버섯바위는 뜨거운 용암이 수중에서 분출할 때 생성된 미세한 화산쇄설물 입자가 퇴적된 응회암이다. 겹겹이 쌓인 지층이 차별침식을 받아 버섯을 닮은 외형을 보인다. 화산쇄설물은 상대적으로 크기가 크고 밀도가 높은 입자는 빠르게 가라앉고, 상대적으로 크기가 작고 밀도가 낮은 입자는 천천히 가라앉아 퇴적물의 입자의 크기가 밑에서 위로 갈수록 작아지는 점이층리를 보여준다. 입자의 크기가 상대적으로 작은 층은 침식을 많이 받아 내부로 들어가 있고, 상대적으로 입자의 크기가 큰 층은 침식을 적게 받아 외부로 돌출되면서 들쭉날쭉한 형상을 지니고 있다. 이렇게 물질들이 침식을 견디는 정도가 다를 때 침식속도의 차이가 나는데, 이를 차별침식이라고 한다. 과거 버섯바위는 현재 위치가 아닌 현재보다 높은 위치에 있었는데, 산사면 일부가 붕괴된 후 중력에 의해 아래로 떨어져 현재 위치에 자리 잡게 되었다. 이처럼 암반이 수직으로 깨져 아래로 떨어지는 것을 토플링 파괴라고 한다. 울릉도에는 몽돌해안이 발달하는데, 버섯바위 앞에도 몽돌해안이 있다.

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