เรียนรู้

การหาอายุด้วยวิธีออบซิเดียน

ออบซิเดียน (obsidian) คือ หินอัคนีภูเขาไฟ (volanic igneous rock) ชนิดหนึ่ง ที่เกิดจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็วของแมกมาไรโอไรท์ที่มีปริมาณแร่ซิลิก้าสูง โดยทั่วไปออบซฺเดียนมีหลายสีตั้งแต่ใสเหมือนแก้ว สีเทา สีน้ำตาล สีน้ำตาลออกแดง จนกระทั่งสีดำเหมือนถ่านหิน ความแตกต่างของสีเกิดจากสารประกอบในเนื้อแก้วและอัตราการเย็นตัวจากแมกมาจนกลายเป็นหินแข็ง ในอดีตมนุษย์นิยมใช้หินออบซิเดียนเป็นวัสดุหลักในการทำเครื่องมือใช้สอยในชีวิตประจำวันและเครื่องประดับ ตลอดจนเอามาทำเป็นศิลปวัตถุ เนื่องจากมีความแข็งแรงและคงทน ทำให้ในช่วงปี ค.ศ. 1948 นักวิทยาศาสตร์พยายามศึกษาหาวิธีในการหาอายุออบซิเดียน เพื่อกำหนดอายุแหล่งโบราณคดีที่พบตัวอย่างเครื่องมือหรือเครื่องประดับที่ทำจากออบซิเดียน และในปัจจุบันยังสามารถใช้กับการหาอายุธารน้ำแข็งหรือเหตุการณ์ทางภูเขาไฟได้ด้วย

หินออปซิเดียน (obsidian) เป็นหินอัคนีภูเขาไฟที่เกิดจากการปะทุของแมกมาไรโอไรท์ และแมกมาเกิดการเย็นตัวอย่างรวดเร็วมาก ทำให้หินมีเนื้อแก้ว (glasseous texture)
ตัวอย่างเครื่องมือโบราณที่ทำจากออบซิเดียน (ที่มา : https://napavalleyregister.com/)

พ.ศ. 2500 นักวิทยาศาสตร์ 2 ท่าน คือ Friedman I. และ Smith R.L. สนใจศึกษาออบซิเดียน ทั้งนี้เพราะรู้มาว่าออบซิเดียนเป็นหินที่สามารุดูดซึมน้ำเข้าไปตามผิวได้ ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า กระบวนการไฮเดรชัน (hydration) และแสดงผิวหน้าที่มีลักษณะเฉพาะเป็นชั้นๆ เรียกว่า ชั้นไฮเดรชัน (hydration layer)

ด้วยเหตุนี้ในปี พ.ศ. 2501 Friedman ได้ออกแบบกระบวนการการหาอายุอย่างง่ายๆ ขึ้นมา (ซึ่งก็ยังใช้วิธีการดังกล่าวกันอยู่จนถึงทุกวันนี้) คือนำเอาออบซิเดียนมาตัดและฝนให้มีความหนาแค่ 0.003 นิ้ว แล้วนำมาวัดความกว้างของชั้นไฮเดรชัน ในหน่วยวัดเป็นไมครอน (1 ไมครอน เท่ากับ 1/40,000,000 นิ้ว) การแยกชั้นที่ผ่านการไฮเดรชันทำได้โดยการศึกษาตัวอย่าง แผ่นหินบาง (thin section) ของออบซิเดียน ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ที่สามารถขยายได้ในระดับไมครอน หรือ กล้องอิเลคตรอนไมโครสโคป

กระบวนการเตรียมตัวอย่างเพื่อศึกษาชั้นไฮเดรชัน และหาอายุด้วยวิธีออบซิเดียน

ซึ่งรอยต่อระหว่างเนื้อหินปกติและเนื้อหินที่ผ่านกระบวนการไฮเดรชัน จะสามารถมองเห็นได้ชัดเจนภายใต้กล้อง โดยดูจากการเปลี่ยนแปลงอย่างกระทันหันจากค่าดัชนีการหักเหของแสงที่ขอบด้านในบริเวณที่เกิดการไฮเดรชัน บริเวณด้านหน้าหรือบริเวณเปลือกด้านนอกที่เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชัน จะมีลักษณะที่ขุ่นมัวกว่าบริเวณที่ไม่เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชันภายใน

ภาพถ่ายแผ่นดินบางของหินออบซิเดียน ถ่ายภายใต้กล้อง (ที่มา : Liritzis และ Laskaris, 2011)

เมื่อตรวจพบและสามารถตรวจวัดความหนาของชั้นไฮเดรชันได้แล้ว ก็สามารถนำไปหาอายุได้ โดยนำรูปแบบหรือความหนาที่ได้ไปเปรียบเทียบกับ ตารางมาตรฐานของความหนาตัวอย่างออบซิเดียนจากที่ต่างๆ ทั่วโลก ที่เคยมีการรายงานอายุมาแล้วในอดีต (หาอายุตัวอย่างอื่นด้วยวิธีอื่นในพื้นที่เดียวกันกับหินออบซิเดียนนั้นถูกพบ) เช่น ถ้าเป็นตัวอย่างออบซิเดียนที่ได้จากอียิปต์มี ชั้นไฮเดรชันจะหนาประมาณ 14 ไมครอน ซึ่งจะมีอายุประมาณ 1,000 ปี เป็นต้น

หลักการนำรูปแบบหรือความหนาของชั้นไฮเดรชันของหินออบซิเดียน ไปเทียบกับตารางความหนามาตรฐานของตัวอย่างอื่นๆ ทั่วโลก เป็นหลักการเดียวกันกับที่ใช้สำหรับ การหาอายุด้วยวิธีเทียบเคียง หรือ การหาอายุทางธรณีวิทยาและโบราณคดีจากสัญญาณสนามแม่เหล็กโลกบรรพกาล

ตัวอย่างตารางมาตรฐานสภาวะแม่เหล็กโลกในช่วง (ซ้าย) มหายุคมีโซโซอิก-ซีโนโซอิก (ขวา) สมัยไมโอซีน-สมัยไพลสโตซีน (Cande และ Kent, 1995) สีขาว คือ ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ส่่วน สีดำ คือ หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ (reverse polarity)

อย่างไรก็ตาม ในการหาอายุด้วยวิธีออบซิเดียน โดยรายละเอียดยังมีประเด็นอ่อนไหวของความไม่แน่นอนจากปัจจัยหรือสภาพแวดล้อมต่างๆ ที่ไม่ได้คงที่ตลอดระยะเวลาที่ออบซิเดียนนั้นเกิดขึ้น หรือเครื่องมือโบราณนั้นถูกผลิตขึ้น เช่น เรื่องของอุณหภูมิในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันไปในที่ต่างๆ ของโลก ซึ่งในประเด็นนี้ Friedman และ Smith ได้ศึกษาวิจัยจนพบว่าออบซิเดียนจะดูดซึมความชื้นได้บ้างในสภาพแวดล้อมที่มีอากาศร้อน แต่จะดูดซึมความชึ้นค่อนข้างเร็วในบริเวณที่มีอากาศเย็น หรือมีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไปตามฤดูกาล ดังนั้น Friedman และ Smith จึงสรุปว่า อุณหภูมิเป็นปัจจัยควบคุมอัตราการไฮเดรชันของออบซิเดียน และได้กำหนดสมการที่ใช้ในการประเมินอัตราการการเกิดกระบวนการไฮเดรชันโบราณในการหาอายุด้วย วิธีออบซิเดียน (obsidian dating) หรือ วิธีออบซิเดียนไฮเดรชัน (obsidian hydration dating) ดังนี้

K = A Exp (E/RT)

กำหนดให้

  • K คือ อัตราการการเกิดกระบวนการไฮเดรชัน
  • A คือ อัตราการเพิ่มของอุณหภูมิในกระบวนการไฮเดรชัน
  • E คือ ค่าพลังงานที่กระตุ้นกระบวนการไฮเดรชัน
  • R คือ ค่าคงที่ของก๊าซ (universal gas constant)
  • T คือ อุณหภูมิ

อีกข้อจำกัดของการหาอายุด้วยวิธีออบซิเดียนคือ การที่ต้องสร้างกราฟปรับเทียบในเชิงพื้นที่เพื่อนำมาเป็นตารางมาตรฐานในการนำชั้นไฮเดรชันที่ตรวจวัดได้มาหาอายุ เหมือนกับการสร้างตารางแม่เหล็กของการหาอายุด้วยสนามแม่เหล็กโลกหรือการสร้างตารางของวงปีต้นไม้ ซึ่งต้องอาศัยกรณีศึกษาเป็นจำนวนมากกว่าจะได้ตารางมาตรฐานขึ้นมา ดังนั้นในปัจจุบัน การหาอายุด้วยวิธีออบซิเดียนจึงยังมีข้อจำกัดในเรื่องของตารางมาตรฐานและความเชื่อมั่นในอายุที่ได้อยู่พอสมควร แต่ก็ถือเป็นอีกหนึ่งวิธีการหาอายุตัวอย่างทางธรณีวิทยาหรือโบราณคดี ที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามคิดค้นขึ้นมาเพื่อรองรับในกรณีที่ งานวิจัยนั้นจำเป็นต้องทราบอายุของพื้นที่หรือเหตุการณ์จริงๆ และไม่สามารถใช้ตัวอย่างอื่นๆ รอบข้างในการหาอายุได้

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

Share: