Learn

แผ่นดินไหวบรรพกาล : การสืบสันดานแผ่นดินไหว

ทำไมต้องศึกษาแผ่นดินไหวบรรพกาล

ขอออกตัวตั้งแต่ต้นเรื่องก่อนเลยครับว่า ผู้เขียนไม่ได้มีเจตนาที่จะหยาบคายใส่ผู้อ่านแต่อย่างใด แต่ก็นั่งนึกอยู่นาน สุดท้ายคำว่า “สันดาน” น่าจะสื่อถึงสิ่งที่เราตามหาในบทความนี้ได้ดีที่สุด เพราะเรื่องที่ผู้เขียนกำลังจะเล่า เป็นเรื่องของการสืบหานิสัยลึกๆ ดิบๆ ของแผ่นดินไหว ที่บางที…ชั่วชีวิตของพวกเรานี้ อาจไม่มีโอกาสได้เห็น

จากข้อมูลสถิติที่ผ่านมาทำให้รู้ว่าโดยธรรมชาติของการเกิด แผ่นดินไหวขนาดเล็กจะเกิดบ่อยกว่าแผ่นดินไหวใหญ่อยู่หลายเท่า เช่นเขตมุดตัวของเปลือกโลกแถบสุมาตรา-อันดามัน ที่ก่อนหน้านี้เราจะได้ยินข่าวการเกิดแผ่นดินไหวขนาด 4.0-5.0 แทบทุกปี ในขณะที่แผ่นดินไหวขนาด 6.0-7.0 ก็พอจะมีให้เห็นบ้างนานๆ ครั้ง จาก บันทึกของเครื่องวัดแผ่นดินไหว (instrumental record) แต่ทำไมวันดีคืนดีถึงได้โผล่มา 9.0 เมื่อ 26 ธันวาคม พ.ศ. 2547 มิหนำซ้ำยังแจกสึนามิแถมให้เราด้วย งานนี้แม้แต่นักแผ่นดินไหวรุ่นเก๋ายังบ่นกันอุบเลยว่าเมื่อก่อนก็ไม่เห็นจะมีนิสัยก้าวร้าวอย่างนี้ แล้วทำไมอยู่ดีๆ ถึงระเบิดอารมณ์ออกมาได้

ก็เรื่องของเรื่องสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวเพิ่งจะเข้าที่เข้าทางเมื่อประมาณไม่เกิน 70 ปีที่ผ่านมา ส่วนพงศาวดารหรือบันทึกทางประวัติศาสตร์ที่ บันทึกเรื่องแผ่นดินไหว (historical record) ย้อนไปได้ไกลที่สุดก็เห็นจะเป็น 800 ปี ของประเทศญี่ปุ่น ด้วยเหตุนี้การที่เราไม่เคยเห็นอาการจัดหนักของแผ่นดินไหวก็ไม่ได้หมายความว่าจะไม่เคย หรือไม่มีสิทธิ์เกิดขึ้น เพราะความจริงคนเพิ่งจะเริ่มชายตามองแผ่นดินไหว ก็เมื่อไม่นานมานี้เอง

กราฟเปรียบเทียบช่วงเวลาการบันทึกข้อมูลเหตุการณ์แผ่นดินไหวแบบต่างๆ

ก็อย่างที่บอกละครับ ถ้าจะทราบให้ซึ้ง ถึงสันดานของแผ่นดินไหว แค่ดาวน์โหลดข้อมูลจากเครื่องมือวัดหรือไปนั่งค้นสมุดข่อยเห็นทีจะไม่ได้ความ จะให้ดีเราต้องขุดคุ้ยกลับไปให้ลึก สืบสาวให้ยาวนานกว่านั้น ซึ่ง บันทึกทางธรณีวิทยา (geological record) ก็น่าจะเป็นคำตอบ ช่วยเชื่อมโยงประวัติการเกิดแผ่นดินไหวได้ยาวขึ้น และเปิดโอกาสให้คนได้เห็นสันดานของแผ่นดินไหวกันได้ขึ้น

แนวความคิดพื้นฐาน

การศึกษาแผ่นดินไหวบรรพกาล (paleoearthquake study) หรือ การศึกษาธรณีวิทยาแผ่นดินไหว (earthquake geology) หรือ การศึกษารอยเลื่อนมีพลัง (active fault study) (McCalpin, 1996) เป็นคำที่ให้อารมณ์เดียวๆ กัน นั่นก็คือการสืบหาประวัติการเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ๆ ที่เคยเกิดขึ้นในอดีต ซึ่งส่วนใหญ่ก็มักจะไม่มีการตรวจวัดหรือบันทึกเอาไว้ (เพราะแผ่นดินไหวใหญ่นานๆ จะเกิดกันที) โดยแนวความคิดหลักในการศึกษาสืบหาคือเชื่อว่าหากเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ขึ้นจากรอยเลื่อน มักจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงลักษณะทาง ธรณีสัณฐานวิทยา (morphology) และ ลักษณะของ การลำดับชั้นตะกอน (stratigraphy) ใต้ผิวดิน โดยหากพบว่ารอยเลื่อนตัดผ่านชั้นหินแข็ง อาจเป็นหลักฐานให้พออนุมานได้ว่าแผ่นดินไหว (ที่ทำให้รอยเลื่อนเลื่อนตัวนั้น) เกิดมานานมากแล้ว แต่หากมีรอยเลื่อนตัดผ่านชั้นตะกอนอที่ยังไม่แข็งตัว ซึ่งมีอายุเพียงหลักหมื่นหรือหลักพันปี ก็อาจเป็นไปได้ว่าแผ่นดินไหวใหญ่น่าจะเคยเกิดขึ้นมาไม่นานมาก และ รอยเลื่อนเหล่านั้นก็จัดว่าเป็น รอยเลื่อนมีพลัง (active fault) ซึ่งเชื่อว่าก็ยังมีการสะสมพลังงานและมีศักยภาพที่จะปลดปล่อยพลังงานสร้างแผ่นดินไหวได้ทุกเมื่อในปัจจุบัน

ขั้นตอนการเสาะหา

ดังนั้นในการประเมินภัยพิบัติแผ่นดินไหวในพื้นที่ใดๆ นอกจากฐานข้อมูลแผ่นดินไหวที่ได้จากเครื่องมือตรวจวัด ที่เราจะนำมาประเมินนิสัยของแผ่นดินไหวแล้ว อีกประเด็นสำคัญที่เราจำเป็นจะต้องสอบถามและศึกษาให้ละเอียดก็คือ ต้องพิสูจน์ทราบให้ได้ว่าในพื้นที่โดยรอบดังกล่าวนั้น มีรอยเลื่อนที่เคยสร้างแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ในอดีตหรือไม่ ซึ่งก็คงไม่มีวิธีการใดที่จะเหมาะสมไปกว่าการสืบค้นหลักฐานทางธรณีวิทยา ที่จะช่วยนำพาเราไปซาบซึ้งซึ่งสันดานแผ่นดินไหว โดยขั้นตอนในการศึกษาวิจัยตามกระบวนการคิดทางวิทยาศาสตร์ ก็ประกอบไปด้วยขั้นตอนหลักๆ ดังนี้

1) ศึกษาข้อมูลโทรสัมผัส (remote sensing)

ต้องยอมรับความจริงอยู่ข้อหนึ่งว่า โลกมีขนาดใหญ่กว่าเรามากโข ดังนั้นหากเราต้องการที่จะศึกษาเกี่ยวกับโลก อันดับแรกเราต้องทำตัวใหญ่ๆ แล้วซูมเอ๊าออกไปนอกโลก เพราะถ้าขืนเรายังยืนอยู่บนโลก เราก็จะเพลินไปกับต้นไม้ภูเขาไปตามเรื่องตามราว การศึกษารอยเลื่อนผ่านข้อมูลโทรสัมผัส เป็นการออกไปอยู่ห่างๆ โลก แล้วนั่งพิจารณาหา ลักษณะภูมิประเทศที่บ่งชี้ว่าน่าจะเป็นรอยเลื่อน โดยแหล่งข้อมูลที่ใช้ในการศึกษาก็ได้แก่ ภาพถ่ายจากดาวเทียม (satellite image) จากดาวเทียมประเภทต่างๆ หรือข้อมูล แบบจำลองระดับสูงเชิงเลข (digital  elevation model หรือ DEM) ซึ่งจะช่วยให้เรามองเห็นระดับสูงต่ำของภูมิประเทศได้ง่ายขึ้น คราวนี้ก็อยู่กับศาสตร์และศิลป์ของแต่ละคนว่าจะแยกรอยเลื่อนออกจากภูมิประเทศปกติกันได้หรือไม่ จากลักษณะภูมิประเทศที่บ่งชี้ว่าน่าจะเป็นรอยเลื่อน

รูปด้านล่างแสดงผลการศึกษาข้อมูลโทรสัมผัสและแปลความหมาย ภูมิลักษณ์ (morphology) ที่บ่งชี้ว่าเป็นรอยเลื่อน บริเวณรอยเลื่อนแม่ทา จังหวัดเชียงใหม่ และรอยเลื่อนสะกาย ตอนกลางของประเทศพม่า จะเห็นได้ว่าเมื่อเราซูมเอ๊าออกมาก็จะเห็นลักษณะการปริแตกของเปลือกโลกอย่างชัดเจน

ศึกษาข้อมูลโทรสัมผัส (Remote Sensing Study) แปลความหมายภูมิลักษณ์ที่บ่งชี้ว่าเป็นรอยเลื่อน  (ก) กลุ่มรอยเลื่อนแม่ทา จังหวัดเชียงใหม่ (ข) กลุ่มรอยเลื่อนสะกาย สหภาพพม่า
ตัวอย่างลักษณะภูมิประเทศที่มักพบในบริเวณที่รอยเลื่อนมีการเลื่อนตัวตามแนวราบ (1) ทางน้ำหัวขาด (2) ทางน้ำหักงอ (3) เนินเขาขวาง (4) ผาสามเหลี่ยม (ที่ต้องมีคู่กันกับเนินเขาขวาง)

2) สำรวจธรณีฟิสิกส์ (geophysic)

หลังจากที่เราตรวจพบรอยเลื่อนได้จากขั้นตอนก่อนหน้านี้แล้ว ถึงแม้ว่าเราจะมองรอยเลื่อนได้ชัดแจ๋วผ่านข้อมูลโทรสัมผัส แต่ในทางปฏิบัติเวลาเข้าพื้นที่จริง สิ่งที่มองเห็นจากภาพถ่ายดาวเทียมเป็นเส้นบางๆ เล็กๆ ของจริงกลับกว้างเป็น 100-200 เมตร ซึ่งก็คงไม่คุ้มค่าแน่ๆ ถ้าเราต้องแบบปูพรมตลอดความยาวที่ว่า ดังนั้นก่อนที่จะมีการขุดเพื่อพิสูจน์ทราบรอยเลื่อนจริงๆ ขั้นตอนต่อไปคือเราต้องทำการสำรวจลักษณะชั้นหินหรือดินใต้พื้นที่นั้น โดยที่ยังไม่ต้องขุดสำรวจ ซึ่งวิธีการที่ใช้ในปัจจุบันคือการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ ที่มีเทคนิคหลากหลายให้เลือกกัน ไม่ว่าจะเป็นการสำรวจด้วย วิธีคลื่นไหวสะเทือน (seismic) วิธีความต้านทานไฟฟ้า (resistivity) หรือแม้กระทั่ง วิธีการตรวจวัดค่าความเป็นแม่เหล็ก (magnetic) ฯลฯ ซึ่งผลการสำรวจแสดงให้เห็นประมาณรูปด้านล่าง ซึ่งจะช่วยเป็นแนวทางในการคาดการณ์ว่าตลอดช่วงความยาว 100-200 เมตรนี้ รอยเลื่อนอยู่ตรงไหนกันแน่

ภาพตัดขวางแสดงผลการสำรวจขวางแนวรอยเลื่อนด้วยวิธีความต้านทานไฟฟ้า (รูปบน) และภาพการ์ตูนแสดงการลำดับชั้นตะกอนและการมีอยู่ของรอยเลื่อนหลังจากขุดร่องสำรวจ (ที่มา : Bran และคณะ, 2018)

3) ขุดร่องสำรวจ (trenching)

ถ้าจะกล่าวถึงเรื่องการขุดรูขุดหลุมเพื่อพิสูจน์ทราบอะไรบางอย่างใต้ดิน นักวิทยาศาสตร์มีลีลาในการขุด  2 รูปแบบ คือ  1)  การขุดหลุมสำรวจ (pitting) ซึ่งก็หมายถึงการขุดหลุมที่มีความกว้างความยาวพอๆ กัน โดยจะค่อยๆ เปิดหน้าดินทีละชั้นๆ เพื่อค่อยๆ ศึกษาการลำดับชั้นดินและเรื่องราวต่างๆ ที่เกิดขึ้นและถูกทับถมไว้ในดินแต่ละชั้น การขุดหลุมสำรวจนี้จึงนิยมใช้อย่างมากกับการสำรวจในทางโบราณคดี นอกจากนี้อีกวิธีของการขุดสำรวจ คือ 2) การขุดร่องสำรวจ (trenching) ซึ่งหมายถึงการขุดร่องแคบๆ แนวยาว ร่องแคบเพื่อประหยัดงบประมาณและพื้นที่ ในขณะที่ความยาวๆ ก็จะเปิดโอกาสให้ได้ศึกษาลำดับชั้นดินได้ง่ายขึ้น ซึ่งการขุดแบบนี้ ส่วนใหญ่จะจ้วงกันได้เต็มที่ เพราะวัตถุประสงค์หลักคือต้องการศึกษาลำดับชั้นดินหรือเรื่องราวต่างๆ ผ่าน ผนังของร่องสำรวจ (trench wall) ดังนั้นจึงไม่จำเป็นจะต้องกระมิดกระเมี้ยนในการขุด เมื่อขุดเสร็จ แต่งผนังทั้งสองด้านให้ราบเรียบก็เป็นอันใช้ได้ ซึ่งการขุดแบบนี้นิยมใช้กันในหมู่นักธรณีวิทยาเป็นหลัก

(ซ้าย) หลุมสำรวจในทางโบราณคดี (ขวา) ร่องสำรวจในทางธรณีวิทยา

โดยในการขุดหลุมเพื่อศึกษาธรณีวิทยาแผ่นดินไหวหรือตามหารอยเลื่อน เรานิยมใช้การขุดร่องสำรวจมากกว่าการขุดหลุมสำรวจ โดยพยายามวางแนวร่องให้พาดผ่านแนวที่คาดว่าจะเป็นรอยเลื่อนซึ่งได้แนวทางมาแล้วจากการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์จากขั้นตอนก่อนหน้านี้ ซึ่งถ้าโชคดี แผ่นดินไหวเคยเกิดที่นั่นจริง สิ่งที่แผ่นดินไหวนั้นทิ้งไว้เป็นที่ระลึก ก็คือการเลื่อนตัวของชั้นตะกอน แปะโชว์หลาอยู่กับฝาผนังทั้งสองด้านของร่องสำรวจอย่างที่เห็นในรูปด้านล่าง

