화되었을 때 생기는 광물이나 이온은 그 암석의 원래의 광물성분에 달려 있다. 화강암은 현무암보다 SiO2 함량이 높고 다른 광물학적 조성을 갖는다. 전형적인 화강암은 화학적으로 활발하지 않은 석영, 칼륨을 함유하는 백운모와 정장석, 그리고 철과 마그네슘이 많은 광물을 포함한다. 화강암은 용해작용, 가수분해, 산화작용이 함께 작용하여 분해된다. 장석, 운모 그리고 철 마그네슘 광물은 점토광물과 물에 용해되는 Na1+, K1+, Mg2+ 이온으로 풍화된다(그림5.9).

그림5.9 암석이 풍화되면 : 현무암이 화학적으로 풍화될때 규산염광물과 자철석은 점토광물, 침철석 그리고 용해성 양이온으로 전환된다. 화강암의 풍화산물은 점토광물과 침철석 그리고 용해성 양이온을 포함할뿐 아니라 화학적 분해에 저항성이 강한 석영입자도 포함한다

화학적으로 활발치 않은 석영 입자는 변화되지 않고 남아 있다. 현무암은 석영과 장석의 함량이 적기 때문에 석영입자와 K+ 이온은 그것의 화학적 풍화산물이 아니다. 화강암같이 현무암의 장석과 철 마그네슘광물은 점토광물과 물에 용해되는 이온(Na+, K+, Mg2+)으로 풍화되며 철 성분이 많은 자철석은 침철석으로 풍화된다.

CaCO3를 포함하는 가장 흔한 퇴적암인 석회암은 용해작용과 가수분해를 받게 되면 다 용해되고, 석회암에 소량 존재하는 불용성 잔류물(주로 점토와 석영)이 항상 남게 된다. 따라서 석회암이 화학적으로 풍화됨에 따라 그것으로부터 생성되는 잔류표토는 점토광물과 석영으로 구성된다.

 

-안정 광물의 집적

석영뿐만 아니라 다른 여러 광물들도 지표에서 화학적 풍화에 대해 극도로 저항성이 강하다. 금, 백금, 다이아몬드는 풍화된 표토에서는 내구성이 크며 침식되어 퇴적물로 된다. 이들 광물의 일부는 석영과 같은 보통 광물보다 비중이 커서 하천이나 해안의 해변을 따라 집적된다(제10장 및 제 14장). 일부는 충분히 집적되어서 경제적 가치가 있는 광상을 형성한다. 경제성 있는 광상은 잔류광물의 집적이외에도 화학적 풍화작용의 결과 형성될 수 있다(에세이 : 풍화에 의해 생성된 광상참조)

 

-풍화테

풍화된 현무암 자갈을 깨보면 풍화를 받지 않은 암석의 어두운 중심부를 둘러싸고 있는 밝은색의 테를 볼수 있다(그림5.10). 이 테는 화학적 풍화에 의해 생성된 고체 생성물로 되어 있는데 풍화테(weathering rind)라고 불린다. 풍화작용은 어둡고 변질되지 않은 자갈의 신선한 노출면에서 시작해서 서서히 안쪽으로 진행된다. 흔히 이 작용은 침철석을 생산하는 철성분이 많은 광물의 산화작용을 포함하는 데(표5.1, 식4), 산화작용은 밝은 갈색의 테로 구분된다. 이런 테는 화학적으로 가장 안정된 암석 유형들을 제외하고는 화학적 풍화작용이 일어날 때 형성된다.

그림5.11 박리작용 : 박리작용으로 보이는 중앙오스트레일리아 화강암거력. 풍화가 진행되면서 점차로 거력 구형도가 증가되고 앏은 판상조각으로 암석으로부터 벗겨진다.

화학적 풍화작용을 받으면 쉽게 용해되어(표.5.1, 식5)뚜렷한 테를 형성하지 않는 탄산염암은 예외이다. 어떤 암석에서는 풍화테내의 변질 광물이 암석이 천천히 풍화됨에 따라 부스러져 떨어져나온다. 다른 암석들에서는 세립의 현무암과 같이 풍화테가 견고하게 남아 있어서 풍화가 안으로 진전되어 단단하고 변질되지 않은 중심부를 변질시켜감에 따라 풍화테의 두께가 두꺼워진다. 지질학자들은 암석 풍화테의 두께는 같은 유형의 암석이면서 비슷한 기후조건에서 산출되는 서로 다른 퇴적물체의 상대적 연대를 측정하는데 유용한 척도로 사용될 수 있음을 발견하였다.

 

-박리작용과 구상풍화작용

풍화작용시 암석의 껍질은 박리작용(exfoliation)처럼 노두나 거력의 겉부분으로부터 부서져 나갈 수 있다(그림5.11). 가끔 하나릐 박리 껍질만이 존재하나 10개 이상의 껍질이 발달 될 수도 이어서 암석이 양파껍질처럼 보이기도 한다. 박리작용은 화학적 풍화작용에 의해 생기는 암석 내의 차별적 압력에 의해 생긴다. 예를 들면, 장석이 점토광물로 풍화되면 풍화된 암석의 부피는 원래 암석의 부피보다 커진다. 이렇게 생긴 압력은 암석의 얇은 껍질을 풍화되지 않은 암석의 부위와 분리시킨다. 지표 아래에서 화학적 풍화작용은 흔히 변질되지 않은 중심부 암석의 둘레에 변질된 암석의 테두리를 생성시킨다. 신선한 고체 정육면체의 암석은 물이 절리를 따라 이동하고 암석의 모든 면을 공격함에 따라 변질되지 않은 암석의 부피는 점차로 규모가 작아져서 점점 구형으로 된다(그림5.12). 이런 작용을 구상풍화작용(spheroidal weathering)이라고 한다. 이런 결과는 점진적인 분해에 의해 생성된 둥근 거력들이 발견되는 신선한 도로 절개지에서 가끔 나타난다.

그림 5.12 둥근 경관 캘리포니아 북부 시에라 네바다의 화강암질 기반암의 구상풍화작용은 풍화된 암석 중심부에 의해 둘러싸인 단단한 화강암의 거력을만든다. 비록 거력은 둥근하천 자갈을 닮았지만 형태는 전적으로 풍화결과이다.

이런 유형은 암석을 통과하는 느린 물의 이동을 조절하는 교차하는 절리 쌍으로부터 생긴다. 여기에서 두가지 중요한 관련성을 주목해야 한다. 첫째, 풍화에 노출된 표면적이 증가함에 따라 화학적 풍화작용의 효율성은 증가한다. 둘째, 큰 암석 덩어리가 작은 덩어리로 세분됨에 따라 표면적이 증가한다. 입방체를 나누는 것은 그 부피를 증가시키지 않고 표면적을 크게 증가시킨다(그림5.13). 세분이 반복되면 주목할 만한 결과로 나타난다. 1㎤의 암석은 6㎠의 표면적을 갖는데 가장 작은 점토광물 크기의 입자로 잘게 세분되면 전체 면적은 4천만 ㎠로 매우 크게 증가하게 된다. 따라서 화학적 풍화작용은 표면적의 현저한 증가를 초래하며 더욱 더 많은 풍화작용을 일으킨다.

그림 5.13 표면적 증가 : 정육면체 암석의 세분과 풍화. a. 정육면체가 각각의 모서리의 중앙부를 통과하도록 잘라서 세분할 때마다 전체표면적은 배가된다. 이것은 화학반응속도를 크게 증가시킨다. b. 거의 정육면체 암석 덩어리를 분리하는 절리면을 따라 이동하는 용액이 꼭지점, 모서리, 면의 순서(풍화속가 감소하는 순서)로 공격한다. 왜냐하면 공격시 해당면 수는 3,2,1이기 때문이다. 꼭지점은 둥글게 궁극적으로 암석덩어리는 구로 된다. 일단구가 형성되면 공격에너지는 전체 표면에 균일하게 분포되어 더 이상의 형태변화는 일어나지 않는다.