การแปรสัณฐานของแผ่นธรณี

การศึกษาด้านธรณีแปรสัณฐาน

          เป็นที่สังเกตของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับโลกนับเป็นร้อยปีมาแล้วถึงลักษณะของผิวโลกที่มีความสูงต่ำแตกต่างกัน บางแห่งเกิดเป็นเทือกเขาสูงทอดตัวยาวเหยียด กลางทวีปบางแห่งจะเป็นที่ราบลอนคลื่นกว้างใหญ่มีเพียงเขาลูกโดด ๆ บ้าง บางแห่งเป็นที่ราบไหล่ทวีปใกล้ชายฝั่งทะเลต่อเข้าบริเวณน้ำตื้นแล้วก็ลดระดับลงอย่างรวดเร็วจนเข้าสู่บริเวณของพื้นมหาสมุทร  ที่พื้นมหาสมุทรเองก็มีทั้งเกาะแก่ง เทือกเขา และร่องลึก ดังนั้นจึงมีความพยายามอธิบายลักษณะแปลกประหลาดไม่ราบเรียบของผิวโลกนี้ว่ามีความเป็นมาอย่างไร  เช่นในอดีตได้มีการกล่าวถึงการที่โลกหดตัวลง เนื่องจากการสูญเสียความร้อนออกไป การหดตัวเกิดขึ้นไม่เท่ากันตามบริเวณต่างๆ  การหดตัวมากเกิดขึ้นที่บริเวณใดก็จะทำให้บริเวณนั้นยุบลงไปอยู่ต่ำ  บริเวณที่หดตัวน้อยกว่าก็จะคงอยู่ในระดับที่วางตัวสูงกว่าจึงเกิดเป็นภูเขาสูง  แต่ขณะเดียวกันก็ยังมีข้อโต้แย้งถึงลักษณะของการขยายตัวของผิวโลกออกจนทำให้เกิดเป็นแนวร่องหุบเขา (Rift Zones) ขึ้น  และตลอดเวลายังมีผู้ค้นพบข้อมูลทางธรณีวิทยาเพิ่มมากขึ้นอีก เช่น การค้นพบร่องรอยบันทึกของสนามแม่เหล็กโลกบรรพกาลในหินอายุเก่า การค้นพบทางด้านศิลาวรรณนาและซากดึกดำบรรพ์แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของมวลวัสดุธรณีวิทยาตามกาลเวลา ทฤษฎีว่าด้วยกลไกของการเปลี่ยนแปลงของเปลือกโลก โดยมีหลักฐานประกอบบ่งชี้ชัดเจน  เหล่านี้จึงทำให้เกิดเป็นทฤษฎีด้านธรณีแปรสัณฐานที่ค่อยพัฒนามาจนถึงทฤษฎีที่ได้รับความนิยมอยู่ในปัจจุบันนี้

 

ทฤษฎีทวีปเลื่อน  (Continental Drift)

 

ได้มีผู้ตั้งข้อสงสัยเกี่ยวกับลักษณะของชายฝั่งทะเลที่น่าจะมีความสัมพันธ์กันอย่างใด

อย่างหนึ่งไว้นานหลายร้อยปีแล้ว  อาทิ Francis Bacon ได้ตั้งข้อสังเกตไว้ในปี ค.ศ. 1620  ถึงการที่สองฟากมหาสมุทรแอตแลนติกมีลักษณะสอดคล้องกันอย่างยิ่ง  ต่อมาในปี 1668  P. Placet จึงพยายามอธิบายว่าสองฟาก มหาสมุทรแอตแลนติกน่าจะเชื่อมกันมาก่อน แต่ยังไม่มีผู้ใดมีหลักฐานข้อมูลใดสนับสนุนนอกจากอาศัยลักษณะคล้ายคลึงสอดคล้องกันของชายฝั่งมหาสมุทรเท่านั้น  ในปี 1858 Antonio Snider  ได้อาศัยข้อมูลชั้นหินยุคคาร์บอนิเฟอรัสในทวีปยุโรปและอเมริกาเหนือมาเทียบสัมพันธ์กันจึงต่อแผ่นดินเหล่านี้เข้าเป็นผืนเดียวกัน แล้วให้แผ่นดินค่อยแยกออกจากกันในภายหลัง

