ดาราศาสตร์ บทที่1 โครงสร้างโลก

การแบ่งโครงสร้างโลกตามลักษณะกายภาพ

 การศึกษาโครงสร้างภายในของโลก โดยศึกษาการเดินทางของ “คลื่นซิสมิค” (Seismic waves)  
ซึ่งมี 2 ลักษณะ คือ  
คลื่นปฐมภูมิ (P wave) เป็นคลื่นตามยาวที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางนั้นเกิดการเคลื่อนไหวแบบอัดขยายในแนวเดียวกับที่คลื่นส่งผ่านไป คลื่นนี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ เป็นคลื่นที่สถานีวัดแรงสั่นสะเทือนสามารถรับได้ก่อนชนิดอื่น โดยมีความเร็วประมาณ 6 – 8 กิโลเมตร/วินาที คลื่นปฐมภูมิทำให้เกิดการอัดหรือขยายตัวของชั้นหิน
  คลื่นทุติยภูมิ (S wave) เป็นคลื่นตามขวางที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลางโดยอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนไหวตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นผ่าน มีทั้งแนวตั้งและแนวนอน คลื่นชนิดนี้ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น ไม่สามารถเดินทางผ่านของเหลว คลื่นทุติยภูมิมีความเร็วประมาณ 3 – 4 กิโลเมตร/วินาที คลื่นทุติยภูมิทำให้ชั้นหินเกิดการคดโค้ง  ขณะที่เกิดแผ่นดินไหว (Earthquake) จะเกิดแรงสั่นสะเทือนหรือคลื่นซิสมิคขยายแผ่จากศูนย์เกิดแผ่นดินไหวออกไปโดยรอบทุกทิศทุกทาง เนื่องจากวัสดุภายในของโลกมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน และมีสถานะต่างกัน คลื่นทั้งสองจึงมีความเร็วและทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไปดังภาพที่ 4 คลื่นปฐมภูมิหรือ P wave สามารถเดินทางผ่านศูนย์กลางของโลกไปยังซีกโลกตรงข้ามโดยมีเขตอับ (Shadow zone) อยู่ระหว่างมุม 100 – 140 องศา แต่คลื่นทุติยภูมิ หรือ S wave ไม่สามารถเดินทางผ่านชั้นของเหลวได้ จึงปรากฏแต่บนซีกโลกเดียวกับจุดเกิดแผ่นดินไหว โดยมีเขตอับอยู่ที่มุม 120 องศาเป็นต้นไป 

  ขณะที่เกิดแผ่นดินไหวจะเกิดแรงสั่นสะเทือน ทำให้คลื่นไหวสะเทือนเคลื่อนที่ออกจากศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหวโดยรอบทุกทิศทุกทาง  เนื่องจากวัสดุภายในของโลกมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน  และมีสถานะต่างกัน  คลื่นทั้งสองจึงมีความเร็วและทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไปดังภาพที่ 2   คลื่นปฐมภูมิ หรือ P wave สามารถเดินทางผ่านศูนย์กลางของโลกไปยังซีกโลกตรงข้ามโดยมีเขตอับคลื่น (Shadow zone) อยู่ระหว่างมุม 103°- 143°แต่คลื่นทุติยภูมิ หรือ S wave ไม่สามารถเดินทางผ่านของเหลวได้ จึงปรากฏแต่บนซีกโลกเดียวกับจุดเกิดแผ่นดินไหวตั้งแต่เขต 0° - 103°เท่านั้น 

นักธรณีวิทยาแบ่งโครงสร้างภายในของโลกออกเป็น 5 ส่วน โดยพิจารณาจากความเร็วของคลื่น P wave และ S wave 

ธรณีภาค (Lithosphere)  คือ ประกอบด้วยเปลือกโลกทวีป (Continental crust) และ เปลือกโลกมหาสมุทร (Oceanic crust)  คลื่น P wave และ S wave เคลื่อนที่ช้าลงจนถึงแนวแบ่งเขตโมโฮโรวิซิก(Mohorovicic discontinuity) ซึ่งอยู่ที่ระดับลึกประมาณ 100 กิโลเมตร

ฐานธรณีภาค (Asthenosphere) อยู่ใต้แนวแบ่่งเขตโมโฮโรวิซิกลงไปจนถึงระดับ 700 กิโลเมตร เป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วเพิ่มขึ้นตามระดับลึก โดยแบ่งออกเป็น 2 เขต ดังนี้

• เขตที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วต่ำ (Low velocity zone หรือ LVZ) ที่ระดับลึก 100 - 400 กิโลเมตร  P wave และ S wave มีความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างไม่คงที่ เนื่องจากบริเวณนี้เป็นของแข็งเนื้ออ่อน   อุณหภูมิที่สูงมากทำให้แร่บางชนิดเกิดการหลอมละลายเป็นหินหนืด (Magma)  
• เขตที่มีการเปลี่ยนแปลง (Transitional zone) อยู่บริเวณเนื้อโลกตอนบน (Upper mentle) ระดับลึก 400 - 700 กิโลเมตร   P wave และ S wave มีความเร็วเพิ่มขึ้นมาก ในอัตราไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากบริเวณนี้มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแร่ 

เมโซสเฟียร์ (Mesosphere) อยู่บริเวณเนื้อโลกชั้นล่าง (Lower Mantle) ที่ความลึก 700 - 2,900 กิโลเมตร เป็นบริเวณที่คลื่นไหวสะเทือนมีความเร็วสม่ำเสมอ เนื่องจากเป็นของแข็ง

แก่นชั้นโลกนอก (Outer core) ทึ่ระดับลึก 2,900 - 5,150 กิโลเมตร P wave ลดความเร็วลงฉับพลัน ขณะที่ S wave ไม่ปรากฏ ทั้งนี้เนื่องจากบริเวณนี้เป็นเหล็กหลอมละลาย

แก่นโลกชั้นใน (Inner core) ที่ระดับลึก 5,150 กิโลเมตร จนถึงความลึก 6,371 กิโลเมตร ที่จุดศูนย์กลางของโลก  P wave ทวีความเร็วขึ้น เนื่องจากความกดดันแรงกดดันภายในทำให้เหล็กเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง

การแบ่งโครงสร้างโลกตามองค์ประกอบเคมี

การแบ่งโครงสร้างโลกนักธรณีวิทยาแบ่งโครงสร้างภายในของโลก โดยพิจารณาจากองค์ประกอบทางเคมี ออกเป็น 3 ส่วน คือ ชั้นเปลือกโลก  เนื้อโลก  และแก่นโลก

1. ชั้นเปลือกโลก (crust) เป็นผิวโลกชั้นนอก มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นซิลิกาไดออกไซด์ และอะลูมิเนียมออกไซด์ ประกอบด้วยเปลือกโลกทวีปและเปลือกโลกมหาสมุทร

• เปลือกโลกทวีป (Continental crust)  ส่วนใหญ่เป็นหินแกรนิต มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น ซิลิกอน อะลูมิเนียม และออกซิเจน มีความหนาเฉลี่ย 35 กิโลเมตร  ความหนาแน่น 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร

• เปลือกโลกมหาสมุทร (Oceanic crust)  ส่วนใหญ่เป็นหินบะซอลต์ มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น มีเหล็ก แมกนีเซียม ซิลิกอน และออกซิเจน ความหนาเฉลี่ย 5 กิโลเมตร   ความหนาแน่น 3  กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร มากกว่าเปลือกทวีป  ดังนั้นเมื่อเปลือกโลกทั้งสองชนกัน เปลือกโลกทวีปจะถูกยกตัวขึ้น ส่วนเปลือกโลกมหาสมุทรจะจมลง และหลอมละลายเป็นแมกมาอีกครั้ง

2. ชั้นเนื้อโลก (mantle) คือส่วนซึ่งอยู่อยู่ใต้เปลือกโลกลงไปจนถึงระดับความลึก 2,900 กิโลเมตร   มีองค์ประกอบหลักเป็นซิลิคอนออกไซด์ แมกนีเซียมออกไซด์ และเหล็กออกไซด์ แบ่งออกป็น 3 ชั้น ได้แก่  

• เนื้อโลกตอนบนสุด (Uppermost sphere)  มีสถานะเป็นของแข็ง เป็นฐานรองรับเปลือกโลกทวีป และเปลือกโลกมหาสมุทร อยู่ใต้แนวแบ่งเขตโมโฮโรวิชิก เรียกโดยรวมว่า ธรณีภาค (Lithosphere) มีความหนาโดยรวมประมาณ 30 - 100 กิโลเมตร

• เนื้อโลกตอนบน (Upper mantle) หรือบางครั้งเรียกว่า ฐานธรณีภาค (Asthenosphere) อยู่ที่ระดับลึก 100 - 700 กิโลเมตร มีึลักษณะเป็นของแข็งเนื้ออ่อน  อุณหภูมิที่สูงมากทำให้แร่บางส่วนหลอมละลายเป็นหินหนืด (Magma) เคลื่อนที่หมุนวนด้วยการพาความร้อน (Convection)

• เนื่อโลกตอนล่าง (Lower mantle) มีสถานะเป็นของแข็งที่ระดับลึก 700 - 2,900 กิโลเมตร มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นเหล็ก แมกนีเซียม และซิลิเกท 

3. ชั้นแก่นโลก (core) คือส่วนที่อยู่ใจกลางของโลก มีองค์ประกอบหลักเป็นเหล็ก แบ่งออกเป็น 2 ชั้น 

• แก่นโลกชั้นนอก (Outer core) เป็นเหล็กในสถานะของเหลว เคลื่อนที่หมุนวนด้วยการพาความร้อน (Convection) ที่ระดับลึก 2,900 - 5150 กิโลเมตร เหล็กร้อนเบื้องล่างบริเวณที่ติดกับแก่นโลกชั้นในลอยตัวสูงขึ้น เมื่อปะทะกับแมนเทิลตอนล่างที่อุณหภูมิต่ำกว่าจึงจมตัวลง การเเคลื่อนที่หมุนวนเช่นนี้เหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก

• แก่นโลกชั้นใน (Inner core) ที่ระดับลึก 5,150 กิโลเมตร จนถึงใจกลางโลกที่ระดับลึก  6,370 กิโลเมตร ความดันมหาศาลกดทับทำให้เหล็กมีสถานะเป็นของแข็ง

  เมื่อพิจารณาองค์ประกอบทางเคมีในแต่ละชั้นภายในของโลก ดังภาพที่ 2 แล้วจะพบว่า ธาตุที่หมายเลขอะตอมมาก หรือมีความถ่วงจำเพาะสูง เช่น เหล็ก (atomic no: 26) จมลงสู่แก่นกลางของโลก  ธาตุที่มีหมายเลขอะตอมน้อย หรือมีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่า เช่น ออกซิิเจน อะลูมิเนียม และซิลิกอน (atomic no: 8, 13, 14) ลอยตัวขึ้นเป็นองค์ประกอบหลักของเปลือกโลก