เรียนรู้

การเปลี่ยนรูปของหิน : ปัจจัยและรูปแบบ

แรงเค้นและการเปลี่ยนรูปหิน

ในธรรมชาติ เมื่อมี แรงเค้น (stress) เข้ามากระทำวัสดุใดๆ จะทำให้วัสดุนั้นเกิด ความเครียด (strain) และมีโอกาส เปลี่ยนรูป (deform) ไปจากเดิม ซึ่งแรงเค้นดังกล่าวแบ่งย่อยเป็น 3 รูปแบบ คือ 1) แรงเค้นบีบอัด (compressional stress) ทำให้วัสดุเกิดความเครียดและเปลี่ยนรูปหดสั้นลง (shortening strain) 2) แรงเค้นดึง (tension stress) ทำให้วัสดุยืดยาวขึ้น (extensional strain) และ 3) แรงเค้นเฉือน (shear stress) ทำให้วัสดุเปลี่ยนรูปในแนวเฉือน (shear strain)

(ซ้าย) รูปแบบของแรงเค้นและความเครียดที่เกิดขึ้น (ขวา) การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกของหินทั้งแข็งเปราะและอ่อนเหนียว

ซึ่งหากพิจารณาระดับของ การเปลี่ยนรูป (deformation) เมื่อถูกแรงเค้นเข้ามากระทำ ในช่วงแรกวัสดุจะมีการเปลี่ยนรูป แต่เมื่อไม่มีแรงกระทำอย่างต่อเนื่อง วัสดุจะคืนตัวกลับตามรูปทรงเดิม เรียกว่า การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น (elastic deformation) เช่น เมื่อออกแรงงอไม้บรรทัด ไม้บรรทัดจะงอตามแรงที่กระทำ แต่เมื่อหยุดออกแรง ไม้บรรทัดจะกลับมาตรงเหมือนเดิม

รูปแบบการเปลี่ยนรูปของวัตถุหรือหินเมื่อถูกแรงกระทำ

ต่อมาเมื่อแรงเค้นเพิ่มสูงขึ้นจนกระทั่งแรงเค้นเกินระดับ จุดคราก (yield point) วัสดุจะเปลี่ยนรูปไปอย่างถาวร โดยไม่คืนกลับตามรูปทรงเดิมของวัสดุ ถึงแม้ว่าจะไม่มีแรงเข้ามากระทำอีกก็ตาม เรียกว่า การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก (plastic deformation) ซึ่งการเปลี่ยนรูปของวัสดุแบบพลาสติกหรืออย่างถาวรนี้แบ่งย่อยเป็น 2 รูปแบบ คือ

  • การเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียว (ductile deformation) หมายถึง วัสดุนั้นจะเปลี่ยนรูปหรือคดโค้งโดยไม่มีการปริแตก
  • การเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะ (brittle deformation) หมายถึง วัสดุนั้นแตกย่อยออกเป็นชิ้น

จุดคราก (yield point) หมายถึง แรงเค้นสูงที่สุดที่ทำให้วัสดุยังคงสภาพการเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก

(ซ้าย) รูปแบบของแรงเค้นและความเครียดที่เกิดขึ้น (ขวา) การเปลี่ยนรูปแบบพลาสติกของหินทั้งแข็งเปราะและอ่อนเหนียว

ปัจจัยที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนรูปหิน

โครงสร้างทางธรณีวิทยา (geological structure) คือ โครงสร้างของชั้นหินในแผ่นเปลือกโลกที่มีการเปลี่ยนรูปไปอย่างถาวรเนื่องจากถูกแรงทางธรณีแปรสัณฐานเข้ามากระทำ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของหินเป็นไปได้ทั้งแบบอ่อนเหนียวและแข็งเปราะ ขึ้นอยู่กับปัจจัยควบคุมการเปลี่ยนรูป 4 ปัจจัย คือ

  • อุณหภูมิ (temperature) ความร้อนทำให้พันธะการยึดเหนี่ยวของอะตอมอ่อนแอลง ดังนั้นตามหลัก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความลึก (geothermal gradient) หินในระดับลึกซึ่งมีอุณหภูมิสูงจะมีคุณสมบัติเหนียวนุ่มและจะเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียว เมื่อถูกแรงเค้นกระทำ ในขณะที่หินในระดับตื้นซึ่งมีอุณหภูมิต่ำจะมีคุณสมบัติแข็งเปราะ และเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะ
  • แรงดันกักเก็บ (confining pressure) คือแรงดันที่เข้ากระทำกับวัตถุในระดับเท่าๆ กัน ทุกทิศทุกทางเหมือนกับแรงดันน้ำที่กระทำกับนักดำน้ำที่ระดับความลึกต่างๆ ผลจากความเท่ากันทั้งระดับแรงและทุกทิศทุกทาง ทำให้นักดำน้ำไม่มีการเปลี่ยนรูปแต่จะมีการอัดแน่นขึ้น แตกต่างกับแรงดันที่เกิดจากแรงเค้น (stress pressure) เช่นการบีบดินน้ำมัน จะทำให้ดินน้ำมันเป็นรูปโดยหดสั้นลงเมื่อถูกแรงกระทำ และเผละออกในทิศทางหรือด้านตรงกันข้ามที่ถูกแรงกระท โดยในกรณีของ แรงดันกักเก็บสูง วัสดุจะแสดงคุณสมบัติเหนียวนุ่มมากกว่าแข็งเปราะ และจะเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียวมากกว่าเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะ
  • ชนิดหิน (rock type) ส่วนประกอบหินมีผลอย่างมากต่อความแข็งของหิน น้ำที่อยู่ระหว่างช่องว่างของเม็ดตะกอนช่วยลดความแข็งของหิน ดังนั้นเมื่อถูกแรงเค้นเข้ามากระทำ หินที่ชุ่มน้ำจะเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียวได้ดี และสืบเนื่องจากชนิดแร่ในหินมีความแข็งไม่เท่ากันตามมาตราโมส์ (Mohs’ scale) ดังนั้นแร่ที่มีค่าความแข็งสูงตามมาตราโมส์ จึงมีโอกาสเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะได้ง่าย
  • เวลา (time) หากแรงเค้นกระทำกับวัสดุอย่างช้าๆ วัสดุหรือหินนั้นจะมีเวลาจัดเรียงตัวของแร่ ทำให้มีโอกาสเกิดการเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียวมากกว่า แต่หากแรงกระทำนั้นเป็นไปอย่างรวดเร็ว หินมักจะเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะ
แบบจำลองการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความลึก (geothermal gradient)
แรงดันกักเก็บ (confining pressure) ที่จะเข้ากระทำนักดำน้ำเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อดำน้ำลึกลงไป
ชนิดแร่ ความแข็ง การตรวจสอบ
แร่ทัลก์ 1 อ่อนลื่นมือ เล็บขูดขีดเป็นรอยได้ง่าย
แร่ยิปซั่ม 2 เล็บขูดขีดเป็นรอย แต่ผิวฝืดมือ
แร่แคลไซต์ 3 เหรียญสีแดงขูดขีดเป็นรอย
แร่ฟลูออไรท์ 4 มีดหรือตะไบขูดขีดเป็นรอย
แร่อพาไทต์ 5 กระจกขูดขีดเป็นรอย
แร่ออร์โธเคลส 6 ขูดขีดกระจกจะเป็นรอยบนกระจก
แร่ควอตซ์ 7 ขูดขีดกระจกจะเป็นรอยบนกระจกได้ง่าย
แร่โทแปซ 8 ขูดขีดแร่ที่มีความแข็ง 1-7 เป็นรอย
แร่คอรันดัม 9 ขูดขีดแร่ที่มีความแข็ง 1-7 เป็นรอย
แร่เพชร 10 ขูดขีดแร่ที่มีความแข็ง 1-7 เป็นรอย
ความแข็งของแร่ตามมาตราโมส์ (Mohs’ scale)

วิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างทางธรณีวิทยา เรียกว่า วิชาธรณีวิทยาโครงสร้าง (Structural Geology)

รูปแบบการเปลี่ยนรูปของหิน

ผลจากคุณสมบัติของวัสดุหรือหินประกอบกับปัจจัยควบคุมการเปลี่ยนรูปทั้ง 4 ปัจจัย ดังที่อธิบายในข้างต้น เมื่อมีแรงทางธรณีแปรสัณฐานเข้ามากระทำหินในแผ่นเปลือกโลก ทำให้หินนั้นมีการเปลี่ยนรูปและเกิดโครงสร้างทางธรณีวิทยาที่แตกต่างกัน 3 รูปแบบ คือ

1) ชั้นหินคดโค้ง (fold) คือ โครงสร้างทางธรณีวิทยาที่เกิดจากหินถูก แรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานแบบบีบอัด (compressional stress) ทำให้หินเกิดความเครียดแบบหดสั้นลง และเกิดการคดโค้ง โดยส่วนใหญ่เกิดตามขอบแผ่นเปลือกโลกที่มีการเคลื่อนที่เข้าหากัน และเป็นโครงสร้างโดยส่วนใหญ่ที่ทำให้เกิดแนวเทือกเขา

แบบจำลองการเกิดชั้นหินคดโค้งปะทุนคว่ำและชั้นหินคดโค้งปะทุนหงาย
(ซ้าย) ชั้นหินคดโค้งปะทุนคว่ำ (ขวา) ชั้นหินคดโค้งปะทุนหงาย (ที่มา : www.usgs.gov; www.lumenlearning.com)

เพิ่มเติม : การคดโค้งโก่งงอของหิน

2) รอยแยก (fracture) หมายถึง โครงสร้างทางธรณีวิทยาที่มีแรงเค้นทางธรณีแปรสัณฐานเข้ามากระทำกับวัสดุหรือหินที่มีคุณสมบัติแบบแข็งเปราะ ทำให้เกิดการปริแตกของหินโดยไม่มีการเคลื่อนที่ของหินระหว่างรอยแตก บางครั้งหินเกิดเป็นรอยแยกขนาดเล็ก หรือ รอยแตก (joint) ซึ่งเกิดการแตกอย่างเป็นระบบ เรียกว่า ระบบรอยแตก (joint set) โดยรอยแตกเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ เช่น เกิดจากแรงบีบอัดที่ไม่เท่ากันในด้านต่างๆ ของหิน ทำให้หินเกิดรอยแตกในระนาบที่ตั้งฉากกับแนวแรงที่กระทำสูงที่สุด

เพิ่มเติม : รอยแยกและรอยเลื่อนของหิน

3) รอยเลื่อน (fault) คือ รอยแยกหรือรอยแตกของหินที่มีการเคลื่อนตัวเนื่องจากแรงเค้นที่เข้ามากระทำ ซึ่งรอยเลื่อนโดยส่วนใหญ่จะมี ระนาบการเลื่อนตัว หรือ ระนาบรอยเลื่อน (fault plane) อยู่ในแนวเอียงเอียงเทไปด้านใดด้านหนึ่ง ทำให้พื้นที่ทั้ง 2 ฝั่งที่ถูกแบ่งโดยระนาบรอยเลื่อนนั้นมีรูปทรงไม่เหมือนกัน และถูกเรียกแตกต่างกัน เพื่อให้เข้าใจได้ง่ายไม่สับสน ดังนี้

  • ผนังพื้น (footwall) คือ ส่วนที่อยู่ใต้ระนาบรอยเลื่อน ซึ่งหากจินตนาการตามการขุดอุโมงค์ใต้ดินในแนวเอียงเพื่อทำเหมือง ผนังพื้นคือส่วนที่นักธรณีวิทยาใช้เป็นพื้นเดินลงไปตามอุโมงค์
  • ผนังเพดาน (hangingwall) คือ ส่วนที่อยู่บนระนาบรอยเลื่อน ซึ่งนักธรณีวิทยาใช้ในการแขวน (hanging) ตะเกียง เพื่อให้แสงสว่างแก่อุโมงค์
พื้นที่ส่วนต่างๆ ที่ถูกแบ่งระหว่างระนาบรอยเลื่อน (สันติ ภัยหลบลี้, 2555) 
(ซ้าย) รอยเลื่อนปกติ รัฐเนวาดา สหรัฐอเมริกา (ขวา) รอยเลื่อนย้อน อิรัก

เพิ่มเติม : รอยแยกและรอยเลื่อนของหิน

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

Share: