บทที่ 4

บทที่ 4 ธรณีประวัติ

  อายุทางธรณีวิทยา 

          เป็นอายุที่เกี่ยวกับการเกิดของโลก ทุกอย่างที่อยู่ใต้ผิวดินจะเกี่ยวข้องกับธรณีวิทยาทั้งสิ้น จึงต้องมีการให้อายุ เพื่อลำดับขั้นตอน เหตุการณ์ ว่าหิน แร่ ซากดึกดำบรรพ์ที่พบใต้ผิวโลก (จากการเจาะสำรวจ) หรือโผล่บนดินเกิดในช่วงใด เพื่อจะได้หาความสัมพันธ์ และเทียบเคียงกันได้ มีหน่วยเป็นล้านปี อายุทางธรณีวิทยานอกจากเป็นตัวเลขแล้ว ก็มีชื่อเรียกด้วย ซึ่งส่วนใหญ่ก็จะใช้ชื่อตามชื่อสถานที่ทางภูมิศาสตร์ที่มีการพบซากดึกดำบรรพ์
การศึกษาหาอายุทางธรณีวิทยา หาได้ 2 ลักษณะ คือ มี 2 ลักษณะ คือ

1. อายุเทียบสัมพันธ์หรืออายุเปรียบเทียบ (Relative age) คือเป็นช่วงระยะเวลาอายุทางธรณีวิทยาโดยศึกษาจากชั้นหิน หรือการลำดับชั้นหิน ลักษณะทางธรณีวิทยา หรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยาอื่นๆ โดยเมื่อนำมาเปรียบเทียบสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน กับดัชนีต่างๆ รายงานวิชาการอื่นๆ ที่พบในชั้นหิน เช่น หาจากซากดึกดำบรรพ์ต่างๆ ที่พบอยู่ในหิน ว่าเป็นสกุลและชนิดใด เป็นต้น ซึ่งศาสตร์นี้ต้องอาศัยการสั่งสมประสบการณ์และความเชี่ยวชาญสูง ซึ่งแทนที่จะบ่งบอกเป็นจำนวนปี แต่การบอกอายุของหินแบบนี้กลับบอกได้แต่เพียงว่า สิ่งไหนเกิดก่อนหรือหลัง อายุแก่กว่าหรืออ่อนกว่าหิน หรือซากดึกดำบรรพ์ อีกชุดหนึ่งเท่านั้น โดยอาศัยตำแหน่งการวางตัวของหินตะกอนเป็นตัวบ่งบอก( Index fossil) เป็นส่วนใหญ่ เพราะชั้นหินตะกอนแต่ละขั้นจะต้องใช้ระยะเวลาช่วงหนึ่งที่จะเกิดการทับถม เมื่อสามารถเรียงลำดับของหินตะกอนแต่ละชุดตามลำดับก็จะสามารถหาเวลาเปรียบเทียบได้ และจะต้องใช้หลักวิชาการทางธรณีวิทยา(Stratigraphy)ประกอบด้วย

การศึกษาเวลาเปรียบเทียบโดยอาศัยหลักความจริง มี อยู่ 3 ข้อคือ

1.1 กฎการวางตัวซ้อนกันของชั้นหินตะกอน (Law of superposition) ถ้าหินตะกอนชุดหนึ่งหรือหินอัคนีผุไม่ถูกพลิกกลับ (Overturn) โดยปรากฏการณ์ทางธรรมชาติแล้ว ส่วนบนสุดของหินชุดนี้ย่อมจะมีอายุอ่อนหรือน้อยที่สุด และส่วนล่างสุดย่อมจะมีอายุแก่ที่สุดหรือมากกว่าเสมอ

1.2 กฎของความสัมพันธ์ในการตัดผ่านชั้นหิน (Law of cross-cutting relationship) กล่าวคือ หินที่ตัดผ่านเข้ามาในหินข้างเคียง ย่อมจะมีอายุน้อยกว่าหินที่ถูกตัดผ่านเข้ามา

1.3 การเปรียบเทียบสหสัมพันธ์ของหินตะกอน (Correlation of sedimentary rock) ศึกษาเปรียบเทียบหินตะกอนในบริเวณที่แตกต่างกันโดยสามารถเปรียบเทียบได้โดยอาศัยใช้ลักษณะทางกายภาพ เช่น

1.3.1 ใช้ลักษณะทางกายภาพโดยอาศัยชั้นหินหลักหรือคีย์เบด (Key bed) ซึ่งเป็นชั้นหินที่กำหนดได้สะดวกง่ายดาย โดยมีลักษณะเด่นเฉพาะบางประการตัวของมันเอง เช่น ซากพืช สัตว์ เป็นต้น และชั้นหินหลักนี้ ถ้าพบที่ไหนในบริเวณที่ต่างกันก็จะมีอายุหรือช่วงเวลาที่เกิดเท่ากันหรือใกล้เคียงกัน สามารถบ่งบอกจดจำได้อย่างถูกต้องถึงว่าชั้นหินที่วางตัวอยู่ข้างบนและข้างล่างของคีย์เบดจะมีลักษณะแตกต่างกันออกไปในแต่ละบริเวณด้วย

1.3.2 เปรียบเทียบโดยใช้ซากดึกดำบรรพ์ (Correlation by fossil) โดยมีหลักเกณฑ์คือ ในชั้นหินใดๆ ถ้ามีซากดึกดำบรรพ์ชนิดเดียวกัน ที่เหมือนหรือคล้ายคลึงเกิดอยู่ในตัวของมันแล้ว แม้ชั้นหินนั้นๆ จะอยู่ต่างที่กัน ย่อมมีอายุหรือช่วงระยะเวลาที่เกิดเดียวกันหรือใกล้เคียงกับซากดึกดำบรรพ์ที่สามารถจะใช้เปรียบเทียบได้ดี ต้องมีช่วงเวลาที่อาศัยอยู่บนโลกเป็นเป็นช่วงระยะเวลาสั้นๆ แต่เกิดอยู่อย่างกระจัดกระจายเป็นบริเวณกว้างขวางมากที่สุด ซึ่งฟอสซิลเหล่านี้เรียกว่า ไกด์ฟอสซิลหรือ อินเด็กฟอสซิล หรือ ซากดึกดำบรรพ์ดัชนี (Guide or Index fossil)



2. อายุสัมบูรณ์ (Absolute age) หมายถึง เป็นระยะเวลาที่สามารถบ่งบอกอายุที่แน่นอนลงไป เช่น อายุซากดึกดำบรรพ์ของหินหรือวัตถุต่างๆ ที่สามารถหาได้ ลักษณะหรือเหตุการณ์ทางธรณีวิทยา (โดยมาก การบอกอายุเป็นตัวเลขได้ วัดเป็นปี เช่น พันปี ล้านปี) มาหาอายุ โดยทั่วไปหมายถึงการกำหนดหาอายุที่จากการวิเคราะห์และคำนวณหาได้จากไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีที่ปะปนประกอบอยู่ในหินหรือในซากดึกดำบรรพ์หรือวัตถุนั้นๆ ขึ้นอยู่กับวิธีการและช่วงเวลาครึ่งชีวิต(Half life period) ของธาตุนั้น ๆ เช่น C-14 มีครึ่งชีวิตเท่ากับ 5,730 ปี จะใช้กับหินหรือ Fossil โบราณคดี ที่มีอายุไม่เกิน 50,000 ปี ส่วน U-238 หรือ K-40 จะใช้หินที่มีอายุมาก ๆ ซึ่งมีวิธีการที่สลับซับซ้อน ใช้ทุนสูง และแร่ที่มีปริมาณรังสีมีปริมาณน้อยมาก วิธีการนี้เรียกว่า การตรวจหาอายุจากสารกัมมันตภาพรังสี (Radiometric age dating)

การใช้ธาตุกัมมันตรังสีเพื่อหาอายุหิน หรือ ฟอสซิล นั้น ใช้หลักการสำคัญคือการเปรียบเทียบอัตราส่วนของธาตุกัมมันตรังสีที่เหลืออยู่ ( End product) ที่เกิดขึ้นกับไอโซโทปของธาตุกัมมันตรังสีตั้งต้น (Parent isotope) แล้วคำนวณโดยใช้เวลาครึ่งชีวิตมาช่วยด้วยก็จะได้อายุของชั้นหิน หรือ ซากดึกดำบรรพ์ นั้น ๆ เช่น

วิธีการ Uranium 238 - Lead 206 วิธีการ Uranium 235 - Lead 207

วิธีการ Potassium 40 - Argon 206 วิธีการ Rubidium 87- Strontium 87

วิธีการ Carbon 14 - Nitrogen 14

ประโยชน์ของการหาอายุโดยใช้ธาตุกัมมันตรังสีมี 2 ประการคือ

1. ช่วยในการกำหนดอายุที่แน่นอนหลังจากการใช้ Fossil และ Stratigrapy แล้ว

2. ช่วยบอกอายุหรือเรื่องราวของยุคสมัย พรีแคมเบียน (Precambrian) นี้ถูกเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องไปอย่างมาก ร่องรอยต่าง ๆจึงสลายไปหมด

ซากดึกดำบรรพ์ ( Fossils ) 

           ในทางธรณีวิทยา หมายถึง ซากสิ่งมีชีวิตทั้งซากพืช ซากสัตว์ ละอองเรณู และ สปอร์ของพืช หรือ ร่องรอยของสิ่งมีชีวิตในอดีตที่ได้ประทับฝังไว้ในชั้นหิน เมื่อผ่านกระบวน การเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติจะมีส่วน ประกอบของอินทรียสารเปลี่ยนแปลงไปจากส่วนประกอบเดิม แต่ยังคงรูปลักษณะโครงสร้างให้เห็นอยู่ซึ่งกระบวนการเปลี่ยนแปลง ตามธรรมชาติมีอยู่หลายสิธี เช่น
Permineralization ได้แก่ การสะสมตัวของแร่ะาตุในเนื้อพรุนของซาก
Silicification ได้แก่ การที่ส่วนประกอบดั้งเดิมของซากถูกแทนที่ด้วยสารซิลิกาใน
รูปของแร่ควอรตซ์ แร่คาลซิโคนีหรือแร่โอปอ
Pertrification ได้แก่ ซากที่กลายเป็นหินแข็ง เนื่องจากส่วนประกอบเดิมถูกแทนที่ด้วย
สารละลายซิลิกา หรือ สารละลายแคลเซียมคาร์บอเนด
Cabonization ได้แก่ การที่ซากกลายเป็นสารคาร์บอนติดอยู่ในชั้นหินหรือเป็นถ่านหิน

Trace Track Trail Boring Burrow Cast Mold ได้แก่ ร่อยรอยหรือพิมพ์ของสิ่งมีชีวิตที่ประทับอยู่บน หรือในเนื้อหิน เช่น รอยเท้า รอยทางเดิน รอยหนอน รอยบอนไซ รอยเจาะ รอยพิมพ์และรูปพิมพ์บน พื้นตะกอนที่ต่อมาได้มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและฟิสิกส์ จนทำให้เกิดการแข็งตัวเป็นหิน เช่น รอยเท้าสัตว์ บนหินทราย รอยทางเดินบนหินดินดาน หรือรอยเจาะในหินปูน กระบวนการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยา เหล่านี้ ทำให้ซากดึกดำบรรพ์มีลักษณะเป็นแร่ ซึ่งเป็นองคืประกอบของหิน คือ เป็นอนินทรียวัตถุที่มี ส่วนประกอบทางเคมีกับลักษณะทางฟิสิกส์ที่แน่นอน หรือเปลี่ยนแปลงได้เล็ก น้อยตามนับแห่งพระราช บัญญัติแร่ พ.ศ. 2510

ซากดึกดำบรรพ์ที่ประชาชนรู้จักมากที่สุด ได้แก่ ซากกระดูกไดโนเสาร์ รอยเท้าไนโดเสาร์ ซากหอย ซาหปลา ซากใบไม้ ซากแมลง ซึ่งเป็นซากของสัตว์และพืชที่มีรูปร่าง หรือโครงสร้างในปัจจุบัน แม้ว่าบางครั้งซากที่เราพบเห็นจะเป็นซากของสัตว์และพืชที่สูญพันธุ์ไปแล้ว แต่เพราะสัตว์มีรูปร่าง โดยรวมคล้ายกัยรูปร่างของลูกหลานที่มีวิวัฒนาการสืบทอดกันมา ทำให้พอจะอนุมานได้ว่า ซาก ดึกดำบรรพ์นั้น เป็นซากของสัตว์ประเภทใด สำหรับซากไดโนเสาร์ แม้ว่าจะเป็นซากของสัตว์ ที่สูญพันธุ์ไปแล้ว แต่ขนาดที่ใหญ่โต และเรื่องราวอันลี้ลับที่ไม่อาจพบเห็นได้ในปัจจุบัน กลับเป็นเสน่ห์ให้ผู้คนสนใจและจดจำได้

        โดยทั่วไปสิ่งมีชีวิตประกอบด้วยส่วนที่เป็นเรื้อเยื่อ และส่วนที่เป็นโครงแข็งซึ่งอาจเป็นกระดูก ฟัน เปลือก เกล็ด หรือเล็บ หรือ หนาม เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง เนื้อเยื่อจะเน่าสลายในบรรยากาศโลกได้ง่ายมาก ในขณะที่ ส่วนโครงแข็งจะทนทานต่อการเน่าสลายและการผุพังมากกว่า กว่าที่ซากวิ่งมีชีวิตจะถูกกลบฝัง เพื่อป้องกัน การเน่าสลายตามธรรมชาติ ส่วนที่เป็นเนื้อเยื่อมักจะถูกทำลายไปจนหมด ดังนั้นซากดึกดำบรรพ์ที่ยังคง เนื้อเยื่อเดิมให้เห็นจึงพบได้น้อยมาก นอกจากรณีพิเศษ เช่น การพบซากช้างแมมมอธทั้งตัวที่ไซบีเรีย ทั้งนี้ เรื่อจากอากาศที่หนาวจัดได้เก็บรักษาซากไว้ให้พ้นจากการเน่าเปื่อย ซากดึกดำบรรพ์ที่พบโดยทั่วไป จะเป็นเปลือก เข่น เปลือกหอย กระดอง เช่น กระดองเต่า เกล็ดของปลาโบราณ ซึ่งเป็นปลาที่มีเกล็ดแข็งหนา หรือแผ่นเกราะแข็งห่อหุ้มตัว ฟัน กระดูก และซากใบไม้ ซึ่งส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็นรอยพิมพ์ ในเนื้อหิน
การลำดับขั้นหิน

          ลำดับชั้นหิน คือ การเรียงตัวทับถมกันของตะกอนที่ตกทับถม ณ ที่แห่งหนึ่งในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน ซึ่งมักพบว่าชนิดของตะกอนจะแตกต่างกันไปตามกาลเวลา ขึ้นกับสภาพแวดล้อมในอดีตช่วงนั้น เช่น ยุคแคมเบรียนจะสะสมตัวหินทราย หินทรายแป้งและค่อยๆ เปลี่ยนเป็นหินดินดาน หินปูนในยุคออร์โดวิเชียน เป็นต้น

อายุของหิน ก็คือช่วงเวลาที่ตะกอนหรือลาวาตกสะสมตัวหรือกำลังแข็งตัวหรือจับตัวเช่น ดินสะสมตัวในทะเลสาบเมื่อประมาณ 260 ล้านปี เมื่อจับตัวเป็นหินและคงอยู่ถึงปัจจุบัน เราก็บอกว่าหินนี้มีอายุ 260 ล้านปีที่ผ่านมา สำหรับวิธีศึกษาหาอายุก็ใช้ทั้งค่าอัตราส่วนการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีหรือซากดึกดำบรรพ์ในช่วงนั้นที่เผอิญตายพร้อมๆ กับการตกของตะกอน



ประโยชน์ของการใช้ข้อมูลธรณีวิทยา ธรณีวิทยาถือว่าเป็นการศึกษาธรรมชาติ โลกที่เราเหยียบ อาศัยอยู่ ซึ่งถ้าเข้าใจมันทั้งหมด เราก็สามารถใช้ประโยชน์จากธรรมชาติและหลีกเลี่ยงภัยธรรมชาติได้ คุณหาทรัพยากร เชื้อเพลิงไม่ได้ ถ้าไม่รู้ธรณีวิทยา คุณหาแหล่งที่อาศัย สถานที่ ที่มั่นคงต่อชีวิตไม่ได้ถ้าไม่รู้ธรณีวิทยา (เหมือนการไปสร้างบ้านในพื้นที่น้ำท่วมซ้ำซากก็เพราะไม่เข้าใจธรรมชาติทางธรณีวิทยา ) และที่สำคัญก็คือวิชานี้เป็นวิชาศึกษาโลก ซึ่งถือว่าเป็นรากฐานของวิทยาศาสตร์ที่สำคัญของมนุษย์

อายุของหินบนเทือกเขากลางมหาสมุทร เนื่องจากหินตรงนี้เป็นหินอัคนีประเภทบะซอลต์เป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นต้องหาอายุโดยใช้การสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีเท่านั้น  ใช้ AR-AR อายุได้ตั้งแต่ 160 ล้านปีถึงปัจจุบัน




หิน (Rock) หมายถึง มวลของแข็งที่ประกอบขึ้นด้วยแร่ชนิดเดียวกันหรือหลายชนิดรวมตัวกันอยู่ตามธรรมชาติ แบ่งตามลักษณะการเกิดได้ 3 ชนิดใหญ่

1. หินอัคนี (Igneous Rock)
       เกิดจากหินหนืดที่อยู่ใต้เปลือกโลกแทรกดันขึ้นมาแล้วตกผลึกเป็นแร่ต่างๆ และเย็นตัวลงจับตัวแน่นเป็นหินที่ผิวโลก แบ่งเป็น 2 ชนิดคือ
หินอัคนีแทรกซอน (Intrusive Igneous Rock) เกิดจากการเย็นตัวลงอย่างช้า ๆ ของหินหนืดใต้เปลือกโลก มีผลึกแร่ขนาดใหญ่ (>1 มิลลิเมตร) เช่นหินแกรนิต (Granite) หินไดออไรต์ (Diorite) หินแกบโบร (Gabbro)
หินอัคนีพุ (Extruisive Igneous Rock) หรือหินภูเขาไฟ (Volcanic Rock) เกิดจากการเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วของหินหนืดที่ดันตัวพุออกมานอกผิวโลกเป็นลาวา (Lava) ผลึกแร่มีขนาดเล็กหรือไม่เกิดผลึกเลยเช่น หินบะซอลต์ (Basalt) หินแอนดีไซต์ (Andesite) หินไรโอไลต์ (Rhyolite)
2. หินชั้นหรือหินตะกอน (Sedimentary Rock)
          เกิดจากการทับถม และสะสมตัวของตะกอนต่างๆ ได้แก่ เศษหิน แร่ กรวด ทราย ดินที่ผุพังหรือสึกกร่อนถูกชะละลายมาจากหินเดิม โดยตัวการธรรมชาติ คือ ธารน้ำ ลม ธารน้ำแข็งหรือคลื่นในทะเล พัดพาไปทับถมและแข็งตัวเป็นหินในแอ่งสะสมตัวหินชนิดนี้แบ่งตามลักษณะเนื้อหินได้ 2 ชนิดใหญ่ ๆ คือ
หินชั้นเนื้อประสม (Clastic Sedimentary Rock) เป็นหินชั้นที่เนื้อเดิมของตะกอน พวกกรวด ทราย เศษหินและดิน ยังคงสภาพอยู่ให้พิสูจน์ได้ เช่น หินทราย (Sandstone) หินดินดาน (Shale) หินกรวดมน (Conglomerate) เป็นต้น
หินเนื้อประสาน (Nonclastic Sedimentary Rock) เป็นหินที่เกิดจากการตกผลึกทางเคมี หรือจากสิ่งมีชีวิต มีเนื้อประสานกันแน่นไม่สามารถพิสูจน์สภาพเดิมได้ เช่น หินปูน (Limestone) หินเชิร์ต (Chert) เกลือหิน (Rock Salte) ถ่านหิน (Coal) เป็นต้น

3. หินแปร (Metamorphic Rock)
           เกิดจากการแปรสภาพโดยการกระทำของความร้อน ความดันและปฏิกิริยาทางเคมี ทำให้เนื้อหิน แร่ประกอบหินและโครงสร้างเปลี่ยนไปจากเดิม การแปรสภาพของหินจะอยู่ในสถานะของของแข็ง ซึ่งจัดแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ
การแปรสภาพบริเวณไพศาล (Regional metamorphism) เกิดเป็นบริเวณกว้างโดยมีความร้อนและความดันทำให้เกิดแร่ใหม่หรือผลึกใหม่เกิดขึ้น มีการจัดเรียงตัวของแร่ใหม่ และแสดงริ้วขนาน (Foliation) อันเนื่องมาจากแร่เดิมถูกบีบอัดจนเรียงตัวเป็นแนวหรือแถบขนานกัน เช่น หินไนส์ (Gneiss) หินชีสต์ (Schist) และหินชนวน (Slate) เป็นต้น
การแปรสภาพสัมผัส (Contact metamorphism) เกิดจากการแปรสภาพโดยความร้อนและปฏิกิริยาทางเคมีของสารละลายที่ขึ้นมากับหินหนืดมาสัมผัสกับหินท้องที่ ไม่มีอิทธิพลของความดันมากนัก ปฏิกิริยาทางเคมีอาจทำให้ได้แร่ใหม่บางส่วนหรือเกิดแร่ใหม่แทนที่แร่ในหินเดิม หินแปรที่เกิดขึ้นจะมีการจัดเรียงตัวของแร่ใหม่ ไม่แสดงริ้วขนาน (Nonfoliation) เช่น หินอ่อน (Marble) หินควอตไซต์ (Quartzite)

วัฏจักรของหิน
          วัฏจักรของหิน (Rock cycle) หมายถึง การเปลี่ยนแปลงของหินทั้ง 3 ชนิด จากหินชนิดหนึ่งไปเป็นอีกชนิดหนึ่งหรืออาจเปลี่ยนกลับไปเป็นหินชนิดเดิมอีกก็ได้ กล่าวคือ เมื่อ หินหนืด เย็นตัวลงจะตกผลึกได้เป็น หินอัคนีเมื่อหินอัคนีผ่านกระบวนการผุพังอยู่กับที่และการกร่อนจนกลายเป็นตะกอนมีกระแสน้ำลมธารน้ำแข็งหรือคลื่นในทะเลพัดพาไปสะสมตัวและเกิดการแข็งตัวกลายเป็นหิน อันเนื่องมาจากแรงบีบอัดหรือมีสารละลายเข้าไปประสานตะกอนเกิดเป็นหินชั้นขึ้นเมื่อหินชั้นได้รับความร้อนและแรงกดอัดสูงจะเกิดการแปรสภาพกลายเป็นหินแปรและหินแปรเมื่อได้รับความร้อนสูงมากจนหลอมละลาย ก็จะกลายสภาพเป็นหินหนืด ซึ่งเมื่อเย็นตัวลงก็จะตกผลึกเป็นหินอัคนีอีกครั้งหนึ่งวนเวียนเช่นนี้เรื่อยไปเป็นวัฏจักรของหิน กระบวนการเหล่านี้อาจข้ามขั้นตอนดังกล่าวได้ เช่น จากหินอัคนีไปเป็นหินแปร หรือจากหินแปรไปเป็นหินชั้น

ภาพถ่ายจากท้องฟ้าจำลอง