ผลการลอกลายการลำดับชั้นตะกอนจากการศึกษาแผ่นดินไหวบรรพกาลจากรอยเลื่อน (Hayward Fault) แคริฟอเนียร์ สหรัฐอเมริกา จากภาพนอกจากการลำดับชั้นตะกอน ยังแสดงตำแหน่งของรอยแตก และจุดเก็บตัวอย่างเพื่อกำหนดอายุ

นอกจากนี้แทนที่จะขุดร่องสำรวจให้เปลืองเงินเปลืองทอง นักวิจัยจากบางประเทศเช่นญี่ปุ่นก็มีการประยุกต์ใช้เครื่องมือที่เรียกว่า เครื่องไสลด์ชั้นดิน (geoslidser) ซึ่งมีทั้งรุ่นจุ๋มจิ๋ม ใช้แรงคนในการกระแทกและดึงขึ้นมา หรือรุ่นใหญ่ที่ต้องใช้รถเครนในการกระแทกและดึงขึ้น โดยผลที่ได้ก็จะเห็นเป็นลำดับชั้นตะกอนขึ้นมาให้เราศึกษาได้ง่ายๆ เหมือนกัน

เครื่องไสลด์ชั้นดิน (Geoslidser) นิยมใช้ในญี่ปุ่นเพื่อศึกษาลำดับชั้นตะกอน โดยไม่ต้องขุดร่องสำรวจ

4) การลอกลายการลำดับชั้นตะกอน (trench logging)

หลังจากปรับแต่งผนังร่องสำรวจจนสามารถมองเห็นการลำดับดินได้อย่างชัดเจนแล้ว ขั้นตอนต่อมาที่ควรจะต้องปฏิบัติก็คือควรสเก็ตหรือลอกลายการลำดับชั้นดินรวมทั้งเหตุการณ์การเลื่อนตัวต่างๆ ของรอยเลื่อนเอาไว้อย่างละเอียด เพราะในบางครั้งเราเห็นชัดเจนในพื้นที่ก็จริง แต่เมื่อถ่ายรูปแล้วนำกลับมาในห้องปฏิบัติการอาจจะเห็นภาพไม่ชัด หรือมีข้อมูลในรายละเอียดใดๆ ตกหล่นบ้าง ซึ่งการลอกลายให้สมส่วนย่อตามมาตราส่วน ก็จะช่วยในการแปลความได้อย่างดี 

และจะว่าไป ลักษณะการลำดับชั้นตะกอนที่บ่งชี้ว่ารอยเลื่อนมีการเลื่อนตัวหรือว่าเคยเกิดแผ่นดินไหวครั้งใหญ่ขึ้นนั้น ก็ไม่ได้มีแค่การเคลื่อนตัวของชั้นตะกอนเท่านั้น ยังมีอีกหลากหลายลักษณะที่บ่งชี้ว่าในอดีตเคยเกิดแผ่นดินไหวขึ้น ดังแสดงในรูปด้านล่าง

รูปแบบของการเปลี่ยนรูปของลำดับชั้นตะกอนที่สามารถพบได้บนผนังร่องสำรวจ และสื่อถึงการเคลื่อนตัวของรอยเลื่อนและการเกิดแผ่นดินไหวในอดีต

ในกรณีที่เราพบหลักฐานการเคลื่อนตัวของรอยเลื่อนตัดเข้ามาในชั้นตะกอน เราควรอธิบายลักษณะการสะสมตัวของชั้นตะกอนที่สัมพันธ์กับรอยเลื่อน และทำการตรวจวัดระยะการเลื่อนตัวของรอยเลื่อนที่ปรากฏในร่องสำรวจ ทั้งนี้เพื่อนำไปใช้ในการคำนวณ อัตราการเคลื่อนตัว (slip rate) ของรอยเลื่อนนั้นๆ ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวแปรสำคัญที่จะใช้ในการประเมินภัยพิบัติแผ่นดินไหวในอนาคตได้

5) กำหนดอายุการเลื่อนตัว (dating)

จากประสบการณ์ที่ผ่านมาทำให้นักแผ่นดินไหวเชื่อว่า แผ่นดินไหวขนาดใหญ่จะทำให้มีการเลื่อนตัวของหินและตะกอนแตกไปจนถึงผิวโลก ดังนั้นจากลำดับชั้นตะกอนที่ขุดพบซึ่งมักแสดงการเลื่อนชั้นตะกอนด้านล่างและมีตะกอนด้านบนปิดทับอยู่แบบต่อเนื่องปกติ ในการลำดับเหตุการณ์ทางธรณีวิทยาเชื่อว่า มีการสะสมตัวของตะกอนถึงระดับหนึ่ง ต่อมาเกิดแผ่นดินไหวและตะกอนทุกชั้นถูกเลื่อนไปจนถึงผิวโลก (ในอดีต) และหลังจากนั้นจึงมีการสะสมของตะกอนตามปกติปกคลุมอยู่เป็นพื้นโลกในปัจจุบัน ดังนั้นถ้าสามารถบอกเวลาของการสะสมตัวของตะกอนชั้นบนสุดที่ถูกรอยเลื่อนตัดผ่าน และชั้นตะกอนที่ไม่ถูกรอยเลื่อนตัดผ่านชั้นล่างสุด นักแผ่นดินไหวก็จะบอกได้ว่ารอยเลื่อนนี้เกิดอยู่ในช่วงอายุเท่าใดๆ เช่น 2,200-2,300 ปี หรือจะบอกว่าเกิดแผ่นดินไหวประมาณ 2,250 ปี (เฉลี่ย) ก็ไม่น่าเกลียด 

วิธีการกำหนดอายุสามารถทำได้หลายวิธี ถ้ามีตัวอย่างอินทรียวัตถุ เช่น ถ่าน กระดูก รากไม้ ฝังอยู่ในชั้นตะกอนก็ใช้การหาอายุทางวิทยาศาสตร์ด้วย วิธีคาร์บอน-14 (C-14 dating หรือ radiocarbon dating) หรือถ้ามีแต่ตะกอนล้วนๆ ก็สามารถกำหนดอายุการสะสมตัวของตะกอนได้ด้วยวิธีที่เรียกกันว่า วิธีเปล่งแสงความร้อน (thermoluminescence dating หรือ TL dating) หรือ วิธีกระตุ้นด้วยแสง (optically stimulated luminescence dating หรือ OSL dating) เป็นต้น ซึ่งเมื่อได้อายุของชั้นดินที่สัมพันธ์กับการเคลื่อนตัวของรอยเลื่อน ถึงตรงนี้เราก็จะรู้แล้วว่าผลงานลึกๆ ดิบๆ ของรอยเลื่อนนั้น เคยเกิดขึ้นเมื่อไหร่บ้าง

การพิสูจน์ได้ว่ารอยเลื่อนมีการเลื่อนตัวอยู่จริง และอายุการเลื่อนตัวเข้ากะ นิยามของรอยเลื่อนมีพลัง ตามแต่หน่วยงานต่างๆ ได้กำหนดไว้ จะทำให้นักธรณีวิทยาสามารถบ่งชี้ได้ว่ารอยเลื่อนดังกล่าวนั้นเป็นรอยเลื่อนมีพลังหรือไม่ และมีอัตราการเคลื่อนตัวเท่าใด ตลอดจนเลื่อนตัวหรือเกิดแผ่นดินไหวครั้งสุดท้ายไปเมื่อไหร่ เท่านี้ก็น่าจะพอ พอที่จะนำไปใช้ต่อใน การประเมินภัยพิบัติแผ่นดินไหว (seismic hazard analysis, SHA) ในพื้นที่ต่อไป

Share: