เรียนรู้

ไส้ในโลก : กับการคาดเดาองค์ประกอบของแต่ละชั้น

วิวัฒนาการภายในโลก

ในเวลาใกล้เคียงกับการเกิดระบบสุริยะ เทหวัตถุต่างๆ รวมทั้งโลกได้ก่อตัวขึ้น โดยนักธรณีวิทยาเชื่อว่าโลกในระยะแรกมีสถานะเป็นกลุ่มก๊าซและของเหลวที่หมุนรอบตัวเอง ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งผลของแรงดึงดูดจากการหมุนรอบตัวเองและปัจจัยภายนอกอื่นๆ เช่น การพุ่งชนของอุกกาบาต ทำให้ภายในโลกมีวิวัฒนาการที่เด่นชัดอยู่ 4 ระยะ ดังนี้

1) ระยะรวมตัวเนื้อเดียว (conglomeration stage) เกิดในช่วงเวลา 1,000 ล้านปีแรก หลังจากโลกก่อตัว (4,500-4,600 ล้านปี ที่ผ่านมา) ภายในโลกยังเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด โดยมีองค์ประกอบตั้งต้นหลักเป็นแร่ ซิลิก้า (SiO2) เหล็ก (Fe) แมกนีเซียม (Mg) และธาตุอื่นๆ บางส่วน ซึ่งในระหว่างการรวมตัวกันของ กลุ่มหมอกควัน (nebular) เกิดการชนกันของอนุภาค การพอกและอัดแน่นของมวลสารที่เพิ่มมากขึ้น ประกอบกับการสลายตัวของ ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) ที่มีอยู่ในโลก เช่น ธาตุยูเรเนียม (U) ทอเรียม (Th) และ ธาตุโปแตสเซียม (K) ทำให้โลกในระยะแรกมีอุณหภูมิสูงถึง 1,500-1,800 องศาเซลเซียส

2) ระยะก่อเหล็ก (iron catastrophic stage) เนื่องด้วยอุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้สารประกอบภายในโลกเริ่มหลอมละลาย ธาตุที่มีความหนาแน่นสูง เช่น แร่เหล็ก จมตัวลงใจกลางโลก กลายเป็นองค์ประกอบหลักของ แก่นโลก (core)

วิวัฒนาการการแยกชั้นของวัสดุภายในโลก

3) ระยะแยกชั้น (planetary differentiation stage) นักธรณีวิทยาคาดว่ากระบวนการแยกชั้นของโลกเกิดอย่างต่อเนื่องมาจากระยะก่อเหล็ก ในช่วงเวลา 3,700-4,500 ล้านปี ที่ผ่านมา โดยเมื่อเหล็กเริ่มจมตัวสู่ใจกลางโลก มวลของสารประกอบอื่นๆ ซึ่งเบากว่า เช่น ซิลิก้า โซเดียม โปแตสเซียม และ แคลเซียม จึงลอยตัวขึ้นแทนที่ ในขณะที่ผิวนอกของโลกซึ่งสัมผัสกับบรรยากาศเริ่มเย็นตัวกลายเป็น เปลือกโลกแรกเริ่ม (primitive crust) ส่วนชั้นกลางระหว่างเปลือกโลกและแก่นโลก มีองค์ประกอบผสมกันระหว่างองค์ประกอบของเปลือกโลกและแก่นโลกเรียกว่า เนื้อโลก (mantle)

4) ระยะเกิดใหม่ (earth-reborn stage) เนื่องจากหินแข็งในเปลือกโลกแรกเริ่มมีสภาพการนำความร้อนต่ำ ทำให้การไหลเวียนและการถ่ายเทความร้อน จากภายในสู่ภายนอกโลกมีประสิทธิภาพต่ำลง ประกอบกับการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีภายในโลกที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้อุณหภูมิภายในโลกเพิ่มสูงขึ้นอีก สารประกอบภายในโลกจึงหลอมเหลว เกิดการถ่ายเทความร้อนในรูปแบบ การพาความร้อน (convection) โดยมวลของเหลวที่มีอุณหภูมิสูง (ความหนาแน่นต่ำ) ลอยตัวสู่ด้านบน ในขณะที่มวลอุณหภูมิต่ำ (ความหนาแน่นสูง) จมลงสู่ใจกลางโลก เกิดเป็นกระแสวนขึ้น-ลงอยู่ตลอดเวลา ซึ่งผลจากการหมุนวนของของเหลวทำให้เกิดพัฒนาการแยกชั้นของมวลสารภายในโลก ตามความสัมพันธ์ทางเคมีและความถ่วงจำเพาะ และมีการแยกชั้นชัดเจนมากกว่าระยะแยกชั้น

แบบจำลองกระแสพาความร้อน (convection current) (ซ้าย) ตัวอย่างในหม้อต้มน้ำ (ขวา) ตัวอย่างที่คาดว่าเกิดขึ้นภายในโลก

