ธรณีวิทยาโครงสร้าง

ธรณีวิทยาโครงสร้าง (Structural Geology) หมายถึง สาขาธรณีวิทยาแขนงหนึ่งที่ว่าด้วยลักษณะสถาปัตยกรรมและโครงสร้าง โดยการศึกษาธรณีวิทยาโครงสร้าง คือ “การศึกษาลักษณะสถาปัตยกรรมโครงสร้างของเปลือกโลก’’ เพราะการศึกษาของธรณีวิทยาโครงสร้าง หมายรวมถึงการศึกษา รูปทรงสัณฐานทางเรขาคณิต ความสมมาตร พร้อมกับความงดงาม (Elegance) ทางศิลปกรรมของโลกที่ถูกสร้างขึ้นในชั้นหิน หรือในเนื้อหินชนิดต่าง ๆ

ภาพแสดงชั้นหินคดโค้งที่พบใน Monterey Formation

กระบวนการเปลี่ยนลักษณะของหินในเปลือกโลก มีการเกิดตลอดเวลา ทั้งนี้เพราะโลกมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา หรือดังคำกล่าวที่ว่า "โลกที่ไม่เคยหยุดนิ่ง (The Dynamic Earth) " โดยอาจเป็นไปอย่างช้า ๆ ไม่สามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่า เช่น การเคลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลก หรือเป็นไปอย่างรวดเร็ว เช่น การระเบิดของภูเขาไฟ การเกิดแผ่นดินไหว เป็นต้น ดังนั้นหินในเปลือกโลกจึงมีการเปลี่ยนลักษณะไปอย่างต่อเนื่อง

การเปลี่ยนแปลงลักษณะ (Deformation) เป็นกระบวนการหนึ่งที่มีความสำคัญต่อการศึกษาธรณีวิทยาโครงสร้าง โดยถือได้ว่าเป็นกระบวนการหนึ่งที่เป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดโครงสร้างทางธรณีวิทยา โดยการเปลี่ยนแปลงลักษณะโครงสร้างทางธรณีวิทยาเป็นผลมาจากแรงที่กระทำต่อหินนั้นมีขนาดมากกว่าความแข็งแรงของกำลังรับแรงของหินที่จะรับแรงกระทำไว้ได้ (Strength) ดังนั้นเมื่อกำลังรับแรงของหินมีน้อยกว่าแรงที่มากระทำ จึงส่งผลให้หินเกิดการเปลี่ยนลักษณะอย่างถาวร โดยโครงสร้างทางธรณีวิทยาที่เกิดจากการกระทำดังกล่าวนั้นสามารถจำแนกอย่างหลัก ๆ ได้ 8 โครงสร้าง คือ รอยแยก (Joint) รอยแตกเฉือน (Shear Fracture) รอยเลื่อน (Fault) ชั้นหินคดโค้ง (Fold) ริ้วขนาน (Foliation) แนวแตกเรียบ (Cleavage) โครงสร้างแนวเส้น (Lineation) และ เขตรอยเฉือน (Shear Zone)

ในการศึกษาธรณีวิทยาโครงสร้างในหินโผล่ (Outcrop Scale) จะเริ่มพิจารณาที่ระดับที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า (ตั้งแต่ขนาดมิลลิเมตรถึงขนาดหลาย ๆ เมตร) ซึ่งอาจพบว่ามีแนวรอยเลื่อน (Fault) แนวคดโค้ง (Fold) แนวแยก (Joint) แนวแตกเรียบ (Cleavage) หรือแนวขนาน (Foliation) ปรากฏให้เห็น จากนั้นเราอาจนำเอาตัวอย่างหิน (Rock Samples) ที่เราเก็บมานั้นมาศึกษาในมาตราส่วนที่เล็กลง (Down Scale) ด้วยกล้องจุลทรรศน์ (Microscopic Scale) หรือกล้องกำลังขยายสูงมาก (Submicroscopic Scale) ในขนาดที่เล็กมาก 10-6 ไมครอน (Micron) หรือเราอาจนำเอาข้อมูลหินโผล่นั้นมาศึกษาในมาตราส่วนที่ใหญ่ขึ้น (Up Scale) ซึ่งอาจจะมีขนาดเป็นเมตรหรือเป็นกิโลเมตรได้ สำหรับการศึกษาในมาตราส่วนแบบไพศาล (Regional Scale) นั้นเรามักศึกษาจากหินโผล่หลาย ๆ จุด แล้วนำมาวิเคราะห์ผลเพื่อหาความสัมพันธ์กันในมาตราส่วนแบบไพศาล แต่เนื่องจากด้วยการศึกษาหินโผล่เพียงจุดเดียวนั้นไม่สามารถบ่งบอกสภาพธรณีวิทยาภูมิภาคได้อย่างครบถ้วน ดังนั้นในการศึกษาธรณีวิทยาโครงสร้างจึงมีความจำเป็นที่จะต้องวิเคราะห์โครงสร้างในมาตราส่วนต่าง ๆ กันและวิเคราะห์ตัวอย่างหินจากหลาย ๆ พื้นที่มาประกอบกัน เพื่อเชื่อมโยงหาการเปลี่ยนแปลงลักษณะของโครงสร้างหลัก (Major Structure) ซึ่งเป็นผลให้เราสามารถเข้าใจถึงสภาพและวิวัฒนาการการเปลี่ยนแปลงลักษณะได้มากขึ้นอีกด้วย

พื้นฐานสำคัญของธรณีวิทยาโครงสร้าง (Fundamentals of Structural Geology)

พื้นฐานสำคัญของธรณีวิทยาโครงสร้างมีอยู่ 3 กลุ่มใหญ่ ประกอบด้วย

1. รอยสัมผัส (contacts)
2. โครงสร้างปฐมภูมิ (primary structures)
3. โครงสร้างทุติยภูมิ (secondary structures)

ภาพแสดงรอยสัมผัสแบบไม่ต่อเนื่อง

รอยสัมผัส (Contacts)

1. รอยสัมผัส เป็นขอบรอยต่อระหว่างหินสองชนิดประกอบด้วย
2. รอยต่อแบบการตกตะกอนทับถมธรรมดา (normal depositional contacts) เป็นรอยสัมผัสที่เกิดขึ้นระหว่างการตกตะกอนของตะกอนขนาดต่าง ๆ ทำให้ได้หินที่มีขนาดของตะกอนต่างกัน เช่น ตะกอนขนาดเม็ดทราย (sand size) # ทำให้ได้หินทราย ตะกอนขนาดเม็ดทรายแป้ง (silt size) ทำให้ได้หินทรายแป้ง หรือตะกอนขนาดเม็ดดินเหนียว (clay size) ทำให้ได้หินดินดานหรือหินดินเหนียว
3. รอยสัมผัสแบบไม่ต่อเนื่อง (unconformities) ประกอบด้วย 3 ประเภท ได้แก่ disconformity, angular unconformity, and nonconformity
4. รอยสัมผัสของหินอัคนี (igneous contacts)
5. รอยสัมผัสจากรอยเลื่อน (fault contacts)
6. รอยสัมผัสจากเขตรอยเฉือน (shear zone contacts)

โครงสร้างปฐมภูมิ (Primary Structures)

โครงสร้างปฐมภูมิเป็นโครงสร้างที่เกิดขึ้นในช่วงที่ขณะเกิดเป็นหิน เช่น การวางชั้น (bedding) การวางชั้นเฉียงระดับ (cross-bedding) การวางชั้นหินเรียงขนาด (graded bedding) ริ้วรอยคลื่น (ripple marks) ระแหงโคลน (mud crack) รอยประทับจากเม็ดฝน (rain print) ร่องรอยสัตว์ (track and trail) รูปพิมพ์จากน้ำหนักกด (load cast) รูปพิมพ์แบบเนินร่อง (flute casts) รูปพิมพ์แบบสัน (groove cast) รอยครูดจากวัตถุ (tool marks) รอยกระทุ้ง (prod marks) รอยกลิ้ง (roll marks) รอยกระแทก (bounce marks) รอยขัดหรือรอยแปรง (brush marks) รอยกระโดด (skip marks) รอยกัดเซาะจากกระแส (scour marks) ร่องรอยซากดึกดำบรรพ์ (trace fossils) ร่องรอยจากการคลานหรือเดิน (crawling and walking trace) ร่องรอยจากการพักผ่อน (resting trace) รอยจากการขุดเพื่อเป็นที่อยู่อาศัย (dwelling structures) ร่องรอยรากพืช (Rootlet) เนินทราย (sand dune) สันทราย (sand bars) โครงสร้างรูปลำน้ำ (channels) หรือ ก้อนทรงมน (nodule) โครงสร้างที่กล่าวมาทั้งหมดมักพบในหินตะกอน ส่วนหินภูเขาไฟโครงสร้างที่พบ เช่น รูพรุนในหินบะซอลต์ การเรียงตัวของเม็ดแร่ (compositional banding) อันเนื่องจากการตกผลึกที่ระดับอุณหภูมิ ความเข้มข้นต่างกันในหินอัคนี โครงสร้างรูปหมอน (pillow structure) ในหินอัคนีปะทุสู่ผิวโลกและไหลไปตามท้องน้ำ โครงสร้างแบบปฐมภูมิแสดงลักษณะโครงสร้างที่เกิดระหว่างกระบวนการเกิดเป็นหิน โดยมีผลมาจากการสิ่งแวดล้อมในขณะนั้น

โครงสร้างทุติยภูมิ (Secondary Structures)

โครงสร้างทุติยภูมิเป็นโครงสร้างที่ เกิดจากหินถูกแรงมากระทำ และทำให้เกิดการเปลี่ยนลักษณะไปจากเดิม การแยกระหว่างโครงสร้างปฐมภูมิและทุติยภูมิ หากไม่เข้าใจโครงสร้างปฐมภูมิ อาจทำให้เกิดความสับสน อาจแบ่งแยกผิด โครงสร้างทุติยภูมิที่สำคัญ ได้แก่ รอยแยก (joint) รอยแตกเฉือน (shear fracture) รอยเลื่อน (fault) ชั้นหินคดโค้ง (fold) แนวแตกเรียบ (cleavage) ริ้วขนาน (foliation) โครงสร้างแนวเส้น (lineation) และ เขตรอยเฉือน (shear zone)

การจัดประเภทของโครงสร้างทางธรณีวิทยา

โครงสร้างทางธรณีวิทยา (Geological Structure) หมายถึง “ลักษณะรูปทรงเรขาคณิตที่เด่น ๆ (Geometric Feature) ที่มีรูปร่าง (Shape) รูปทรงสัณฐาน (Form) การกระจายหรือการวางตัว (Distribution) ที่สามารถบรรยายลักษณะเหล่านั้นได้” โครงสร้างทางธรณีวิทยาที่สำคัญดังที่กล่าวมาแล้ว 8 โครงสร้าง ได้แก่ รอยเลื่อน รอยแยก รอยแตกเฉือน ชั้นหินคดโค้ง แนวแตกเรียบ ริ้วขนาน โครงสร้างแนวเส้น และเขตรอยเฉือน และจากนิยามของโครงสร้างที่ได้กล่าวมาแล้ว สามารถจัดแบ่งเป็นประเภท ๆ เช่น

การจัดแบ่งโดยพิจารณาการยึดเกาะเมื่อมีการเปลี่ยนลักษณะ (Cohesion During Deformation)

โดยพิจารณามาตราส่วนแบบ Mesoscopic แบ่งได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่

1. โครงสร้างการเปลี่ยนลักษณะแบบเปราะ (Brittle Deformation Structures) เป็นโครงสร้างที่สูญเสียการยึดเกาะระหว่างผิว
2. โครงสร้างการเปลี่ยนลักษณะแบบอ่อนนิ่ม หรือพลาสติก (Ductile or Plastic Deformation Structures) เป็นโครงสร้างที่สูญเสียการยึดเกาะระหว่างผิว
3. โครงสร้างการเปลี่ยนลักษณะแบบกึ่งเปราะ หรือ กึ่งอ่อนนิ่ม (Semi brittle or Semi ductile Deformation Structures) พบทั้งสองลักษณะคือเปราะและอ่อนนิ่มในโครงสร้างเดียวกัน

การจัดแบ่งโดยพิจารณารูปทรงทางเรขาคณิตที่ปรากฏของโครงสร้าง (Geometry)

การจัดแบ่งโดยพิจารณารูปทรงทางเรขาคณิตที่ปรากฏของโครงสร้าง (Geometry) แบ่งได้เป็นสองชนิดใหญ่ ๆ ได้แก่

1. โครงสร้างแบบระนาบตรงและระนาบโค้ง (Planar and Curiviplanar Structures) ได้แก่ รอยเลื่อน รอยแยก แนวแตกเรียบ ริ้วขนาน เป็นต้น
2. โครงสร้างแนวเส้น (Lineation Structures) ได้แก่ แนวการเรียงตัวของเม็ดแร่ รอยครูด แนวตัดกันของระนาบสองระนาบ เป็นต้น

การจัดแบ่งโดยพิจารณาปัจจัยที่ทำให้เกิดโครงสร้าง (Geologic Significance)

การจัดแบ่งโดยพิจารณาปัจจัยที่ทำให้เกิดโครงสร้าง (Geologic Significance) แบ่งได้เป็นสองชนิดใหญ่ ๆ ได้แก่

1. โครงสร้างปฐมภูมิและโครงสร้างที่ไม่เกิดจากผลของกระบวนการแปรสัณฐาน (Primary and Non Tectonic Structures) ได้แก่ โครงสร้างที่เกิดพร้อมกับหิน (Primary Structures) โครงสร้างที่เกิดจากเลื่อนไถลไปตามแรงโน้มถ่วงของโลก (Local Gravity Driven Structures) โครงสร้างที่เกิดจากการปูดของโดมเกลือหรือโคลน (Local Density-Inversion Driven Structures) เนื่องจากมีน้ำหนักกดทับที่มีความแน่นสูงมากกว่า ทำให้เกลือหรือโคลนที่มีความหนาแน่นน้อยที่อยู่ข้างล่างปะทุหรือปูดขึ้นเป็นโดม หรือรูปร่างต่าง ๆ รวมทั้งโครงสร้างที่เกิดจากผลของการหายไปของแรงดัน (Pressure Release Structures)
2. โครงสร้างที่เกิดจากผลของกระบวนการแปรสัณฐาน (Tectonic Structures) หรือโครงสร้างทุติยภูมิ (Secondary Structures) เป็นโครงสร้างที่เกิดจากแรงที่เป็นผลจากการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก (Plate Tectonics) ธรณีวิทยาโครงสร้างเบื้องต้น

การจัดแบ่งโดยพิจารณาจากผลของการกระจายตัวจากการเปลี่ยนลักษณะในเนื้อหิน (Distribution of Deformation in a Volume of Rock)

การจัดแบ่งโดยพิจารณาจากผลของการกระจายตัวจากการเปลี่ยนลักษณะในเนื้อหิน (Distribution of Deformation in a Volume of Rock) ซึ่งการพิจารณาประเภทนี้ขึ้นอยู่กับมาตราส่วนที่พิจารณา กรณีแบบทะลุทะลวงหากพิจารณาหินจากหินตัวอย่างเป็นแบบทะลุทะลวง แต่หากพิจารณาจากกล้องจุลทรรศน์เป็นแบบไม่ต่อเนื่อง เป็นต้น แบ่งได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่

1. โครงสร้างที่การเปลี่ยนลักษณะแบบต่อเนื่องทะลุทะลวงทั่วทั้งเนื้อหิน (Penetrative) เช่น แนวแตกเรียบแบบหินชนวน ริ้วขนานในหินชีสต์ หรือริ้วขนานในหินไนส์
2. โครงสร้างแบบไม่ต่อเนื่อง เกิดเฉพาะส่วน (Discrete)
3. โครงสร้างแบบเฉพาะที่ (Localized) จะเป็นโครงสร้างที่เป็นแบบต่อเนื่องหรือทะลุทะลวง แต่พบในบริเวณที่แคบ ๆ มีขอบเขต เช่น แนวแตกเรียบตามแนวรอยเฉือน

การจัดแบ่งโดยพิจารณาจากผลของความเครียด (Strain Significance)

การจัดแบ่งโดยพิจารณาจากผลของความเครียด (Strain Significance) แบ่งได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่

1. โครงสร้างที่เป็นผลจากการหดสั้น (Contractional Structures) เช่น โครงสร้างการคดโค้ง โครงสร้างจากการเลื่อยแบบรอยเลื่อนย้อน
2. โครงสร้างที่เป็นผลจากการยืด (Extensional Structures) เช่น โครงสร้างจากการเลื่อนแบบรอยเลื่อนปกติ
3. โครงสร้างที่เป็นจากการเคลื่อนที่ไม่เกิดการยืดหรือหด (Strike-slip Structures) เช่น โครงสร้างจากการเลื่อนแบบรอยเลื่อนด้านข้าง (Strike-slip Faults)

อ้างอิง

• เพียงตา สาตรักษ์, 2546, ธรณีวิทยาโครงสร้าง, พิมพ์ครั้งที่ 2, ขอนแก่น: โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยขอนแก่น, 550 หน้า
• เพียงตา สาตรักษ์, 2544, คู่มือปฏิบัติการธรณีวิทยาโครงสร้าง, ขอนแก่น: โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยขอนแก่น, 272 หน้า
• Davis, G. H., and Reynolds, S. J. 1996. Structural geology of rocks and regions. 2nd ed. New York: John Willey & Sons, Inc. 776p.
• Hatcher, R.D. 1995. Structural geology: Principles, concepts, and problems. 2nd ed. New Jersey: Prince Hall. 525p.
• http://www.strucsolutions.com/ เก็บถาวร 2013-06-26 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน Monterey Formation