Learn

4 วิธี จับพิรุธภูมิประเทศ ด้วยตัวเลข

ดัชนีธรณีสัณฐาน (geomorphic index) คือ การวิเคราะห์ ธรณีสัณฐาน (morphology) หรือ ภูมิลักษณ์ (landform) หรือ พื้นผิวโลก ในเชิงปริมาณ (ตัวเลข) โดยอาศัยข้อมูลภูมิประเทศทั้งในรูปของ ภาพถ่ายดาวเทียม (sattelite image) และข้อมูล ข้อมูลระดับสูงเชิงเลข (Digital Elevation Model, DEM) มาใช้ในการศึกษา เพื่ออธิบายการกระจายตัวเชิงพื้นที่ของ เช่น 1) อัตราการผุพัง 2) ชนิดหิน หรือ 3) กระบวนการทางธรณีแปรสัณฐาน (tectonic) เช่น อัตราการยกตัวของพื้นที่ ซึ่งในแต่ละพื้นที่ค่าดัชนีธรณีสัณฐานจะมีค่าแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับลักษณะความต้านทานของหิน การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและกิจกรรมทางธรณีแปรสัณฐาน (Keller และ Pinter, 2002) เช่น หากอัตราการยกตัวอันเนื่องมาจากกระบวนการทางธรณีแปรสัณฐาน เด่นหรือสูงกว่าอัตราการผุพัง จะแสดงลักษณะภูมิลักษณ์เป็นเขาสูง ในทางตรงข้ามอัตราการยกตัวมีน้อยกว่าการผุพัง บ่งชี้ว่าพื้นที่นั้นมีกิจกรรมทางธรณีแปรสัณฐานต่ำหรือเป็นหินเก่า

การวิเคราะห์ดัชนีธรณีสัณฐานถือเป็นการตรวจวัดระดับการแปรสัณฐานของภาพรวมในพื้นที่ ได้รวดเร็วในพื้นที่ขนาดใหญ่ และใช้ข้อมูลนำเข้าที่เข้าถึงหรือหาได้ง่าย และผลที่ได้จากการศึกษาสามารถนำไปผนวกกับข้อมูลอื่นๆ เช่น ข้อมูลอัตราการยกตัว เพื่อจัดแบ่งความมีพลังขั้นละเอียดที่เกิดจากการแปรสัณฐานในระดับต่างๆ (เช่น รอยเลื่อนแผ่นดินไหว) ของพื้นที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยปัจจุบันมี ดัชนีธรณีสัณฐาน (geomorphic index) ถูกนำเสนอขึ้นมาเพื่อศึกษาภูมิประเทศมากมาย ซึ่งการเลือกศึกษาดัชนีแปรสัณฐานในแต่ละตัว ต้องขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการศึกษาและลักษณะภูมิประเทศของพื้นที่นั้นๆ ด้วย

ภูมิลักษณ์บริเวณจังหวัดเชียงราย สภาพที่เห็นคือผลจากระบวนการทางธรณีแปรสัณฐานที่ทำให้เกิดรอยเลื่อนแม่จัน วางตัวในแนวตะวันออกเฉียงเหนือตะวันตกเฉียงใต้ และชนิดของหินตลอดจนอัตราการผุพังที่ทำให้เกิดพื้นผิวที่ไม่ราบเรียบในที่ต่างๆ

1) ดัชนีความคดโค้งเชิงเขา

ในกรณีการเกิด ภูเขาจากการเลื่อนตัวของรอยเลื่อน หากมีการเลื่อนตัวในแนวดิ่งของรอยเลื่อนจะทำให้เกิดหน้าเขาที่เรียกว่า ผารอยเลื่อน (fault scarp) เมื่อเวลาผ่านไปหน้าผาถูกกัดกร่อนกลายเป็นร่องลึกตามแนวเทือกเขา กลายเป็น ผาสามเหลี่ยม (triangular facet) ซึ่งหากมองจากด้านบนหรือมุมสูจะพบลักษณะหน้าภูเขาปัจจุบันเป็นหยักโค้งไปมา

(ซ้าย) วิวัฒนาการการเกิดภูเขาจากการเลื่อนตัวของรอยเลื่อน ผารอยเลื่อน และผาสามเหลี่ยม
(ขวา) เส้นชั้นความสูงเท่า (contour) แสดงภาพมุมสูงของภูมิประเทศหรือหน้าเขาที่มีการเว้าแหว่งหยักโค้งไปมา

ดัชนีความคดโค้งเชิงเขา (Mountain Front Sinuosity, Smf) เป็นดัชนีสะท้อนให้เห็นถึงการปรับสมดุลการกัดกร่อนของทางน้ำในแนวราบและแนวดิ่งกับการแปรสัณฐาน ที่ก่อให้เกิดการยุบตัวและยกตัวของพื้นที่ ซึ่งเมื่อนักธรณีวิทยาพยายามใช้ตัวเลขมาจับหรือตรวจวัดลักษณะภูมิประเทศของหน้าเขาเพื่อแสดงถึงความเก่า-ใหม่ หรือความสูง-ต่ำ ของกิจกรรมด้านธรณีแปรสัณฐานที่เกิดขึ้น สามารถแสดงได้ดังสมการ (1) (Bull และ McFadden, 1977)

สมการ (1)
  • Smf    = ค่าดัชนีความคดโค้งของเชิงเขา
  • Lmf  = ระยะทางความยาวจริงที่วัดตามแนวระหว่างเชิงเขากับที่ราบ
  • Ls      = ระยะทางความยาวตรงที่วัดจากจุดหนึ่งของเชิงเขาไปยังอีกจุดหนึ่ง

นัยสำคัญของค่าดัชนีความคดโค้งเชิงเขา จากสมการพบว่าหากไม่มีการผุพังหน้าเขาจริง (Lmf) และหน้าเขาแนวตรง (Ls ) จะมีค่าเท่ากัน ซึ่งเมื่อหารกันทำให้ Smf = 1 นั่นหมายถึง หน้าเขามีลักษณะเป็นหน้าผารอยเลื่อนที่คมชัด อาจเกิดจากกิจกรรมทางธรณีแปรสัณฐานที่เกิดมาไม่นานนัก หรือเกิดจากความคงทนของหินในเขานั้นสูง หรือ อัตราการผุพังนั้นต่ำ

แต่ถ้าหากมีการผุพังจะทำให้ หน้าเขาจริง (Lmf) นั้นวัดได้ยาวขึ้น และส่งผลให้ Smf > 1 ซึ่งยิ่ง Smf > 1 มากเท่าใด แสดงว่าหน้าเขาถูกกรัดกร่อนไปมากเท่านั้น ซึ่งแปลได้ว่า กิจกรรมทางธรณีแปรสัณฐานอาจจะต่ำ หรือหินไม่มีความคงทนมากนัก หรืออัตราการผุพังอาจจะสูง

2) ดัชนีรูปร่างหุบเขา

ดัชนีรูปร่างหุบเขา (Valley Width to High Ratio, Vf) พัฒนาแนวคิดโดย Bull และ McFadden (1977) โดยสังเกตเห็นว่าลำน้ำในธรรมชาติจะไหลจากที่สูง (กระบวนการธรณีแปรสัณฐานยกตัวขึ้น) ไปสู่ที่ต่ำ โดยในช่วงแรกน้ำมีพฤติกรรมในการกรัดกร่อนพื้นดินโดยกัดในแนวดิ่งก่อน ซึ่งทำให้หุบเขาในช่วงแรกจะมีรูปเป็นตัว V หลังจากเทือกเขาถูกกัดจนถึงระดับน้ำอ้างอิง ซึ่งส่วนใหญ่เป็นระดับน้ำทะเลปานกลาง แม่น้ำจะเปลี่ยนพฤติกรรมโดยกัดแกว่งในแนวระนาบ เกิดเป็นร่องน้ำคล้ายรูปตัว U มากขึ้นเรื่อยๆ ดังนั้นเมื่อวัดอัตราส่วนระหว่างความกว้างและความลึกของหุบเขา จะสามารถแสดงความเก่าแก่หรือระดับความรุนแรงทางธรณีแปรสัณฐานของพื้นที่ที่ทำให้พื้นที่นั้นยกตัวขึ้น โดยดัชนีรูปร่างหุบเขาแสดงได้ดังสมการ (2)

(ซ้าย) ร่องน้ำใหม่เป็นรูปตัว V (ขวา) ร่องน้ำเก่าเป็นรูปตัว U ในภาษาอังกฤษ
สมการ (2)
  • Vf    = ค่าดัชนีรูปร่างหุบเขา
  • Vfw  = ความกว้างของร่องน้ำหุบเขา
  • Eld   = ระดับความสูงของหุบเขาซ้าย 
  • Erd  = ระดับความสูงของหุบเขาขวา
  • Esc  = ระดับความสูงของพื้นหุบเขา
แบบจำลองอย่างง่ายในการตรวจวัดตัวแปรต่างๆ ที่ใช้คำนวณดัชนีรูปร่างหุบเขา (บน) ตรวจวัดจากเส้นชั้นความสูงเท่า (contour) (ล่าง) ตรวจวัดจาก google earth

ดัชนีรูปร่างหุบเขา = ความกว้างของท้องน้ำ/ความสูงจากท้องน้ำถึงสันเขาเฉลี่ยของหุบเขาทั้งสองข้าง ค่าดัชนีรูปร่างหุบเขายิ่งมาก แสดงว่าท้องน้ำยิ่งกว้าง หรือ ความสูงยิ่งน้อย หรือยิ่งแก่ หรือกระบวนการทางธรณีแปรสัณฐานต่ำ

3) ดัชนีความลาดยาวทางน้ำ

ดัชนีความลาดยาวทางน้ำ (Stream Length-gradient Index, SL) เป็นค่าดัชนีธรณีสัณฐานที่แสดงให้เห็นถึงลักษณะความต้านทานของหินต่อการถูกกัดกร่อนในพื้นที่ (Keller และ Pinter, 2002; Azor และคณะ, 2002) โดยอาศัยข้อมูลระบบทางน้ำและลักษณะความลาดชันของทางน้ำที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการทางธรณีวิทยาแปรสัณฐานในพื้นที่

ภาพถ่ายมุมสูงแสดงกิ่งก้าน สาขาของธารน้ำ

โดยธรรมชาติ ความชันของธารน้ำ (gradient) มีความแตกต่างกันตลอดธารน้ำ หากพิจารณา หน้าตัดข้างตามธารน้ำ (longitudinal profile) พบว่าธารน้ำจะมีความชันสูงบริเวณ ต้นน้ำ (upstream) และความชั้นลดลงอย่างต่อเนื่องไปทาง ปลายน้ำ (downstream) ดังนั้น Hack (1973) จึงพยายามคิดค้น ตัดปัจจัยเรื่องความเป็นต้นน้ำ-ปลายน้ำ ออกไปเพื่อจะได้ดูความเปลี่ยนแปลงความชันที่ผิดปกติของลำน้ำ อันเนื่องมาจากกระบวนการทางธรณีแปรสัณฐานแบบอื่นๆ โดยการนำความยาวจากต้นน้ำถึงจุดศึกษามาคูณตามสมการ (3)

(บน) หน้าตัดข้างตามธารน้ำ (longitudinal profile) (ล่าง) แสดงวิธีการคำนวณ SL โดยเริ่มจากการตรวจวัดความชัน ณ จุดที่ต้องการศึกษา (△h/l) และจากนั้นปรับเทียบหรือ normalize ด้วยความยาวจากต้นน้ำถึงจุดศึกษา l (Hack, 1973)
สมการ (3)
  • SL คือ เป็นดัชนีความลาดยาวทางน้ำ ณ จุดศึกษา
  • △h คือ ความสูงในแนวดิ่งระหว่างจุดศึกษา
  • l คือ ความยาวในแนวระนาบระหว่างจุดศึกษา
  • l คือ ความยาวของลำน้ำ วัดจากต้นน้ำ ถึง จุดศึกษา

นัยสำคัญของดัชนีความลาดยาวทางน้ำ SL มาก = ความชันมาก SL น้อย = ความชันน้อย ซึ่งความชันไม่เกี่ยวกับว่าอยู่หัวน้ำหรือท้ายน้ำ เพราะได้นำตัวแปร l คูณ เพื่อทำการ normalize ความชันให้ใกล้เคียงกันแล้ว ดังนั้นเมื่อมีความผิดปกติของความชัน ณ ตำแหน่งใดๆ ของลำน้ำ แปลความได้ว่าอาจเกิดจาก ความทนทานของหิน หรือ กระบวนการทางธรณีแปรสัณฐานที่ทำให้ยกหรือยุบตัว

ด้วยเหตุนี้ค่าดัชนีนี้จึงไวต่อการเปลี่ยนแปลงความลาดชัน ทำให้เป็นประโยชน์ต่อการประเมินค่าความมีพลังของการแปรสัณฐานของพื้นที่โดยเฉพาะกับการเปลี่ยนลักษณะในแนวดิ่ง ซึ่งก็คืออัตราการยกตัวของพื้นที่นั่นเอง อย่างไรก็ตามดัชนีนี้ยังไวต่อความทนทานของหิน (rock resistance) คือถ้าหินแข็งมากมักแสดงความลาดของธารน้ำที่ชันมาก ซึ่งทำให้ต้องระมัดระวังในการใช้คำนี้เนื่องจากแยกได้ยากระหว่างผลจากการแปรสัณฐานกับความทนทานของหิน ถ้าบริเวณนั้นมีชนิดหินเพียงชนิดเดียว หรือประเมินแล้วว่าค่าความทนทานของหินไม่ต่างกันมากนัก ค่า SL จะแสดงหรือมีนัยโดยตรงเกี่ยวกับการแปรสัณฐานแนวดิ่งของพื้นที่

(ก) ค่า SL ที่มีนัยสำคัญกับกิจกรรมทางธรณีแปรสัณฐาน จากภาพจะเห็นว่าความชันจะสูงในบริเวณที่มีรอยเลื่อนตัดขวางผ่านอยู่ พื้นที่ประเทศเยอรมันนี (Peters และ Balen, 2007) (ข-ค) นัยสำคัญกับชนิดหิน จากภาพจะเห็นได้ว่าค่าของดัชนีความลาดยาวทางน้ำนั้นมีการกระจายตัวหรือเกาะกลุ่มกันในแต่ละพื้นที่ โดยคาดว่าแต่ละพื้นที่นั้นมีหินต่างชนิดกันทำให้ความลาดชันแตกต่างกัน พื้นที่ทางตอนใต้ของสเปน (Hamdouni และคณะ, 2008)

4) ดัชนีความไม่สมมาตรของแอ่งรับน้ำ

ดัชนีความไม่สมมาตรของแอ่งรับน้ำ (Drainage Basin Asymmetry, Af) เป็นค่าดัชนีธรณีสัณฐานชนิดหนึ่งใช้วิเคราะห์และอธิบายรูปแบบที่เป็นไปได้ของการเอียงเทของพื้นดิน ในเชิงปริมาณหรือการให้คะแนนเชิงตัวเลข (Cox, 1994) โดยจากแนวคิดที่ว่าหากแอ่งรับน้ำอยู่ในสภาวะปกติ ระบบธารน้ำควรมีความสมมาตรกัน และแม่น้ำหลักควรจะไหลแบ่งครึ่งหรือตรงกลางระหว่างแอ่งรับน้ำ แต่หากมีกระบวนการทางธรณีแปรสัณฐานเข้ามารบกวน แม่น้ำจะไหลเอียงเทไปฝั่งใดฝั่งหนึ่งของแอ่งรับน้ำ โดยที่ระดับความเอียงเทของแอ่งรับน้ำนั้นประเมินเป็นตัวเลขได้จากสมการ (4)

สมการ (4)
  • Da คือ คือ ระยะทางจากเส้นกลางของแอ่งรับน้ำ (midline basin) ถึง แนวแม่น้ำ
  • Dd คือ ระยะทางจากเส้นกลางของแอ่งรับน้ำ (midline basin) ถึง ขอบของแอ่งรับน้ำ
(ซ้าย) แบบจำลองแสดงแอ่งรับน้ำในสภาวะปกติ (ขวา) วิธีการตรวจวัดค่าต่างๆ จากภูมิประเทศ ที่ใช้ในการคำนวณดัชนีความไม่สมมาตรของแอ่งรับน้ำ (Cox, 1994)

ดัชนีนี้เป็นวิธีการสำรวจเบื้องต้นเพื่อระบุกระบวนการทางธรณีแปรสัณฐานในเชิงพื้นที่กว้าง (regional tectonic) หรือภาพรวมความเอียงของแต่ละแอ่งรับน้ำ โดยแอ่งที่สมมาตรอย่างสมบูรณ์ T = 0 (หรือ Da = 0) และหากแอ่งรับน้ำยิ่งเอียง ค่า T จะยิ่งใกล้ 1 ซึ่งมีนัยสำคัญว่ามีการเบี่ยงของแม่น้ำอันเนื่องมาจากพื้นเอียง (Davis, 2002)

Share: