풍화작용이란 지표나 지표부근에서 암석(또는 광물)이 물리적으로 또는 화학적으로 변질되는 현상을 말한다. 풍화작용은 암석의 화학적 조성이나 광물학적 조성의 변화없이 단지 원래의 암석이 보다 작은 크기로 파쇄되는 물리적 풍화작용과 암석과 광물의 화학적 조성이 변화되는 화학적 풍화작용으로 분류되는데 자연환경 하에서는 양자가 동시에 일어나기 때문에
상호영향을 따로 분리하여 고려하기는 어렵다.
가. 물리적 풍화작용
지표부근의 암석의 응력의 변화로 화학적 변화없이 보다 작은 크기의 암석 혹은 광물로 파쇄 변질되는 것으로서 응력 조건의 변화 요인은 다음과 같다.
(1) 침식으로 인한 상부암석의 제거: 지표와 평행한 Sheeting발달
(2) 암석 내의 절리나 Crack이 존재하는 물의 결빙: 절리 및 구열면을 따라 파쇄， Angular Block 파편
(3) 새로이 형성된 광물의 결정작용 : 결정의 성장에 따른 체적증가 및 압력 유발
(4) 기온의 변화: 가열과 냉각이 교대로 진행됨으로서 열극을 따라 얇은 조각으로 파쇄
(5) 식물의 활동: 나무뿌리의 성장에 따른 열극확대
(6) 화재 : 가열에 의한 표면암석의 팽창으로 Sheet상의 붕괴 유발
나. 化學的風化作用
빗물은 대기의 여러가지 성분을 녹여 가지고 있으며 이 물은 암석 중의 광물과 작용하여 산화·가수분해·소화·탄산염화·용해 들을 일으켜 결국 암석을 붕괴한다.
(1) 산화작용(Oxidation) : Fe++ 를 합유한 광물 Fe3+로 산화되고 다시 수소이온 (OH-) 과 결합하여 Fe(OH)3라는 수산화물을 형성
。Fe2 + --- Fe3+ --- Fe(OH)-3
。FeS2 --- FeS04 --- Fe2O3. nH3O
(2) 수화분해(Hydrolysis) : 물의 화학적 유동성을 H2O가 H+ 와 OH 이온으로 해리(Dissociation) 되는 정도에 따라 증가되는데 온도가 증가하거나 CO2와 산의 함유량이 높을수록 해리된 이온량은 증가되어 화학적 풍화가 조장된다.
H2O+CO2 ====H2CO3(탄산)
규산염 광물이 화학적으로 분리되면 여러 종류의 점토광물이 형성되는데 환경의 특성과 풍화의 정도에 따라서 점토광물의 종류가 결정된다.
(3) 수화작용(Hydration)
수화작용이란 무수화물 광물에 물이 화합됨으로서 체적이 증가되는 작용을 의미한다.
(4) 탄산염화 작용(Carbonation)
탄산가스가 Ca, Na, Mg 등의 산화물과 혼합되어 탄산염 광물이나 중탄산염광물이 형성되는 작용
o Ca ++ +2HCO3- - ------ Ca(HCO3)2
。Ca(HC03 ) 2 ------ CaCO3 + H20 + CO2
(5) 용해작용(Solution)
빗물에 용해된 탄소, 탄산가스 등이 지반 속에 침투하여 이동하는 동안 유기물의 활동과 유기물질의 분해로 말미암아 토양 중에 들어 있는 CO2 를 더욱 흡수하여 석회암 등을 쉽게 쉽게 용해시킨다.
기계적 풍화작용의 종류
1) 박리작용
① 지하심부에서 형성된 암체가 융기되거나 상부암체의 침식으로 지표에 노출
② 압력이 감소하여 절리형성 -> 바깥 부분이 양파껍질처럼 벗겨짐
2) 동결작용
① 암석 내 존재하는 절리나 열극에 물이 동결하면 부피가 증가하여 쐐기작용으로 절리면을 따라 파괴
3) 침전 및 결정작용
① 불연속면 내로 침투한 물에 녹아있던 광물성분이 침전하여 고결, 재결정 -> 결정이 성장하여 압력으로 작용
* 서릿발 작용(Frost Heaving) : 암석의 틈에 있던 물 및 광물성분이 결정으로 변함 -> 주위에 압력을 가하여 암석이 잘게 부서지는 작용
화학적 풍화작용
2. 화학적 풍화작용은 여러작용이 혼합되어 복합적으로 발생하는 경우가 다반사임
3. 화학적 풍화작용의 종류
1) 가수분해(Hydrolysis)
① 물이온(H+, OH-)이 광물이온을 치환하는 화학반응
② 금속염이 물과 반응하여 산성, 또는 알칼리성 물질생성
2) 용해작용(Leaching)
① 기반암 내에서 가용성 물질이 용탈 -> 지표수와 지하수에 존재
3) 산화작용(Oxidation)
① 환원조건에서 생성된 암석은 공기 접촉시 산화
② 황화광물이 산소, 물과 반응하면 "수산화물+황산" 발생
4) 용해작용(Dissolution)
① 모든 화학적 풍화작용의 역학을 하며 가수분해와 용탈작용 수반
5) 수화작용(Hydration)
① 무수화광물이 물과 반응하면 체적이 팽창 ->물리적(기계적)풍화 촉진
6) 탄산염화작용(Carbonation)
암상 및 지반조건에 따른 풍화형태
1) 화성암, 변성암 : 규산염이나 산화물이 풍화되면 점성토층 형성
2) 석영맥 및 규암 : SiO2 성분이 주구성 광물 -> 풍화에 매우 강함
3) 사암 : 주로 석영입자로 구성, 풍화에 강함 -> 풍화대 두께 얇음, 풍화산물은 활성도가 낮은 점토질 모래
4) 석회암 및 탄산염암
① 변질되기 전에 용해되므로 불순물만이 풍화잔류 -> 풍화대두께 얇음
② 온난습윤지역은 활갈색~적갈색, 저온·저습지역은 회갈색
5) 담수에서 형성된 셰일
① 기변질작용 후로서 셰일 내의 불순물만이 풍화잔류 -> 풍화대두께 얇음
② 비활성의 붉은색 점토층 형성
6) 해성셰일 및 점토질 셰일
① 제3기, 백악기, 페름기에 형성된 셰일층으로서 Montmorillonite 포함 -> 풍화대두께 두꺼우며, 활성점토, 팽창성 점토, 사면불안정, 굴착시 융기현상 등 지질재해 리스크가 큼
지질공학적 영향
① 결합력의 상실
② 입자의 분리
③ 입자의 파쇄
④ 전단강도 감소
⑤ 변형량 증가
⑥ 투수성 증가
⑦ 역학적 성질의 불량
새프롤라이트와 새프록
- 심층풍화
풍화 작용이 지하깊은 곳까지 진행되는 현상(기후가 온난 습윤하고 기반암에 절리가 잘 발달된 지역에서 발생)
- 새프롤라이트
풍화층에서 주로 화학적 풍화를 받아 광물이 변질되어 연약해진 부분
= 심층풍화층 = 석비레 =마사
- 새프록
새프롤라이트 층에서도 풍화 작용이 덜한 하부에 위치하여
풍화를 받지 않은 신선한 암석이 절반 이상의 비율을 차지하는 부분
- 그루스
입상 붕괴된 광물 입자로 이루어진 풍화 쇄설물
(석영 입자가 하천을 따라 이동하는 하도는 자갈이나 점토보다 모래의 비율이 높게 나타남)