เรียนรู้

การหาอายุทางธรณีวิทยาและโบราณคดีจากสัญญาณสนามแม่เหล็กโลกบรรพกาล

จากการศึกษาโครงสร้างภายในโลก นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า แก่นโลกชั้นนอก (outer core) มีสถานะเป็นของเหลว และมีธาตุเหล็กซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี เป็นองค์ประกอบสำคัญของแก่นโลก และเนื่องจากการหมุนรอบตัวเองของโลก ทำให้ของเหลวในแก่นโลกชั้นนอกไหลเวียน (Jacobson, 1975) และผลิต สนามแม่เหล็ก (magnetic field) ตามหลักการพื้นฐานที่นำเสนอโดยไมเคิล ฟาราเดย์ (Faraday M.) นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ

สนามแม่เหล็กโลก (Earth’s magnetic field)

ปัจจุบันขั้วแม่เหล็ก (magnetic pole) เบี่ยงเบนออกจากขั้วโลกทางภูมิศาสตร์ (geographic pole) ทำมุมประมาณ 11o โดยมีเส้นแรงแม่เหล็กวิ่งออกจากขั้วแม่เหล็กใต้ และโค้งกลับพุ่งเข้าไปในขั้วแม่เหล็กเหนือ ซึ่งความเข้มของสนามแม่เหล็กจะมีค่าสูงที่สุดที่ผิวโลก และลดลงเมื่ออยู่สูงขึ้นไปในอากาศ

เมื่อประมาณ 50 ปีก่อน ทีมนักวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ (Cox และคณะ, 1967) ค้นพบว่าตลอดช่วงอายุของโลก สนามแม่เหล็กโลก เคยกลับขั้วไป-มาหลายต่อหลายครั้ง (magnetic reversal) และหินที่เกิดขึ้นในแต่ละยุคสามารถกักเก็บสภาวะที่แตกต่างกันของสนามแม่เหล็กโลกในขณะนั้นได้ (remnant magnetization) ซึ่งเมื่อนักวิทยาศาสตร์นำตัวอย่างหินมาวิเคราะห์ก็สามารถสกัดสัญญาณของสนามแม่เหล็กโลกได้ว่า เป็นแบบ ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ซึ่งหมายถึงขั้วแม่เหล็กโลกที่เหมือนกับปัจจุบัน หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ (reverse polarity) ซึ่งหมายถึงขั้วแม่เหล็กโลกที่ตรงข้ามกับปัจจุบัน

การกลับขั้วสนามแม่เหล็กโลก (Cox และคณะ, 1967)

การบันทึกค่าสนามแม่เหล็กโลกของหิน

สนามแม่เหล็กบรรกาล (paleomagnetic) หมายถึง สภาวะความเป็นแม่เหล็กของหินหรือดินที่มีสาเหตุเกิดจากแร่จำพวกออกไซด์ของเหล็กชนิดต่างๆ ที่มีอยู่ในหินหรือดิน นั้นกักเก็บสัญญาณหรือสภาพความเป็นแม่เหล็กเอาไว้ ณ วันที่เกิดหิน โดยการเก็บสภาวะสนามแม่เหล็กถาวรในขณะที่เกิดหินนั้นเกิดได้ 3 รูปแบบ คือ

  • สภาพความเป็นแม่เหล็กถาวรแบบเย็นตัว (Thermal Remnant Magnetization ,TRM) เกิดจากแร่บางอย่าง โดยเฉพาะ แมกนีไทต์ จะมีความเป็นแม่เหล็กที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า อุณหภูมิคูรี่ (Curie Point) เพราะในสภาพที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิคูรี่ ความร้อนในอะตอมจะทำให้ความเป็นแม่เหล็กหมดลง สนามแม่เหล็กจะวางตัวกันอย่างไม่เป็นระเบียบ แต่ถ้าอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิคูรี่ สนามแม่เหล็กจะเรียงตัวไปในทางเดียวกับสนามแม่เหล็กโลกในขณะนั้น กรณีนี้มักจะพบในกรณีของหินอัคนีที่เกิดจากการเย็นตัวของลาวา
  • สภาพความเป็นแม่เหล็กถาวรแบบเม็ดตะกอน (Detrital Remnant Magnetization ,DRM) หินตะกอนจะมีความเป็นแม่เหล็กอย่างอ่อนๆ ได้ โดยมีการเรียงตัวของสารแม่เหล็กหลังหรือระหว่างการสะสมตัวของตะกอน โดยส่วนของแร่เหล็กที่สะสมตัวร่วมด้วยจะจัดตัวเองให้ขนานกับสนามแม่เหล็กโลก
  • สภาพความเป็นแม่เหล็กถาวรแบบตะกอนเคมี (Chemical Remnant Magnetization ,CRM) เกิดจากผลทางเคมี ที่ทำให้ได้แร่ทางแม่เหล็กชนิดใหม่ที่อุณหภูมิต่ำๆ เช่น แร่แมกนีไทต์ ถูกเปลี่ยนเป็นแร่ เฮมาไทต์ พร้อมทั้งมีการจัดเรียงตัว ขนานกับสนามแม่เหล็กโลก

อุณหภูมิที่สภาวะแม่เหล็กโลกเปลี่ยนแปลงได้ เรียกว่า อุณหภูมิคูรี่ (ประมาณ 500 องศาเซลเซียส)

การใช้ค่าสนามแม่เหล็กโลกมาหาอายุวัตถุ

อย่างที่กล่าวในข้างต้น ว่าสนามแม่เหล็กโลกนั้นมีการกลับขั้วไป-มาอยู่ตลอดเวลาทางธรณีกาล (Cox และคณะ, 1967) นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก จึงได้ร่วมกันศึกษาวิจัยและสร้าง ตารางมาตรฐานการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กขึ้น และหาอายุตัวอย่างดังกล่าวด้วยวิธีการหาอายุแบบอื่นๆ ทำให้ปัจจุบัน มีตารางมาตรฐานสภาวะแม่เหล็กโลก ที่คล้ายกับแถบบาร์โคดของสินค้า ซึ่งในแต่ละช่วงของตารางจะมีอายุกำกับอยู่

ตัวอย่างตารางมาตรฐานสภาวะแม่เหล็กโลกในช่วง (ซ้าย) มหายุคมีโซโซอิก-ซีโนโซอิก (ขวา) สมัยไมโอซีน-สมัยไพลสโตซีน (Cande และ Kent, 1995) สีดำ คือ ขั้วแม่เหล็กปกติ (normal polarity) ส่่วน สีขาว คือ หรือ ขั้วแม่เหล็กย้อนกลับ (reverse polarity)

ดังนั้นเมื่อสามารถตรวจวัดค่าสนามแม่เหล็กของตัวอย่างได้ เช่น เมื่อนำตัวอย่างหินจากชั้นต่างๆ ของลาวาที่ไหลหลากในภูเขาไฟ ไปประเมินสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาลและปรับเทียบกับตารางมาตรฐานดังกล่าว จะสามารถหาอายุของการไหลหลากของลาวาในแต่ละเหตุการณ์ได้ ตัวอย่างเช่น ในปี ค.ศ. 1984 นักวิทยาศาสตร์ (Heller และ Tungsheng) ใช้การลำดับชั้นของสนามแม่เหล็กบรรพกาลในการหาอายุชั้นหินในประเทศจีน ซึ่งวิธีการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลสามารถใช้แบ่งโซนอายุของหินชั้นต่างๆ ได้ นอกจากนี้ในปี ค.ศ. 1988 นักวิทยาศาสตร์ (McNeill) ใช้การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลเพื่อบอกอายุในช่วงสมัยไมโอซีน-สมัยไพลสโตซีน ของหินปูนในหมู่เกาะบาฮามาส โดยวิเคราะห์จากแร่แมกนิไทต์ที่ตกสะสมตัวอยู่ร่วมกับแร่คาร์บอเนตในระหว่างการเกิดหินปูน เป็นต้น

หลักการหาอายุจากสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาล กับการศึกษาทางธรณีวิทยา

หรือในทางโบราณคดี หากนักวิทยาศาสตร์ประเมินสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาลกับตัวอย่างภาชนะดินเผา หรือวัตถุต่างๆ ทางโบราณคดีที่เคยได้รับความร้อน ผลของสภาวะแม่เหล็กโลกแสดงถึงสภาวะแม่เหล็กโลกเมื่อภาชนะดังกล่าวถูกเผาครั้งสุดท้าย ซึ่งเทียบเคียงได้กับอายุของแหล่งโบราณคดี เช่นในเศษภาชนะดินเผาตรงกับแนวขั้วแม่เหล็กโลกที่บันทึกไว้ในปี พ.ศ. 2123 ก็แสดงว่าภาชนะดินเผานั้นทำขึ้นในปี พ.ศ. 2123 เป็นต้น

หลักการหาอายุจากสภาวะแม่เหล็กโลกบรรพกาล กับการศึกษาทางโบราณคดี

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

Share: