암석 풍화

왜 배우는가: 풍화는 암석의 물성과 지반 분류의 출발점이라 지반 조사와 설계의 기초가 된다. 시험에서는 풍화 원리, 풍화 형태, 설계·시공 고려사항을 묶어 반복해 묻는다.

출제 이력: 제137회 4교시 5번, 제131회 2교시 3번, 제129회 2교시 2번, 제102회 1교시 7번, 제102회 2교시 5번, 제98회 1교시 2번, 제90회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

풍화작용은 지표 부근의 암석이 기계적·화학적 작용을 받아 파괴되고 분해되어 토양 물질로 변해 가는 현상이다.

풍화는 대기, 물, 생물의 작용이 지표와 지표 부근의 굳은 암석에 가해져 암석의 결합이 약해지고 조직이 느슨해지는 과정이다. 그 결과 암석은 더 작은 알갱이로 바뀌거나 점토질의 연약한 물질로 변한다. 답안 첫 줄에는 위 정의 문장을 그대로 쓰고, 이어서 풍화가 원인에 따라 기계적 풍화와 화학적 풍화로 나뉜다는 점을 한 문장으로 붙인다.

답안에 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 풍화작용(Weathering): 암석이 지표에서 분해되어 토양으로 변해 가는 전체 과정을 가리킨다.
• 기계적 풍화: 광물 조성을 바꾸지 않고 온도 변화, 동결 융해, 결정 성장으로 암석을 쪼개는 작용이다.
• 화학적 풍화: 물과 용존 물질이 광물을 용해하거나 다른 광물로 바꾸는 작용이다.
• 가수분해: 물 분자가 광물의 결합을 끊어 점토광물을 생성하는 화학적 풍화의 대표 반응이다.
• 산화: 철 같은 금속 성분이 산소와 결합하여 산화철 계열 광물을 만드는 반응이다.
• 풍화대: 지표에서 신선한 암반까지 풍화 정도가 단계적으로 달라지는 층이다.
• 차별풍화: 암석이나 광물의 풍화 저항성 차이로 풍화심도가 서로 달라지는 현상이다.

2. 개념 풀이

풍화작용은 지표에 노출된 암석이 물의 순환과 함께 작용하는 여러 힘과 화학 반응을 받아 기계적으로 부서지고 화학적으로 분해되는 일련의 과정이다. 이 정의의 핵심은 암석이 한 번에 흙이 되는 것이 아니라 단계적으로 강도와 밀도를 잃어 간다는 점이다.

풍화가 일어나는 원리는 암석 속 광물이 생성된 환경과 지표 환경 사이의 차이에 있다. 고온과 고압에서 정출된 광물은 지표의 낮은 온도와 물, 산소가 있는 환경에서 불안정하다. 그래서 암석의 정출 온도가 높을수록 풍화에 약하며, 생성 환경과 다른 조건일수록 풍화가 잘 일어난다. 풍화 속도를 좌우하는 요인은 암석의 종류, 조직과 절리 같은 구조, 비탈면의 경사, 기후 조건이다.

절리나 층리가 발달한 암석은 물과 공기가 침투하는 면적이 넓어 풍화가 빨리 진행한다. 이 때문에 같은 암종이라도 절리 밀도가 높은 구간에서 풍화심도가 깊게 나타난다.

기계적 풍화는 광물 조성은 그대로 둔 채 암석을 조각내는 작용이다. 대표적인 작용은 온도 변화에 따른 팽창과 수축, 틈에 스며든 물이 얼면서 부피가 늘어나는 동결 융해, 틈 속에서 자라는 결정이나 식물 뿌리의 압력, 상부 하중이 제거될 때 일어나는 압력 해방에 의한 팽창이다. 이 작용은 암석을 작게 나누어 노출 표면적을 늘리므로 뒤이어 일어나는 화학적 풍화를 돕는다.

화학적 풍화는 물과 이산화탄소, 산소 같은 물질이 광물과 반응하여 광물의 조성을 바꾸는 작용이다. 용해, 가수분해, 산화, 탄산화가 대표적이며 탄산화는 용해 작용의 한 형태이다. 장석이 가수분해되면 점토광물과 실리카 성분이 생기고, 철·마그네슘·칼슘을 포함한 유색광물이 분해되면 이 원소들이 이온이나 콜로이드 형태로 물에 실려 나간다. 이렇게 남은 물질은 알루미늄과 규소가 많고 응집력이 약한 점토질이 된다.

기계적 풍화와 화학적 풍화는 실제 자연에서 동시에 일어나며 경계가 뚜렷하지 않다. 기계적 파괴로 생긴 균열은 화학 반응의 통로가 되고, 화학 반응으로 광물이 약해지면 작은 힘으로도 기계적 제거가 가능해진다. 따라서 두 작용을 따로 떼어 설명하더라도 풍화 현상은 두 작용의 상호작용으로 이해해야 한다.

개념 풀이에서 쓰는 핵심 용어는 다음과 같다.

• 풍화대: 지표에서 깊이 방향으로 풍화 정도가 달라지는 층 구간이다. 위쪽에는 풍화가 가장 많이 진행된 토사 상태가 있고, 아래로 갈수록 암반의 조직이 살아 있는 신선한 암반에 가까워진다.
• 풍화심도: 풍화 영향이 지표에서 아래로 미치는 깊이이다. 비탈면과 터널 설계에서 입력 조건이 되는 값이다.
• 풍화생성물: 풍화 결과 새로 만들어진 광물과 물질로, 점토광물과 산화철, 알루미늄 광물이 대표적이다. 암석의 종류에 따라 생성물의 종류가 달라진다.

풍화 정도는 신선한 암석에서 풍화잔류토까지 6단계로 구분하는 것이 일반적이다. 등급 판단은 조성광물의 변질 상태와 변색 정도, 그리고 강도 저하 상태를 기준으로 한다.

3. 등장 배경과 필요성

풍화가 지질학과 지반공학에서 중요한 이유는 지표의 암석이 토양으로 바뀌는 출발점이기 때문이다. 풍화는 지표를 평탄하게 만드는 작용에 없어서는 안 되는 요인이며, 토양 생성 작용의 핵심이기도 하다. 암석이 풍화를 받아 토양이 생기고 지형이 깎여 나가는 과정은 지형 형성 전체의 전제가 된다.

건설 분야에서 풍화가 문제가 되는 것은 암반의 강도와 변형 특성이 풍화에 따라 달라지기 때문이다. 풍화 상태는 암석의 상대적 강도 저하를 반영하지만, 암석의 종류와 연결하지 않으면 그 자체로 강도값으로 환산할 수 없다. 그래서 현장에서는 풍화 상태를 육안 관찰의 기준으로 쓰고, 설계에 필요한 강도는 암종별 시험으로 구한다.