Learn

กระบวนการแปรสภาพหิน

การแปรสภาพหิน (metamorphism) หมายถึง กระบวนการฟแปรสภาพ หินเดิม (photolith) ทั้งหินอัคนี หินตะกอนหรือหินแปร ให้กลายเป็น หินแปร (metamorphic rock) ซึ่งมีลักษณะหน้าตาไม่เหมือนเดิม โดยที่หินไม่หลอมละลายและยังคงสัดส่วนของแร่องค์ประกอบคล้ายกับหินเดิม

ปัจจัยการแปรสภาพ

ปัจจัยที่ทำให้หินแปรสภาพในขณะที่ยังเป็นของแข็งอยู่ประกอบด้วย 3 ปัจจัย

ปัจจัยที่ส่งผลต่อการการแปรสภาพหิน

1) ความดัน (pressure) หากหินได้รับความดันในระดับมากพอ หินสามารถเปลี่ยนรูปและแปรสภาพได้ ซึ่งแหล่งที่มาของความดันมาจาก 2 สาเหตุ คือ

1.1) ความดันจากน้ำหนักกดทับ (confining pressure) ซึ่งอาจมาจากน้ำหนักของหินด้านบน โดยมีความดันเท่ากันทุกด้านและเพิ่มขึ้นตามความลึกเหมือนกับความดันในสระน้ำ โดยปกติหินแปรจะเกิดจากความดันชนิดนี้ในช่วง 1-10 กิโลบาร์ หรือเท่ากับความลึกประมาณ 15 กิโลเมตร ซึ่งเม็ดแร่ในหินอาจตอบสนองความดันโดยการเกิดผลึกใหม่และการก่อตัวขึ้นของแร่ที่มีโครงสร้างอะตอมที่อัดตัวกันแน่นมากขึ้น และมีความหนาแน่นสูงกว่าเม็ดแร่ตั้งต้น

1.2) ความดันที่เกิดจากแรงกระทำ (stress pressure) เป็นความดันที่ได้รับจากแรงโดยตรง เช่น การเคลื่อนที่เข้าหากันและชนกันของแผ่นเปลือกโลก ทำให้หินเกิดการบิดเบี้ยว เสียรูป และมีการพัฒนาลวดลายต่างๆ

2) อุณหภูมิ (temperature) แหล่งกำเนิดความร้อนสำคัญที่ทำให้หินแปรสภาพ ได้แก่ 2.1) มวลแมกมาที่แทรกดันขึ้นมาในหินเดิม 2.2) การเสียดสีจากการเคลื่อนที่ของหิน 2.3) การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี และ 2.4) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความลึกที่เพิ่มขึ้น

ชนิดของความดันที่เกิดขึ้นได้ในธรรมชาติ

โดยพลังงานความร้อนทำให้ความแข็งของหินลดลงกลายสภาพเป็นพลาสติก เมื่อพิจารณาร่วมกับแรงดันที่เข้ามากระทำ อาจทำให้แร่มีการบิดเบี้ยว เรียงตัวใหม่ หรืออาจเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมีทำให้เกิดการตกผลึกใหม่ของแร่ได้ ซึ่งจากหลักการของ ชุดปฏิกิริยาของโบเวน (Bowen’s reaction series) แร่ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำจะแปรสภาพก่อน

ชุดปฏิกิริยาของโบเวน

3) องค์ประกอบเคมี (chemical composition) โดยมีแหล่งที่มาจาก น้ำที่ได้รับพลังงานความร้อนใต้พิภพและนำพาสารละลายชนิดต่างๆ จากใต้พื้นผิวโลกขึ้นมา เรียกว่า สารละลายน้ำร้อน (hydrothermal solution) แทรกซึมไปตามรอยแตกหรือช่องว่างระหว่างเม็ดแร่ เกิดการแลกเปลี่ยนไอออนประจุที่มีอยู่ของหินเดิมทำให้หินแปรสภาพเปลี่ยนเป็นแร่และหินชนิดใหม่

แบบจำลองการเกิดสารละลายน้ำร้อน

หินนแปร คือ หินที่ถูกแปรสภาพไป แต่ต้องไม่มีการหลอมละลายหรือเปลี่ยนสัดส่วนของแร่องค์ประกอบในหินเดิม

ระดับการแปรสภาพ

ระดับการแปรสภาพ (metamorphic grade) หมายถึง ความรุนแรงในการแปรสภาพหิน ซึ่งขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิและความดันที่หินได้รับ จำแนกได้จาก แร่บ่งชี้ (mineral index) ชนิดต่างๆ ที่เกิดขึ้นได้ในสภาวะเฉพาะตัว โดยแบ่งระดับการแปรสภาพออกเป็น 3 ระดับ คือ

1) เกรดต่ำ (low-grade metamorphism) เป็นการแปรสภาพที่ช่วงอุณหภูมิ 200-350 องศาเซลเซียส

2) เกรดปานกลาง (intermediate-grade metamorphism) เป็นการแปรสภาพที่ช่วงอุณหภูมิ 350-550 องศาเซลเซียส และ

3) เกรดสูง (high-grade metamorphism) เป็นการแปรสภาพที่ช่วงอุณหภูมิ > 550 องศาเซลเซียส

รูปแสดงการแปรสภาพหินดินดาน (shale) ในระดับการแปรสภาพต่างๆ และการเปลี่ยนแปลงของแร่ประกอบหิน

วิวัฒนาการการแปรสภาพ

1) การแปรสภาพก้าวหน้า (prograde metamorphism) คือ การแปรสภาพที่มีการเพิ่มอุณหภูมิและความดันทำให้หินแปรมีเกรดสูงขึ้น พบมากในหินที่อยู่ในบริเวณเทือกเขาที่เกิดจากการชนกันของแผ่นเปลือกโลก เช่น เมื่อมีการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและความดันแร่ดินในหินดินดานเรียงตัวกลายเป็นหินชนวน (เกรดต่ำ)

ต่อมามีการจัดเรียงจัดเรียงแร่ไมกาจนกลายเป็นหินหินฟิลไลต์ (เกรดปานกลาง) จากนั้นแร่ไมกามีพัฒนาการเรียงตัวจนผลึกใหม่ใหญ่ขึ้น กลายเป็นหินชีสต์ (เกรดสูง) จนกระทั่งแร่ไมกาสูญเสีย OH และสลายตัวเกิดการตกผลึกใหม่เป็นแร่เฟลด์สปาร์ แร่ควอตซ์ และแร่อื่นๆ ในหินไนส์

ระดับและวิวัฒนาการแปรสภาพหิน

2. การแปรสภาพย้อนกลับ (retrograde metamorphism) คือ การแปรสภาพที่ลดอุณหภูมิและความดันในการแปรสภาพ รวมกับการเติมเข้ามาของน้ำ ทำให้หินแปรเกรดต่ำลง พบในหินแปรเดิมที่เคยอยู่ในระดับลึกและถูกกระบวนการธรณีแปรสัณฐานยกตัวให้สูงขึ้น ประกอบกับด้านบนของหินมีการผุพังทำให้อุณหภูมิและความดันลดลงตามลำดับ

ชุดแร่หินแปร

ชุดแร่หินแปร (metamorphic facies) หมายถึง กลุ่มแร่ในหินแปรที่เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิหรือความดันใดๆ ในแต่ละเวลาและสถานที่ นักธรณีวิทยาใช้ประโยชน์จากกลุ่มแร่ดังกล่าว ในการจำแนกหินแปรที่ละเอียดมากกว่าเกรดการแปรสภาพ โดย จำแนกชุดแร่หินแปรออกเป็น 7 ชุดแร่

ชุดแร่หินแปร ที่เกิดขึ้นในแต่ละระดับอุณหภูมิและความดัน (ความลึก)

1) ชุดแร่ซีโอไลต์

ชุดแร่ซีโอไลต์ (zeolite facies) เกิดจาก การแปรสภาพจากการถูกฝัง (brial metamorphism) โดยตะกอนที่อยู่ลึกลงไปในระดับหนึ่งจะเกิด กระบวนการเกิดหินตะกอน (diagenesis) แต่หากอุณหภูมิและความดันเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง หินตะกอนดังกล่าวจะถูกแปรสภาพไป ชุดแร่ซีโอไลต์มีแร่โดดเด่น คือ แร่ซีโอไลต์ (zeolite) ซึ่งแปรสภาพมาจากแร่พลาจิโอเคลสและแร่แคลไซต์

2) ชุดแร่ฮอนเฟลส์

ชุดแร่ฮอนเฟลส์ (hornfels facies) เกิดจาก การแปรสภาพแบบสัมผัส (contact metamorphism) ในบริเวณที่มีอุณหภูมิปานกลาง-สูง แต่มีความดันต่ำ กลุ่มแร่ที่สำคัญคือ 1) กลุ่มแร่แคลไซต์ที่แปรสภาพจากมาจากหินปูน และ 2) กลุ่มแร่พลาจิโอเคลสที่แปรสภาพมาจากหินดินดานและหินอัคนี

3) ชุดแร่กรีนชีส

ชุดแร่กรีนชีส (greenschist facies) เกิดจาก การแปรสภาพบริเวณไพศาล (regional metamorphism) อุณหภูมิต่ำความดันปานกลาง กลุ่มแร่โดดเด่น เช่น อัลไบต์ ครอไรด์ ขึ้นอยู่กับชนิดของหินเดิม

4) ชุดแร่บลูชีส

ชุดแร่บลูชีส (blueschist facies) เกิดในบริเวณที่มีความดันสูง แต่มีอุณหภูมิต่ำ เป็นหินแปรเกรดสูง โดยมีแร่โดดเด่น ได้แก่ กลอโคเฟน เจดไดต์ ลอว์โซไนต์และพาราโกไนต์ เป็นต้น

5) ชุดแร่แอมพิโบไลท์

ชุดแร่แอมพิโบไลท์ (amphibolite facies) เกิดจาก การแปรสภาพบริเวณไพศาล ที่อุณหภูมิและความดันปานกลาง โดยมีแร่โดดเด่นคือ ฮอนเบลนด์

6) ชุดแร่เอคโคลไวต์

ชุดแร่เอคโคลไวต์ (eclogite facies) เกิดในสภาวะที่ความดันสูงถึงสูงมากและอุณหภูมิสูงปานกลาง นักธรณีวิทยาเชื่อว่าเกิดจาก การแปรสภาพบริเวณไพศาล ในบริเวณที่แผ่นเปลือกโลกมีการชนกัน โดยมีแร่โดดเด่น ได้แก่ แร่การ์เนตแดง แร่ไพรอคซีน บางครั้งอาจพบแร่รูไทล์และแร่สปิเนล เป็นต้น

7) ชุดแร่แกรนูไลด์

ชุดแร่แกรนูไลด์ (granulite facies) เกิดจาก การแปรสภาพบริเวณไพศาล ที่อุณหภูมิสูง ความดันปานกลางถึงค่อนข้างสูง โดยส่วนใหญ่เกิดในบริเวณ หินฐานทวีป (continental shield)

Share: