แรงเค้นและการเปลี่ยนรูปหิน

หิน – 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)

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

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

ปัจจัยที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนรูป หิน

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 และเผละออกในทิศทางหรือด้านตรงกันข้ามที่ถูกแรงกระทำ โดยในกรณีของ แรงดันกักเก็บสูง วัสดุจะแสดงคุณสมบัติเหนียวนุ่มมากกว่าแข็งเปราะ และจะเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียวมากกว่าเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะ
• ชนิดหิน (rock type) ส่วนประกอบหินมีผลอย่างมากต่อความแข็งของหิน น้ำที่อยู่ระหว่างช่องว่างของเม็ดตะกอนช่วยลดความแข็งของหิน ดังนั้นเมื่อถูกแรงเค้นเข้ามากระทำ หินที่ชุ่มน้ำจะเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียวได้ดี และสืบเนื่องจากชนิดแร่ในหินมีความแข็งไม่เท่ากันตามมาตราโมส์ (Mohs’ scale) ดังนั้นแร่ที่มีค่าความแข็งสูงตามมาตราโมส์ จึงมีโอกาสเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะได้ง่าย
• เวลา (time) หากแรงเค้นกระทำกับวัสดุอย่างช้าๆ วัสดุหรือหินนั้นจะมีเวลาจัดเรียงตัวของแร่ ทำให้มีโอกาสเกิดการเปลี่ยนรูปแบบอ่อนเหนียวมากกว่า แต่หากแรงกระทำนั้นเป็นไปอย่างรวดเร็ว หินมักจะเปลี่ยนรูปแบบแข็งเปราะ

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

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

เพิ่มเติม : รอยแยกและรอยเลื่อนของหิน

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