แร่และหิน Minerals and Rocks

1. แร่และหินMinerals and Rocks

2. การเริ่มต้นศึกษาวิชาธรณีวิทยาที่ดีควรเริ่มจากการศึกษาแร่และหิน ซึ่งเป็นวัสดุพื้นฐานของส่วนประกอบของโลก กระบวนการต่างๆที่เกิดขึ้นบนพื้นโลก มีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงกับแร่และหิน ทั้งในด้านของการเกิดและการทำลาย ความรู้เกี่ยวกับแร่และหิน เป็นความรู้พื้นฐานที่ทำให้เข้าใจถึงส่วนอื่นๆของวิชาธรณีวิทยาได้ดีขึ้น

3. การทำความเข้าใจถึงกระบวนการต่างๆทางธรณีวิทยาที่เกิดขึ้น ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงกับแร่และหิน จำเป็นต้องทราบถึงส่วนประกอบพื้นฐานของวัตถุเหล่านี้ หินต่างๆที่ประกอบขึ้นเป็นพื้นผิวโลก ประกอบด้วยแร่ต่างๆ ส่วนที่เล็กที่สุดที่ประกอบขึ้นเป็นแร่คือ อะตอม

4. อะตอมและธาตุ (Atoms and Elements)

5. อะตอม (Atoms) • อะตอมเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสารทั้งหลายที่มีอยู่ในโลกและจักรวาล เป็นส่วนที่เล็กที่สุดซึ่งไม่สามารถแบ่งแยกออกได้อีกโดยวิธีทางเคมีหรือทางกายภาพ

6. อะตอมประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน 3 ชนิด คือ 1. นิวตรอน (neutron) เป็นอนุภาคที่มี ประจุไฟฟ้าเป็นกลาง มีมวล 1.00890 AMU (Atomic Mass Unit) 2. โปรตอน (proton) เป็นอนุภาคที่มี ประจุไฟฟ้าเป็นบวก มีมวล 1.00760 AMU 3. อิเล็กตรอน (electron) เป็นอนุภาคที่มี ประจุไฟฟ้าเป็นลบ มีมวล 0.00055 AMU

7. โครงสร้างภายในของอะตอมได้จากการศึกษาทดลองทางฟิสิกส์ โดยการยิงอะตอมด้วยอนุภาคที่มีความเร็วสูงมาก พบว่าพื้นที่ส่วนใหญ่ของอะตอมเป็นช่องว่าง มีนิวเคลียสขนาดเล็ก ซึ่งประกอบขึ้นจากโปรตอนและนิวตรอนอยู่ตรงกลาง มีอิเล็กตรอนซึ่งมีจำนวนเท่ากับโปรตอน วิ่งวนอยู่รอบนิวเคลียสด้วยความเร็วสูง ทำให้อะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า

9. อะตอมมีขนาดเล็กมากไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า แม้จะใช้กล้องจุลทรรศน์ที่มีกำลังขยายมากที่สุดก็ตาม ขนาดของอะตอมวัดจากวงโคจรของอิเล็กตรอน มีหน่วยเป็นแองสตรอม (Angstom) (A= 1 x 10-10m หรือ 0.0000000001 m) นิวเคลียสของอะตอมซึ่งมีขนาดเล็กมาก มีค่าอยู่ระหว่าง 1 x 10-4 ถึง 1 x 10-5 A

10. มวลของอะตอม ขึ้นอยู่กับมวลของโปรตอนและนิวตรอนที่อยู่ที่นิวเคลียสเท่านั้น จำนวนของโปรตอนและนิวตรอนที่มากขึ้นทำให้อะตอมมีขนาดใหญ่ขึ้น จำนวนของโปรตอนเป็นตัวกำหนดลักษณะต่างๆของอะตอม

11. ธาตุ (Elements) • ธาตุ เป็นสสาร มีองค์ประกอบที่ง่ายที่สุดเป็นอะตอม ในปัจจุบันมีธาตุต่างๆที่รู้จักกันดี มากกว่าร้อยธาตุ แต่ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติมี 92 ธาตุเท่านั้น ส่วนที่เหลือเกิดขึ้นในห้องปฏิบัติการ

13. ธาตุแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่มคือ 1. โลหะ (Metallic) 2. อโลหะ (Non-metallic) 3. กึ่งโลหะ (Semi-metallic or Metalloids)

14. ธาตุที่สำคัญที่พบมากบนพื้นโลก (โดยน้ำหนัก) ได้แก่ ออกซิเจน (O) 47.25%, ซิลิคอน (Si) 30.45%, อะลูมิเนียม (Al) 7.83%, เหล็ก (Fe) 3.54%, แคลเซียม (Ca) 2.87%, โพแทสเซียม (K) 2.82%, โซเดียม (Na) 2.45%, แมกนีเซียม (Mg) 1.3%, ไทเทเนียม (Ti) 0.47 %

15. ลักษณะสำคัญของแร่ (Characteristics of Minerals)

16. ส่วนประกอบของแร่ (Composition) • แร่ (Minerals) เป็นธาตุหรือสารประกอบทางเคมีที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ด้วยกระบวนการทางอนินทรีย์ ส่วนใหญ่เป็นของแข็ง มีโครงสร้างภายในที่เป็นระเบียบ มีสูตรเคมีและสมบัติอื่นๆที่แน่นอนคงที่หรืออาจเปลี่ยนแปลงได้ในวงจำกัด

17. สิ่งซึ่งสังเคราะห์ขึ้น แม้จะมีส่วนประกอบที่เหมือนกับแร่ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ ก็ไม่เรียกสิ่งนั้นว่าเป็นแร่ ในทำนองเดียวกันสิ่งซึ่งเปลี่ยนแปลงจากสัตว์หรือพืชเช่นน้ำมันหรือถ่านหิน ก็ไม่นับว่าเป็นแร่เช่นกัน

18. แร่ที่รู้จักกันอยู่ในปัจจุบันมีมากกว่า 4000 ชนิด แต่มีแร่น้อยกว่า 1% ที่เป็นแร่ที่พบได้ทั่วไปและเป็นแร่ที่ประกอบอยู่ในหิน แร่บางชนิดประกอบด้วยธาตุเพียงชนิดเดียว เช่น เพชร (C), ทอง (Au), เงิน (Ag), กำมะถัน (S) บางชนิดประกอบด้วยธาตุ 2 ธาตุ เช่น เกลือแกง (NaCl) มีแร่เป็นจำนวนมากที่ประกอบด้วยธาตุหลายชนิดที่สลับซับซ้อน

19. ผลึกและระบบผลึก (Crystal and Crystal System) • ผลึก เป็นของแข็งเนื้อเดียว มีโครงสร้างภายในที่เป็นระเบียบ

20. ระบบผลึก (Crystal System) เป็นการจัดแบ่งผลึกออกได้เป็นระบบต่างๆ โดยอาศัยลักษณะการวางตัวของแกน ได้เป็น 6 ระบบคือ 1. ระบบไอโซเมตริก (Isometric System) มีแกน 3 แกนยาวเท่ากัน และตัดกันเป็นมุมฉาก 2. ระบบเฮกซโกนอล (Hexagonal System) มีแกน 1 แกนอยู่ในแนวดิ่งวางตั้งฉากกับ 3 แกนที่ยาวเท่ากันอยู่ในแนวราบ ทำมุม 120 องศา

21. 3. ระบบเตตระโกนอล (Tetragonal System) มีแกน 1 แกนอยู่ในแนวดิ่งวางตั้งฉากกับ 2 แกนที่ยาวเท่ากันอยู่ในแนวราบ ทำมุมฉากซึ่งกันและกัน 4. ระบบออโทรอมบิค (Orthorhombic System) มีแกน 1 แกนอยู่ในแนวดิ่งวางตั้งฉากกับ 2 แกนอยู่ในแนวราบทำมุมฉากซึ่งกันและกัน โดยทั้ง 3 แกนมีความยาวเท่ากัน

22. 5. ระบบโมโนคลินิค (Monoclinic System) มีแกน 2 แกนทำมุมเอียงและแกนที่ 3 ตั้งฉากกับแกนทั้งสองที่ทำมุมเอียงกันอยู่ ความยาวของทั้งสามแกนไม่เท่ากัน 6. ระบบไตรคลินิค (Triclinic System) มีแกน 3 แกนที่ความยาวไม่เท่ากันและไม่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน

23. ความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) • เป็นอัตราส่วนของน้ำหนักของแร่ต่อน้ำหนักของน้ำที่มีปริมาตรเท่ากับก้อนแร่นั้น ความถ่วงจำเพาะของน้ำมีค่าเท่ากับ 1 แร่ประกอบหินทั่วไปมีค่าความถ่วงจำเพาะอยู่ระหว่าง 2.65 ถึง 3.37 ค่าความถ่วงจำเพาะของวัตถุจะมีค่าเท่ากับค่าความหนาแน่น (density) ของวัตถุนั้นซึ่งคำนวณจากมวลของวัตถุนั้นหารด้วยปริมาตรของวัตถุ มีหน่วยเป็นน้ำหนักต่อปริมาตร

25. ความถ่วงจำเพาะของแร่ขึ้นกับสมบัติ 2 ประการ คือ ชนิดของธาตุที่ประกอบขึ้นเป็นแร่ และ ลักษณะการจับตัวของอะตอมภายในโครงสร้างของแร่ แร่ที่ประกอบขึ้นจากธาตุที่มีน้ำหนักมากจะมีค่าความถ่วงจำเพาะสูง

27. ความแข็ง (Hardness) • ความแข็ง เป็นความคงทนของแร่ต่อการขูดขีด ขึ้นอยู่กับความเหนียวแน่นของการจับตัวของอะตอม ลำดับความแข็งของแร่กำหนดตามมาตราของ Fredrich Mohs (1773-1839) นักแร่วิทยา ชาวออสเตรีย (Mohs' scale of hardness) โดยอาศัยแร่ที่พบได้ทั่วไปในธรรมชาติ จากแร่ที่มีความแข็งมากที่สุดให้เท่ากับ 10 และที่น้อยที่สุดให้เท่ากับ 1 แร่ที่มีความแข็งมากกว่าสามารถขีดแร่ที่มีความแข็งน้อยกว่าให้เป็นรอยได้

28. การทดสอบความแข็งโดยอาศัยการขูดขีดจากแร่มาตราฐาน ในบางครั้งอาจทำได้ยาก เนื่องจากไม่สามารถหาแร่เหล่านี้มาทดสอบได้ การทดสอบความแข็งของแร่อาจอาศัยเครื่องมือที่อยู่ใกล้ตัวมาทดสอบได้ เช่น เล็บมือซึ่งมีความแข็งระหว่าง 2 ถึง 3 เหรียญทองแดงมีความแข็งระหว่าง 3 ถึง 4 มีดพกหรือกระจกมีความแข็งระหว่าง 5 ถึง 6 หรือ ตะไบเหล็กกล้ามีความแข็งระหว่าง 6 ถึง 7

30. ความแข็งมีประโยชน์อย่างมากในการจำแนกแร่ โดยเฉพาะแร่ต่างๆที่มีลักษณะภายนอกคล้ายคลึงกัน สังเกตเห็นความแตกต่างได้ยากก็อาจใช้ความแข็งเป็นตัวช่วยในการจำแนกชนิดของแร่ได้

31. Mohs' scale of hardness

32. สีและสีผง (Color and Streak) • สี เป็นลักษณะเฉพาะของแร่แต่ละชนิด เกิดจากปฏิกิริยาของแสงกับส่วนประกอบเคมีภายในแร่และทิศทางที่แสงตกกระทบก้อนแร่ แร่บางชนิดอาจมีเพียงสีเดียว แต่แร่อีกหลายชนิดที่สามารถมีได้หลายสี

33. แร่บางชนิดที่ผิวของแร่มักเกิดปฏิกิริยาเคมี สีที่เห็นบนผิวหน้าในลักษณะนี้เรียกว่า ความหมอง (tarnish) ในบางครั้งอาจมีอะตอมของธาตุอื่นเข้าไปปะปนในโครงสร้างของแร่ ทำให้สีของแร่เปลี่ยนไป เรียกลักษณะนี้ว่า มลทิน (impurities)

34. สีผง เป็นสีของแร่ที่ถูกบดให้ละเอียด ซึ่งแร่แต่ละชนิดจะให้สีผงเพียงสีเดียว สีผงของแร่อาจไม่จำเป็นต้องเป็นสีเดียวกับสีแร่ที่เห็น การทดสอบสีผงอย่างง่ายๆ ทำได้โดย ขีดแร่ลงบนแผ่นกระเบื้องไม่เคลือบ ที่เรียกว่า แผ่นสีผง (streak plate) สีของแร่ที่ติดอยู่บนแผ่นกระเบื้องจะเป็นสีผง

35. แนวแตก (Cleavage) • แนวแตก เกิดขึ้นตามระนาบในก้อนแร่ในบริเวณที่การจับตัวของอะตอมในโครงสร้างไม่แข็งแรง แนวแตกจะเกิดเป็นหน้าเรียบที่ขนานกัน เมื่อแนวแตกเดิมถูกทำลายไปจะเกิดแนวแตกขึ้นใหม่ที่ขนานกับแนวแตกเดิม

36. เนื่องจากแนวแตกเกิดขึ้นภายในโครงสร้างของแร่ ดังนั้นแร่แต่ละชนิดจะมีจำนวนทิศทางแนวแตกเพียงลักษณะเดียว ทำให้แนวแตกเป็นลักษณะที่สำคัญมากในการจำแนกชนิดของแร่ จำนวนทิศทางของแนวแตกมีตั้งแต่ 1 ถึง 6 ทิศทาง แร่บางชนิดอาจไม่มีแนวแตกได้

38. การแตก (Fracture) • การแตก เกิดขึ้นเมื่อมีแรงมากระทำกับก้อนแร่ มีทิศทางอย่างไรก็ได้ ไม่จำเป็นต้องเป็นหน้าเรียบ ไม่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างภายใน แร่ส่วนใหญ่มักมีการแตกแบบขรุขระ (Uneven)

39. การแตกแบบอื่นๆได้แก่ แบบฝาหอย (Concoidal) แบบเป็นเสี้ยน (Fibous) แบบเป็นเสี้ยนคล้ายไม้หัก (Splintery) แบบผิวขรุขระแหลมคม (Hackly) แบบเรียบ (Even)

41. ความเหนียว (Tenacity) • ความเหนียวหรือความคงทน เป็นสมบัติที่อธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงของแร่ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีแรงมากระทำ ขึ้นอยู่กับแรงยึดเหนี่ยวของอะตอมภายในโครงสร้าง

42. คำอธิบายสมบัติลักษณะความเหนียวหรือความคงทนได้แก่ เปราะ (Brittle) ตีเป็นแผ่นได้ (Malleable) ดึงเป็นเส้นได้ (Ductile) มีดตัดได้ (Sectile) งอได้ (Flexible) ยืดหยุ่นได้ (Elastic)

43. ประกาย (Luster) • ประกาย เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบนผิวหน้าของแร่เมื่อมีแสงมาตกกระทบ แบ่งได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่คือ พวกมีประกายแบบโลหะ (Metallic luster) พวกมีประกายแบบอโลหะ (Non-metallic luster)

44. การยอมให้แสงผ่าน (Diaphaneity) • การยอมให้แสงผ่านหรือความโปร่ง แบ่งได้เป็น 5 ลักษณะใหญ่ๆคือ โปร่งตาหรือโปร่งใส (Transparent) กึ่งโปร่งใส (Subtransparent) โปร่งแสง (Translucent) กึ่งโปร่งแสง (Subtranslucent) ทึบแสง (Opaque)

45. สมบัติอื่นๆ (Others Properties) 1. กลิ่น (Odor) 2. รส (Taste) 3. สัมผัส (Feel) 4. การเล่นแสง (Play of Color) 5. เป็นฟองเมื่อถูกกรด (Effervescence) 6. แม่เหล็กดูดติด (Magnetism) 7. การเรืองแสง (Fluorescence) 8. การหักเหซ้อน (Double Refraction)

47. การจำแนกแร่ (Mineral Classification) • การจัดจำแนกแร่โดยอาศัยกลุ่มของอิออนที่มารวมกันเป็นสารประกอบ สามารถแบ่งออกได้เป็น 11 กลุ่มใหญ่ๆ คือ 1. ธาตุบริสุทธิ์ (Native element) : ทอง (Au), เงิน (Ag), เพชร (C), กำมะถัน (S) 2. ซัลไฟต์และซัลโฟซอลต์ (Sulfide and Sulfosalt) : กาลีนา (PbS), ไพไรต์ (FeS2), คาลโคไพไรต์ (CuFeS2), สฟาเลอไรต์ (ZnS)

48. 3. ออกไซต์ (Oxides) : ฮีมาไทต์ (Fe2O3), แมกนีไทต์ (Fe3O4), แคสซิเทอไรต์ (SnO2), คอรันดัม (Al2O3) 4. เฮไลต์ (Halides) : ฟลูออไรต์ (CaF2), เฮไลต์ (NaCl) 5. คาร์บอเนต (Carbonates) : แคลไซต์ (CaCO3),โดโลไมต์ (MgCa(CO3)2) 6. ไนเตรท (Nitrates) : ดินประสิว (KNO3)

49. 7. บอเรต (Borates) : บอแรกซ์ (Na2B4O7.10H2O) 8. ซัลเฟตและโครเมต (Sulphates and Chromates) : ยิปซัม ((CaSO4).2H2O), แอนไฮไดรต์ (CaSO4), แบไรต์ (BaSO4) 9. ฟอสเฟต (Phosphates) : อะพาไทต์ (Ca5(F, Cl, OH)(PO4)3), โมนาไซต์ ((Ce, La, Y, Th)PO4)

50. 10. ทังสเตทและโมลิบเดท (Tungstates and Molybdates) : ชีไลต์ (CaWO4) 11. ซิลิเกต (Silicates) : ควอรตซ์ (Si02)