          ในปี 1908  Frank B. Taylor ได้อธิบายปรากฏการณ์ของการที่มหาทวีป 2 แห่ง ซึ่งเคยวางตัวอยู่ใกล้ขั้วโลกเหนือและใต้แตกแยกออกเป็นทวีปขนาดเล็กกว่าและเคลื่อนที่มาทางเส้นศูนย์สูตร นั่นคือมหาทวีปลอเรเซีย  (Laurasia) ซึ่งอยู่ทางเหนือและมหาทวีปกอนด์วานา (Gondwanaland) ซึ่งอยู่ทางใต้ โดยเป็นการเคลื่อนที่เฉพาะของเปลือกโลกไซอัล และผลักดันตะกอนทำให้เกิดแนวเทือกเขาทางด้านหน้าที่ทวีปเคลื่อนที่ไปประกอบกับร่องรอยการแตกแยกของทวีปทางด้านหลัง  สำหรับแรงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของทวีปนั้นอธิบายว่ามาจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ซึ่งเข้ามาอยู่ใกล้ชิดโลกมากในยุคครีเทเชียส

                   ต่อมาในปี 1910 Alfred Wegener  ได้สร้างแผนที่มหาทวีปใหม่เพียงแห่งเดียว โดยอาศัยรูปร่างแผนที่ของ Snider และตั้งชื่อว่ามหาทวีปพันเจีย ล้อมรอบอยู่ด้วยมหาสมุทรพันธาลาสซา (Panthalassa) แล้วจึงแตกออกและเคลื่อนที่ไปอยู่ ณ ตำแหน่งที่เห็นอยู่ในปัจจุบัน  ขณะเคลื่อนที่ก็เกิดเทือกเขาด้านหน้า การแตกแยกด้านหลังเหมือนคำอธิบายของ Taylor นอกจากนี้ยังอธิบายว่ารอยชิ้นทวีปที่ขาดหล่นปรากฏเป็นเกาะแก่ง หรือรอยฉีกที่พบเป็นร่องลึกยังปรากฏอยู่บนพื้นมหาสมุทร เป็นต้น  ขณะเดียวกับที่มีการแทรกดันขึ้นมาของเปลือกโลกไซมา ที่มีมวลตั้งต้นมาจากชั้นเนื้อโลก สำหรับแรงกระทำ  กำหนดให้มาจากแรงดึงดูดของดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ รวมกับแรงดึงดูดเนื่องจากแรงโน้มถ่วงภายในโลกประกอบกัน

 

ทฤษฎีแผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่  (Plate Tectonics)

          การศึกษาสภาพธรณีวิทยาของพื้นผิวโลกทำให้ยืนยันได้ว่าผิวโลกต่อเนื่องลงไปถึงด้านล่าง ได้เกิดมีการเคลื่อนที่จริงๆ การเคลื่อนที่มีทั้งไปทางด้านข้างและขึ้นลงตามแนวดิ่ง  แต่การแปรเปลี่ยนของผิวโลกตามทฤษฎีการแยกตัวของทวีปก็ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่มากโดยมีทั้งผู้ที่เห็นด้วยและผู้ที่คัดค้าน  ขณะเดียวกันก็มีการศึกษาหาความรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับโครงสร้างของโลกมากขึ้นอีก จุดหักเหของทฤษฎีเกี่ยวกับธรณีแปรสัณฐานเกิดขึ้นในช่วงประมาณ ค.ศ. 1960 เมื่อมีผู้นำเสนอทฤษฎีเกี่ยวกับการแยกตัวของพื้นมหาสมุทร (Seafloor spreading) เช่น B.C. Heezen, H.H. Hess และ R.S. Dietz  เป็นต้น โดยทฤษฎีนี้มีใจความสำคัญมาจากการแยกตัวที่พื้นมหาสมุทรออกจากกันเป็นแนวยาวโดยมีวัสดุจากใต้ชั้นเปลือกโลกแทรกขึ้นมา เย็นตัวแข็งเกิดเป็นพื้นมหาสมุทรใหม่แล้วก็แยกจากกันออกไปอีกเรื่อย ๆ ในทิศทางตั้งฉากกับรอยแยกนี้ วัสดุที่แทรกขึ้นมานี้ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างเทือกเขากลางสมุทร (Mid-Oceanic Ridge) การเคลื่อนที่ออกจากกันของพื้นมหาสมุทรถูกนำไปสัมพันธ์กับลักษณะของเปลือกโลกบริเวณร่องลึกที่พื้นมหาสมุทร (Trench) แนวภูเขาไฟรูปโค้ง (Volcanic arcs) และเทือกเขาสูงใกล้ขอบทวีปแล้วจึงทำให้เกิดเป็นแนวคิดต่อเนื่องว่าชั้นส่วนบนของโลกน่าจะมีลักษณะเป็นแผ่นประสานกัน  แผ่นนี้มีทั้งส่วนที่เป็นทวีปและพื้นมหาสมุทร  มีการเกิดขึ้นในบางส่วนของแผ่น มีการเคลื่อนที่และถูกทำลายไปในอีกส่วนหนึ่ง แผ่นเปลือกโลก (Plate) นี้ประกอบด้วยชั้นธรณีภาค (Lithophere) วางตัวอยู่บนชั้นฐานธรณีภาค (Asthenophere) ซึ่งภายในมีการเคลื่อนที่ของมวลเป็นกระแสหมุนวน (Convection current) ขึ้นลง กระแสนี้ช่วยพัดพาแผ่นเปลือกโลกให้เคลื่อนที่ไปขนานกับผิวโลก  สำหรับขอบของแผ่นเปลือกโลกมักจะแสดงด้วยแนวโครงสร้างสำคัญคือเทือกเขากลางสมุทร ร่องลึกพื้นสมุทร และรอยเลื่อนเฉือนขนาดใหญ่  (Transform faults) และมีปรากฏการณ์ประกอบคือแนวของกลุ่มแผ่นดินไหวยุคปัจจุบันรวมกับปรากฏการณ์อื่น ได้แก่แนวเกาะภูเขาไฟหรือบริเวณแนวที่มีค่าความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิตามความลึกของโลกสูงมาก  จากแนวกำหนดนี้จึงทำให้ X. LePichon ระบุในปี 1968  ว่าแผ่นเปลือกโลกมีอยู่ 6 แผ่นใหญ่  แต่ในยุคต่อ ๆ มาได้มีความพยายามกำหนดแผ่นเปลือกโลกเพิ่มขึ้นอีกโดยอาศัยจุดกำเนิดแผ่นดินไหวที่สามารถกำหนดเป็นแนวได้  รวมทั้งการเทียบเคียงลักษณะทางธรณีวิทยาโครงสร้างต่างๆ ดังที่กล่าวถึงแล้ว  ดังจะได้อธิบายรายละเอียดของโครงสร้างขนาดมหึมาต่าง ๆ ดังนี้

 

1.  แนวเทือกเขากลางสมุทร (Mid-Oceanic Ridge)

 

มีลักษณะเป็นแนวเทือกเขาเตี้ยกว้างทอดยาวไปบนพื้นมหาสมุทรคล้ายกับเทือกเขา

สำคัญบนทวีป เทือกเขากลางสมุทรที่สำคัญได้แก่  Mid-Atlantic Ridge และ East Pacific Rise เป็นต้น  กลางเทือกเขามีลักษณะพิเศษคือมีร่องลึกเกิดจากรอยเลื่อนทอดตัวตลอดความยาวของเทือกเขา ร่องนี้มีลักษณะคล้ายคลึงกับร่องหุบเขาที่ปรากฏอยู่บนแผ่นดินหลายแห่ง  เช่น ร่องหุบเขาทางด้านตะวันออกของทวีปอาฟริกา หรือร่องหุบเขาบริเวณแม่น้ำไรน์ในยุโรป เป็นต้น  บนเทือกเขากลางสมุทรมีการทะลักตัวขึ้นมาของหินหลอมละลายที่ระบุได้ว่ามาจาก ที่ลึกลงไปในชั้นเนื้อโลกทำให้เกิดเป็นหินอัคนีพุจำพวกบะซอลต์และอุลตราเม ฟิก หินอัคนีพุเหล่านี้แสดงหลักฐานเป็นแถบบันทึกสนามแม่เหล็กโลกซึ่งเกิดขึ้นขณะ ที่หินหลอมละลายกำลังเย็นตัว แถบบันทึกนี้แสดงว่าสนามแม่เหล็กโลกได้เกิดการกลับขั้วไปมาตลอดเวลาด้วย  นอกจากนี้ยังพบว่าแถบบันทึกสนามแม่เหล็กโลกนี้ปรากฏอยู่บนหินที่ประกอบเป็นพื้นมหาสมุทรทั้งสองฟากของเทือกเขากลางสมุทรด้วย และพบว่ายิ่งห่างออกไปจากแนวกลางของเทือกเขา  หินเริ่มมีอายุแก่ขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นจึงอธิบายว่าหินเหล่านี้เกิดขึ้นก่อนที่กลางเทือกเขาแล้วค่อยเคลื่อนที่ออกจากกันเรื่อย ๆ ตามกาลเวลา  จากการคำนวณการเคลื่อนที่ทำให้กำหนดความเร็วของการแยกตัวได้ว่าอยู่ระหว่าง 1 ถึง 15 เซนติเมตรต่อปี

บริเวณเทือกเขากลางสมุทรใช้ระบุขอบของแผ่นเปลือกโลกในส่วนที่กำลังแยกตัวออก

จากกัน

2.  รอยเลื่อนระนาบด้านข้าง  (Transform Faults)

เป็นลักษณะของรอยเลื่อนแนวระดับ (Strike-slip fault) ซึ่งพบตัดแนวเทือกเขา

กลางสมุทรและทำให้แนวเทือกเขาเหลื่อมกันและจากข้อมูลแผ่นดินไหวพบว่า แนวรอยเลื่อนนี้อยู่ลึกไม่เกิน 300 กิโลเมตร    รอยเลื่อนชนิดนี้ยังไม่รู้ถึงสาเหตุของการกำเนิดแต่สามารถใช้ระบุขอบของแผ่น โลกบางส่วนรวมทั้งบอกถึงการเคลื่อนตัวเฉียดผ่านกันของแผ่นเปลือกโลกที่อยู่ ชิดกันด้วย

3.  ร่องลึกก้นสมุทร (Trenches)

ร่องลึกนี้ถูกพบที่ใต้มหาสมุทรใกล้ขอบของทวีป บ่อยครั้งจะพบว่ามีแนวเกาะภูเขาไฟ

รูปโค้งประกอบอยู่ด้านหนึ่งของร่องลึก คือด้านที่อยู่ใกล้ขอบทวีป  หินภูเขาไฟที่เกิดขึ้นตามแนวเกาะภูเขาไฟนี้เป็นจำพวกหินแอนดีไซต์ ซึ่งแตกต่างไปจากหินอัคนีที่เกิดบริเวณเทือกเขากลางสมุทร  ซึ่งส่วนใหญ่เป็นหินบะซอลต์ นอกจากนี้บริเวณนี้ยังพบว่าเป็นบริเวณที่มีความร้อนพิภพสูงมากด้วย ส่วนในบริเวณร่องลึกได้พบการเกิดแผ่นดินไหวมากมาย เมื่อกำหนดตำแหน่งจุดกำเนิดแผ่นดินไหวได้ก็พบว่ามีลักษณะเอียงเทลงไปจากแนวร่องลึกลงไปถึงชั้นฐานธรณีภาค ที่ประมาณความลึกถึง 700 กิโลเมตร  แนวแผ่นดินไหวเอียงเทนี้เรียกว่าเขตเบนนิออฟ  (Benioff zones) จากการศึกษากลไกการเกิดแผ่นดินไหวที่พบในที่ลึกพบว่ามีแผ่นดินไหวจำนวนหนึ่งน่าจะเกิดจากรอยเลื่อนที่มีลักษณะสอดคล้องกับการเอียงของ Benioff  zone โดยแสดงเป็นลักษณะของรอยเลื่อนย้อน  ดังนั้นจึงทำให้เกิดเป็นสมมติฐานว่าบริเวณนี้แผ่นเปลือกโลกกำลังมุดตัวเอียงลง และถูกกลืนหายไปในชั้นฐานธรณีภาค ขณะเดียวกันแนวเกาะภูเขาไฟและเขตความร้อนพิภพสูงก็อธิบายว่าได้เกิดการหลอมตัวของแผ่นเปลือกโลกในที่ลึกจนกลายเป็นมวลหินหลอมเหลว ซึ่งมวลหินหลอมเหลวค่อยๆหาทางเคลื่อนที่ขึ้นข้างบนมาเย็นตัวเป็นมวลหินอัคนีทั้งหินอัคนีพุและหินอัคนีแทรกดัน  นอกจากนี้ในบริเวณใกล้เคียงที่ขอบของแผ่นเปลือกโลกด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้ง สองด้านน่าจะเกิดการเข้าชนกันทำให้เกิดการคดโค้งโก่งงอพร้อมกับรอยเลื่อน ย้อนมากมายจนทำให้วัสดุถูกยกตัวขึ้นเป็นแนวแคบยาวขนานไปตามแนวชนกันของขอบ แผ่นเปลือกโลกนั่นคือการเกิดเป็นแนวเทือกเขานั่นเอง

 

 

 

มหาทวีปในกระบวนการธรณีแปรสัณฐาน

          แม้แนวคิดตามทฤษฎีเพลทเทคโทนิกส์จะเป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางตลอดระยะ เวลาที่ผ่านมา แต่ยังพบว่าทฤษฎีนี้มีจุดจำกัดอยู่มากมายโดยเฉพาะการไม่สามารถอธิบายถึง ปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงของโลกจากแผ่นเปลือกโลกที่กำลังเกิดขึ้นและทำลายไป เมื่ออายุตามธรณีวิทยาประวัติเก่ากว่า 200 ล้านปีมาแล้ว  โดยเฉพาะยังไม่มีการยืนยันการพบเห็นแผ่นเปลือกโลกส่วนที่เป็นพื้นมหาสมุทรอายุเก่าแก่  ขณะที่มีเพียงข้อมูลของเปลือกโลกส่วนที่เป็นทวีปซี่งมีอายุย้อนหลังไปได้ถึงหลายพันล้านปี  เมื่อพิจารณาดูข้อมูลเหล่านี้ก็สามารถระบุได้ถึงการเคยอยู่ร่วมกันแล้วแยกออกจากกันของส่วนต่างๆที่เป็นทวีป  รวมทั้งลักษณะของการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนเหล่านี้ที่มีทั้งเป็นแนวตรง แนวโค้ง ตลอดจนการหมุนวน ดังนั้นจึงทำให้ทฤษฎีของการแยกตัวของทวีปยังไม่สูญหายหรือเสื่อมความนิยมไปอย่างสิ้นเชิง  ตรงกันข้ามกลับมีความพยายามคิดถึงการมีอยู่ของมหาทวีป  การแตกตัว การเคลื่อนที่และการเข้าชนกันหรือรวมกันโดยอาศัยปรากฏการณ์การเปลี่ยนแปลงตามกระบวนการในแนวคิดของทฤษฎีเพลทเทคโทนิกส์  ตลอดเวลายังมีการค้นหาข้อมูลทางธรณีวิทยาเพิ่มเติมว่าแผ่นดินใดเคยเกาะติดอยู่กับแผ่นดินใดในช่วงเวลาใด แยกออกจากกันเมื่อใด  เคลื่อนที่ไปในทิศทางใด  จึงมาเป็นแผ่นดินที่ปรากฏอยู่ในปัจจุบันนี้  การศึกษาดังกล่าวจึงทำให้สร้างสมมติฐานเป็นปรากฏการณ์ธรณีวิทยาประวัติ กล่าวคือการมีอยู่ของมหาทวีปโรดิเนีย (Rodinia) ซึ่งเป็นเพียงมหาทวีปโบราณแห่งเดียวในยุคก่อนแคมเบรียนคือเมื่อประมาณ 1.6 พันล้านปีมาแล้ว  มหาทวีปนี้แตกตัวออกก่อนยุคแคมเบรียนเล็กน้อย  เป็นชิ้นทวีปเล็กๆ หลายชิ้นเคลื่อนที่ไปชนและประกอบกันเข้าเป็นมหาทวีปกอนด์วานาแลนด์และลอเรเซีย(หรือแพงเกีย) เมื่อประมาณ 500 ล้านปีมาแล้ว จากนั้นก็แตกตัวออกอีกเมื่อต้นยุคจูแรสซิก (ประมาณ 200 ล้านปีมาแล้ว)ก่อนเคลื่อนที่เข้าชนประกอบกันอีกในยุคเทอร์เชียรี(ประมาณ 70 ล้านปีมาแล้ว) เรื่อยมาจนกระทั่งเกิดเป็นรูปร่างของแผ่นดินในปัจจุบัน

                   อย่างไรก็ตามแม้แนวคิดของการแตกตัวของทวีปผสมกับทฤษฎีเพลทเทคโทนิกส์จะมีผู้ยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆ แต่ก็ยังมีความไม่สมบูรณ์ในคำอธิบายเช่นกัน  รวมทั้งความพยายาม เพื่อจะอธิบายว่าก่อนจะมีมหาทวีปโรดิเนียนั้น  พื้นผิวโลกเคยมีลักษณะอยู่เช่นไร  จะมีมหาทวีปที่เก่าแก่กว่า และแตกตัวออกเพื่อมาชนรวมกันเป็นมหาทวีปโรดิเนียได้อย่างไรหรือไม่