빙결 풍화 작용(氷結風化作用, Frost weathering)은 물이 얼음으로 얼면서 발생하는 응력에 의해 유발되는 여러 기계적 풍화 과정을 총칭하는 용어이다. 이 용어는 동파 작용(frost shattering), 얼음의 쐐기 작용(frost wedging), 극저온 파쇄(cryofracturing) 등 다양한 세부 과정을 포괄하는 상위 개념으로 사용된다.
빙결 풍화 작용은 암석의 틈이나 공극에 스며든 물이 영하의 온도에서 얼음으로 전환될 때 발생하는 팽창 응력에 의해 암석이 균열되고 파괴되는 현상이다. 이 과정은 수 분에서 수 년에 이르는 다양한 시간 규모로 작용하며, 광물 알갱이 하나가 떨어져 나가는 미세한 규모에서부터 큰 바위가 쪼개지는 규모까지 광범위하게 나타난다.
이 작용은 고도가 높거나 위도가 높은 지역에서 가장 두드러지며, 특히 고산 기후, 주변빙기(周邊氷期, periglacial) 환경, 아한대 해양 기후 및 극지 기후와 밀접하게 관련된다. 다만 물이 존재하는 상태에서 영하의 온도(대략 -3°C에서 -8°C 사이)에 도달하는 조건이라면 어느 지역에서든 발생할 수 있다.
빙결 풍화 작용의 기작에 대해서는 크게 두 가지 설명이 제시되어 왔다. 첫째는 전통적인 부피 팽창 이론으로, 물이 얼음으로 전환될 때 부피가 약 9% 증가하면서 발생하는 압력이 암석을 파괴한다는 설명이다. -22°C에서 얼음의 성장은 최대 약 207 MPa의 압력을 발생시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이는 대부분의 암석을 파괴하기에 충분한 수준이다. 다만 이 이론이 유효하려면 암석이 물로 완전히 포화되어 있고 압축될 공기가 거의 없어야 하며, 물이 이동하지 못하도록 빠르게 얼어야 한다는 조건이 필요하다. 이러한 조건은 비교적 드물기 때문에, 부피 팽창 이론은 암석 표면 수 센티미터 이내 또는 기존의 물로 채워진 큰 절리(節理)에서 주로 중요하게 작용하는 것으로 간주된다.
둘째는 얼음 분리(ice segregation) 이론이다. 이 이론에 따르면, 동결에 취약한 토양이나 암석의 공극 내에서 모세관 현상에 의해 물이 결빙 전선(結氷前線) 쪽으로 이동하여 얼음 렌즈(ice lens)가 성장하게 되고, 이 얼음 결정의 성장이 암석을 약화시키고 결국 파괴한다는 것이다. 이 과정은 다공질 암석, 특히 사암과 같은 암석에서 흔히 관찰되며, 노출된 사암 표면 아래에서 개별 광물 알갱이가 하나씩 떨어져 나가는 현상(서리 박리, frost spalling)을 유발한다.
20세기 초반부터 1980년대까지는 부피 팽창 이론이 빙결 풍화 작용의 지배적인 기작으로 여겨졌으나, 1985년과 1986년에 발표된 Walder와 Hallet의 연구를 계기로 이 관점이 도전받았다. 이후 Matsuoka와 Murton 등 현대 연구자들은 부피 팽창에 의한 빙결 풍화의 발생 조건이 비교적 드물다고 보며, 얼음 분리 이론이 일반적인 현상을 정량적으로 설명하는 데 더 적합하다는 견해를 제시하고 있다.
빙결 풍화 작용은 지형학 및 지질학에서 암석의 풍화와 토양 생성, 지형 발달 과정을 이해하는 데 중요한 개념으로, 한대 지역과 고산 지역의 지형 형성에 핵심적인 역할을 한다. 또한 아스팔트 포장도로의 균열과 포트홀(pothole) 형성 등 인공 구조물의 손상에도 기여하는 것으로 알려져 있다.