5) ระยะเย็นตัว (engine-down stage) จากการแยกชั้นกันขององค์ประกอบภายในโลก ทำให้ธาตุกัมมันตรังสีซึ่งในระยะแรกปะปนกันอยู่ทั่วไปภายในโลก เกิดการแยกชั้นและสะสมตัวอยู่หนาแน่นในเปลือกโลก ทำให้พลังงานความร้อนที่เกิดจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี สามารถถ่ายเทสู่ภายนอกได้สะดวกและรวดเร็วขึ้น โลกในระยะนี้ถึงปัจจุบันจึงมีอุณหภูมิภายในลดลงตามลำดับ ซึ่งปัจจุบันโลกยังพยายามถ่ายเทความร้อน ออกสู่ภายนอกอยู่ตลอดเวลา ผ่านกระบวนการประทุของภูเขาไฟ หรือน้ำพุร้อนตามพื้นที่ต่างๆ ทั่วโลก

ซึ่งนอกจากการแบ่งชั้นของแผ่นเปลือกโลกโดยใช้ ความแตกต่างของคุณสมบัติทางกายภาพ (ความหนาแน่น) ผ่านทางการสะท้อนและหักเหของคลื่นไหวสะเทือน นักธรณีวิทยายังได้แบ่งชั้นต่างๆ ของโลกด้วยองค์ประกอบทางเคมีอีกด้วย โดยผลจากการศึกษาหินอุกาบาตที่ตกมายังโลก ซึ่งนักธรณีวิทยาเชื่อว่าเป็นองค์ประกอบโดยรวมของโลกทั้งใบในช่วงแรกของการเกิดโลก ประกอบกับการเปรียบเทียบความหนาแน่นในแต่ละชั้นกับแร่องค์ประกอบที่เป็นไปได้ รวมทั้งการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ นักธรณีวิทยาสามารถแบ่งโครงสร้างหรือชั้นต่างๆ ภายในโลกตามคุณสมบัติทางเคมีหรือชนิดองค์ประกอบของวัสดุได้ 3 ชั้น คือ

นักธรณีวิทยาเชื่อว่าองค์ประกอบโดยรวมของโลก มีสัดส่วนของแร่ธาตุใกล้เคียงกับชิ้นส่วนอุกกาบาต ซึ่งเป็นวัสดุตั้งต้นของการเกิดโลกและดาวเคราะห์ต่างๆ ถ้าเราเชื่อ สมมุติฐานกลุ่มควัน (nebular hyphothesis)

1) เปลือกโลก

เปลือกโลก (crust) คือ ชั้นนอกสุด มีสถานะเป็นของแข็งมีความหนาหนา 8-35 กิโลเมตร แบ่งย่อยเป็น 2 ส่วน คือ

  • เปลือกโลกชั้นบน (upper crust) มีความหนาแน่นต่ำ ประกอบด้วยแร่โปแตสเซียม อะลูมิเนียม และซิลิก้าเป็นส่วนใหญ่ หรือเรียกอีกอย่างว่า ชั้นไซอัล (SIAL = Silicon + Alumina)
  • เปลือกโลกชั้นล่าง (lower crust) ที่มีความหนาแน่นมากกว่าเปลือกโลกชั้นบน ประกอบด้วยแร่แมกนีเซียม เหล็ก แคลเซียม และซิลิก้าเป็นส่วนใหญ่ หรือเรียกอีกอย่างว่า ชั้นไซมา (SIMA = Silicon + Magnesium)
องค์ประกอบของแร่ชนิดต่างๆ ของโลกโดยรวมและเปลือกโลก

2) เนื้อโลก

เนื้อโลก หรือ แมนเทิล (mantle) เป็นมวลส่วนใหญ่ของโลก อยู่ที่ระดับความลึก 75-2,900 กิโลเมตร แยกออกจากชั้นเปลือกโลกแบบถัวๆ ด้วยหลักฐานการเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนเมื่อคลื่นเดินทางจากเปลือกโลกสู่เนื้อโลก หรือที่เรียกว่า ความไม่ต่อเนื่องโมโฮโรวิซิค (Mohorovičić Discontinuity) โดยเนื้อโลกมี ความหนาแน่น 3.3-5.7 กรัม/เซนติเมตร3 สอดคล้องกับผลจากการศึกษาองค์ประกอบของเศษ หินเพอริโดไทต์ (peridotite) ที่ติดมากับแมกมา จึงคาดว่า เนื้อโลกน่าจะมีองค์ประกอบเหมือนกับหินเพอริโดไทต์ จากการศึกษาในรายละเอียด นักธรณีวิทยาคาดว่าชั้นแมนเทิลเกือบทั้งหมดน่าจะมีสถานะเป็นของหนืด ยกเว้นที่ความลึกประมาณ 70-260 กิโลเมตร ที่หินมีการหลอมละลายบางส่วนและมีสถานะเป็นของเหลว โดยเนื้อโลกแบ่งได้ 2 ส่วน คือ

  • เนื้อโลกชั้นบน (upper mantle) มีความแปรปรวนทางความเร็วคลื่นไหวสะเทือนมาก แสดงความไม่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างกว้างขวาง (regional heterogeneous) ทั้งทางดิ่งและทางราบ พบบริเวณที่ความเร็วคลื่นไหวสะเทือนต่ำ ความเร็วของคลื่น P และ S ลดลงในช่วง 100-250 กิโลเมตร
  • เนื้อโลกชั้นล่าง (Lower mantle) เป็นชั้นที่อยู่ในระดับความลึก 700-2,900 กิโลเมตร นักธรณีวิทยาเชื่อว่าชั้นนี้มีองค์ประกอบเหมือนเนื้อโลกชั้นบน แต่มีสถานะเป็นของแข็งที่ร้อนมากและเคลื่อนตัวอย่างเชื่องช้า โดยแยกออกจากเนื้อโลกชั้นบนด้วย ชั้นเปลี่ยนโซน (Transitional Zone) ซึ่งมีความเร็วคลื่นไหวสะเทือนปานกลาง กราฟความเร็วคลื่นเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยนักธรณีวิทยาเชื่อว่าเป็นการเพิ่มความหนาแน่นเนื่องจากความดัน ไม่ใช่การเปลี่ยนองค์ประกอบหรือชนิดของวัสดุภายในโลก นอกจากนี้ที่ระดับความลึก 2,700 กิโลเมตร และ 2,900 กิโลเมตร พบความเร็วคลื่นลดลงเล็กน้อย บางครั้งเพื่อความสะดวก อาจนับรวมชั้นนี้และชั้นเปลี่ยนโซนเข้าด้วยกัน เรียกเป็น เนื้อโลกระดับลึก (deep mantle หรือ D layer) ซึ่งขอบด้านล่างของชั้นนี้ถูกกั้นออกจากแก่นโลกด้วยชั้นความไม่ต่อเนื่องของคลื่นไหวสะเทือนที่เรียกว่า ชั้นความไม่ต่อเนื่องกูเท็นเบิร์ก (Gutenberg Discontinuity)
การเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่น P ในช่วงความลึก 0-600 กิโลเมตร ซึ่ง ชั้นเปลี่ยนโซน (transitional zone) คือ ชั้นไม่ต่อเนื่องที่แทรกอยู่ระหว่าง เนื้อโลกตอนบนกับเนื้อโลกตอนล่าง ซึ่งอยู่ลึกลงไปในตัวโลก 400-700 กิโลเมตร โดยประมาณ

3) แก่นโลก

แก่นโลก (core) อยู่ที่ระดับความลึกมากกว่า 2,900 กิโลเมตร จากพื้นโลก แยกออกจากชั้นเนื้อโลกได้จากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนเช่นเดียวกับรอยต่อระหว่างเปลือกโลกและเนื้อโลก ซึ่งผลจากการคำนวณความหนาแน่นที่หลงเหลือจากเปลือกโลกและเนื้อโลก เมื่อเปรียบเทียบกับความหนาแน่นโดยรวมของโลก (mass balance) นักธรณีวิทยาประเมินว่าแก่นโลกน่าจะมี ความหนาแน่นประมาณ 9.7-16 กรัม/เซนติเมตร3 ซึ่งตรงกับความหนาแน่นของ เหล็ก (Fe)

ประกอบกับการศึกษาสัดส่วนของเหล็กจาก อุกาบาตชนิดเหล็ก (iron meteorite) ซึ่งนักธรณีวิทยาสมมุติว่าน่าจะเป็นองค์ประกอบโดยรวมของโลก จึงคาดว่าแก่นโลกน่าจะมีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักและมีนิกเกิลบางส่วน แก่นโลก คือ ชั้นในสุดของโลกมีความหนาแน่นมาก มีรัศมีประมาณ 3,500 กิโลเมตร ประกอบด้วยโลหะผสมระหว่าง แร่เหล็ก (Fe) และ แร่นิกเกิล (Ni) โดยนักธรณีวิทยาได้แบ่งย่อยแก่นโลกออกเป็น 2 ชั้น คือ แก่นโลกชั้นนอก (outer core) และ แก่นโลกชั้นใน (inner core) โลกโดยใช้ ความแตกต่างของคุณสมบัติทางกายภาพ (ความหนาแน่น) ผ่านทางการสะท้อนและหักเหของคลื่นไหวสะเทือน เป็นเกณฑ์หลักในการแบ่ง แต่ในกรณีของการแบ่งตามองค์ประกอบของวัสดุทั้งแก่นโลกชั้นนอกและแก่นโลกชั้นใน ถือเป็นชั้นเดียวกันคือ ชั้นแก่นโลก (core)

โดยสรุปการแบ่งชั้นต่างๆ ของโลกทั้งจากการใช้ 1) คุณสมบัติทางกายภาพหรือการหักเหของคลื่นไหวสะเทือน และ 2) คุณสมบัติทางเคมีหรือองค์ประกอบความหนาแน่นของวัสดุ ทำให้นักธรณีวิทยาสามารถแยกแยะไส้ในของโลกสรุปได้ในรูปด้านล่าง

สรุปการเปลี่ยนแปลงความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนทั้งคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิในแต่ละระดับความลึกลงไปในโลก

เพิ่มเติม : เขาใช้อะไรแบ่งโลกเป็นชั้นๆ (เปลือกโลก . เนื้อโลก . แก่นโลก)

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth

Share: