โครงสร้างภายในของโลก (Earth’s interior)

1. โครงสร้างภายในของโลก(Earth’s interior)

2. ตัวอย่างหินจากเหมืองแร่บางแห่งที่ลึกลงไป 2 - 3 กิโลเมตร หลุมผลิตน้ำมันอาจลึกได้ถึง 8 กิโลเมตรใต้ผิวดิน หรือ หลุมเจาะสำรวจที่เคยเจาะไว้ได้ความลึกมากที่สุด 12 กิโลเมตร ตัวอย่างจากบริเวณเหล่านี้สามารถนำมาศึกษาในทางธรณีวิทยาได้ แต่เมื่อเทียบกับขนาดของโลกซึ่งมีรัศมีถึง 6370 กิโลเมตร ตัวอย่างที่ได้มาจึงเป็นเพียงสะเก็ดเล็กๆของโลกเท่านั้นที่สามารถศึกษาได้โดยตรง

3. ส่วนซึ่งลึกลงไปใต้โลก ไม่สามารถศึกษาได้โดยตรง แต่โดยอาศัยวิธีการทางธรณีฟิสิกส์ (Geophysics) ซึ่งเป็นการประยุกต์ทฤษฎีทางฟิสิกส์มาศึกษาเกี่ยวกับโลก การศึกษาธรณีฟิสิกส์จะทำการวัดคลื่นไหวสะเทือน สนามแม่เหล็กโลก ความโน้มถ่วง และความร้อน สิ่งเหล่านี้ทำให้ทราบถึงธรรมชาติของโลกที่อยู่ระดับลึกลงไปและทำให้ทราบถึงโครงสร้างของโลกในที่สุด

4. คลื่นแผ่นดินไหวจากการเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ จะเดินทางผ่านส่วนในของโลกและมาปรากฏบนพื้นโลกได้ การทดลองระเบิดนิวเคลียส์ก็สามารถสร้างคลื่นไหวสะเทือนได้เช่นกัน นักธรณีวิทยาอาศัยคลื่นแผ่นดินไหวเหล่านี้ในการศึกษาถึงโครงสร้างของโลก

5. เมื่อเกิดคลื่นแผ่นดินไหวขึ้นภายในโลก คลื่นจะเดินทางออกจากจุดกำเนิดคลื่น เมื่อคลื่นเดินทางมาถึงบริเวณที่เป็นรอยต่อระหว่างหินที่มีความหนาแน่นต่างกัน คลื่นส่วนหนึ่งจะเกิดการสะท้อนกลับ (reflection) และบางส่วนจะหักเห (refraction) เมื่อเดินทางมาถึงพื้นโลกจะถูกบันทึกด้วยเครื่องมือ เวลาที่เคลื่อนใช้ในการเดินทางจากแหล่งกำเนิดคลื่น สะท้อนยังรอยต่อของหิน และเดินทางกลับขึ้นมายังพื้นโลก ทำให้นักธรณีวิทยาสามารถคำนวณหาความลึกของบริเวณรอยต่อของชั้นหินได้

8. โครงสร้างภายในของโลกได้มาจากการศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว โดยการศึกษาถึงระยะทางจากจุดโฟกัสถึงสถานีตรวจวัดและความเร็วของคลื่น โดยเหตุที่ความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นขึ้นอยู่กับสมบัติของตัวกลางที่คลื่นเดินทางผ่าน

9. โครงสร้างภายในของโลกออกได้เป็นส่วนต่างๆ ได้เป็น 3 ส่วนใหญ่ๆ คือ 1. ชั้นเปลือกโลก (crust) 2. ชั้นเนื้อโลก (mantle) 3. แกนโลก (core)

11. ชั้นเปลือกโลก(Crust) • ชั้นเปลือกโลกเป็นชั้นที่มีความหนาน้อยที่สุดและองค์ประกอบมีการเปลี่ยนแปลงมากที่สุด

12. ปี 1909Andrija Mohorovicic ผู้เชี่ยวชาญด้านแผ่นดินไหวชาวยูโกสลาเวีย ได้ทำการศึกษาจากคลื่นแผ่นดินไหว ที่เกิดขึ้นในบริเวณรัฐโครเอเชีย พบว่าชั้นเปลือกโลกเป็นของแข็ง สังเกตพบว่าความเร็วคลื่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่ระดับความลึก 50 กิโลเมตร ความเร็วคลื่นแผ่นดินไหวเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก แสดงให้เห็นว่า คลื่นแผ่นดินไหว ได้ผ่านหินที่มีส่วนประกอบที่ต่างกัน

14. รอยต่อที่พบจากการศึกษาครั้งนี้เป็นรอยต่อที่แบ่งระหว่าง ชั้นเปลือกโลกและชั้นเนื้อโลก ซึ่งเรียกกันในภายหลังว่า Mohorovicic discontinuity หรือเรียกอย่างสั้นๆว่า Moho หรือ M discontinuity จากการศึกษาในระยะต่อมาพบว่า ความลึกของตำแหน่ง Moho ในแต่ละบริเวณของโลกอยู่ที่ระดับความลึกไม่เท่ากัน

15. เปลือกโลกบริเวณที่อยู่ใต้มหาสมุทรจะมีความหนาน้อยกว่าบริเวณที่เป็นผืนทวีป และการเดินทางของคลื่นไหวสะเทือนในบริเวณเปลือกโลกใต้มหาสมุทรจะเร็วกว่าบริเวณที่เป็นผืนทวีป ความเร็วที่แตกต่างกันนี้แสดงให้เห็นว่าเปลือกโลกทั้ง 2 บริเวณประกอบขึ้นจากหินที่มีลักษณะแตกต่างกัน

17. ชั้นเปลือกโลกผืนทวีป (Continental crust) • ชั้นเปลือกโลกของทวีปเป็นส่วนที่ศึกษาได้จากพื้นผิวโลก คลื่นปฐมภูมิมีความเร็วประมาณ 6 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเป็นความเร็วเทียบได้กับความเร็วที่คลื่นเดินทางใน granite และ gneiss

18. เปลือกโลกผืนทวีปประกอบขึ้นจากหินหลายชนิด ส่วนซึ่งเป็นหินฐานราก (basement) ประกอบด้วย granite หินอัคนีเนื้อหยาบอื่นๆ gneiss และ schist ถูกปิดทับด้วยชั้นบางๆของหินตะกอน

19. ความหนาของเปลือกโลกผืนทวีป มีค่าเฉลี่ยอยู่ระหว่าง 30 ถึง 50 กิโลเมตร และมีค่าอยู่ในช่วง 10 - 70 กิโลเมตร บริเวณที่มีความหนามากมักอยู่ในบริเวณที่เป็นเทือกเขาสูง

21. ชั้นเปลือกโลกของทวีปแบ่งออกได้เป็น 2 ชั้นย่อยๆ คือ 1. ชั้นเปลือกโลกส่วนบน หรือ ชั้นไซแอล (Si, Al)(upper crustal layer หรือ Sialic layer) ความหนาประมาณ 16 กิโลเมตร ประกอบด้วย granite, granodiorite, gneiss 2. ชั้นเปลือกโลกส่วนล่าง หรือ ชั้นไซมา (Si,Mg)(lower crustal layer หรือ Simatic layer) ความหนาประมาณ 20 กิโลเมตรประกอบด้วย basalt

22. ชั้นเปลือกโลกใต้มหาสมุทร (Oceanic crust) • โครงสร้างชั้นเปลือกโลกใต้มหาสมุทร ได้จากการศึกษาหินภูเขาไฟตามเกาะต่างๆ พบว่าชั้นเปลือกโลกใต้มหาสมุทรแปซิฟิก มีอยู่เพียง 1 ชั้น มีส่วนประกอบเป็นชั้นไซมา (Simatic layer)

23. ความเร็วของคลื่นปฐมภูมิที่เดินทางผ่านเปลือกโลกใต้มหาสมุทรประมาณ 7 กิโลเมตรต่อวินาที เป็นความเร็วที่ใกล้เคียงกับที่คลื่นเดินทางผ่าน basalt และ gabbro ตัวอย่างหินที่เก็บได้จากพื้นทะเล พบว่าตอนบนของเปลือกโลกใต้มหาสมุทรเป็น basalt และส่วนล่างเป็น gabbro

24. ความหนาของเปลือกโลกใต้มหาสมุทรมีค่าเฉลี่ยประมาณ 7 กิโลเมตร ความหนาของชั้นเปลือกโลกใต้มหาสมุทรแปซิฟิกประมาณ 5 กิโลเมตร ความหนาปกติอยู่ในช่วง 5 - 8 กิโลเมตร

25. ชั้นเนื้อโลก(Mantle) • ชั้นเนื้อโลกเป็นชั้นที่อยู่ถัดจากชั้นเปลือกโลกลงไป จนถึงระดับความลึกประมาณ 2,900 กิโลเมตร เป็นส่วนซึ่งหนามากที่สุด ความเร็วของคลื่นแผ่นดินไหวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้นักธรณีวิทยาเชื่อว่าส่วนที่เป็นเนื้อโลกนั้นเป็นหินแข็ง มีความหนาแน่นสูง

27. คลื่นทุติยภูมิสามารถเดินทางในชั้นเนื้อโลกได้ แสดงว่าชั้นเนื้อโลกเป็นของแข็ง แต่อาจมีบางแห่งที่เป็นหินหลอมในบริเวณที่เป็นเปลือกโลกและเนื้อโลกตอนบน ความเร็วของคลื่นปฐมภูมิที่ 8 กิโลเมตรต่อวินาที เป็นหลักฐานยืนยันถึงชนิดหินที่ประกอบเป็นเนื้อโลกซึ่งต่างไปจากส่วนที่เป็นเปลือกโลก ส่วนประกอบของชั้นเนื้อโลกมีการเปลี่ยนแปลงบ้างทั้งในแนวดิ่งและในแนวราบ

28. ชั้นเนื้อโลกแบ่งออกได้เป็น 2 ส่วน 1. ชั้นเนื้อโลกส่วนบน (upper mantle) ประกอบด้วย dunite, echogite และ peridotite 2. ชั้นเนื้อโลกส่วนล่าง (lower mantle) ประกอบด้วยสารจำพวก oxides และ silicate

29. เปลือกโลกและเนื้อโลกส่วนบนเมื่อรวมกันแล้วจะเรียกว่า lithosphere มีลักษณะแข็งและเปราะ มีความหนาประมาณ 70 กิโลเมตรในบริเวณมหาสมุทร และ ประมาณ 125 กิโลเมตรในบริเวณที่เป็นผืนทวีป

30. โดยปกติคลื่นไหวสะเทือนจะมีความเร็วเพิ่มขึ้น เมื่อความลึกมากขึ้น แต่ที่ความลึกประมาณ 100 - 250 กิโลเมตร พบว่าคลื่นไหวสะเทือนเคลื่อนที่ได้ช้ากว่าชั้นหินที่ปิดทับอยู่ตอนบน เรียกบริเวณนี้ว่า low-velocity zone ในทางเพลตเทคโทนิกส์ เรียกบริเวณนี้ว่า asthenophere

32. หินในบริเวณ asthenophere นี้อยู่ในสภาวะที่ใกล้เคียงกับจุดหลอมเหลว ดังนั้นหินในบริเวณนี้จึงอาจเกิดการหลอมบางส่วนได้ การที่มีชั้นซึ่งอยู่ในสภาวะที่ใกล้จุดหลอมเหลว จึงอาจเป็นบริเวณที่ให้กำเนิดของแมกมา และหินในบริเวณนี้สามารถไหลได้

33. ข้อมูลจากคลื่นไหวสะเทือน แสดงให้เห็นว่าเนื้อโลกประกอบด้วยส่วนต่างๆหลายชั้น จากระดับความลึกตั้งแต่ 400 กิโลเมตร ถึง 700 กิโลเมตร ชั้นเหล่านี้มีส่วนประกอบที่เหมือนกัน แต่การแยกเป็นชั้นอาจเกิดเนื่องจากความดันที่แตกต่างกัน และที่ระดับความลึกประมาณ 700 กิโลเมตร ส่วนประกอบของเนื้อโลกจึงเริ่มเปลี่ยนจากบริเวณที่เป็นเนื้อโลกส่วนบนไปเป็นเนื้อโลกส่วนล่าง

35. รอยต่อระหว่างเนื้อโลกและแกนโลก ถูกค้นพบโดยผู้เชี่ยวชาญด้านแผ่นดินไหวชาวเยอรมัน Beno Gutenberg

37. แกนโลก (Core) • เป็นชั้นถัดจากชั้นเนื้อโลกลงไปตั้งแต่ระดับความลึกประมาณ 2,900 กิโลเมตรจนถึงจุดศูนย์กลางของโลกที่ระดับความลึกประมาณ 6,370 กิโลเมตร

38. ระดับความลึกประมาณ 2,900 กิโลเมตร ความเร็วของคลื่นปฐมภูมิมีค่าลดลงอย่างรวดเร็ว และคลื่นทุติยภูมิไม่สามารถเดินทางผ่านบริเวณนี้ได้ ทำให้เชื่อว่ามีการเปลี่ยนแปลงของวัตถุจากของแข็งไปเป็นของเหลว ซึ่งเป็นบริเวณรอยต่อระหว่างชั้นเนื้อโลกและชั้นแกนโลก ความเร็วของคลื่นปฐมภูมิเพิ่มขึ้นอีกครั้งหนึ่งที่ระดับความลึกประมาณ 5,100 กิโลเมตร ซึ่งเชื่อว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงสถานะของวัตถุจากของเหลวเป็นของแข็ง

40. การที่วัตถุมีสภาพเป็นของเหลวภายในโลกได้ เนื่องจากอุณหภูมิที่สูง ทำให้เกิดการหลอมเหลวของวัตถุ แต่เมื่อลึกลงไปจนถึงระดับหนึ่งที่ความกดดันเพิ่มขึ้น จนทำให้วัตถุกลายสภาพเป็นของแข็งได้อีกครั้ง

41. แกนโลกออกได้เป็น 2 ส่วน คือ 1. แกนโลกส่วนนอก (outer core) ซึ่งมีความหนาประมาณ 2,200 กิโลเมตรเป็นของเหลวหรือวัตถุที่มีลักษณะคล้ายของเหลวมีส่วนประกอบเป็นนิเกิลและเหล็กผสม และอาจมีธาตุที่เบากว่าเช่น ซิลิคอนหรือกำมะถัน ผสมอยู่ได้เล็กน้อย

42. 2. แกนโลกส่วนใน (inner core) ซึ่งมีรัศมี 1,270 กิโลเมตรเป็นวัตถุที่เป็นของแข็ง มีความหนาแน่นประมาณ 13 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งน่าจะประกอบด้วยเหล็กเป็นส่วนใหญ่ อาจมีนิเกิลและโคบอลต์อยู่บ้าง

43. แกนโลกเป็นส่วนที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กโลก ถึงแม้ว่ายังไม่มีตัวอย่างของแกนโลกแต่หลักฐานหลายอย่างก็บ่งบอกว่าแกนกลางของโลกเป็นเหล็ก

44. จากข้อมูลคลื่นไหวสะเทือน ความหนาแน่นของโลกมีค่าประมาณ 5.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตร ส่วนที่เป็นเปลือกโลกมีความหนาแน่นประมาณ 2.7 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตรสำหรับ granite และ 3.0 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตรสำหรับ basalt ส่วนซึ่งเป็นเนื้อโลกมีความหนาแน่นประมาณ 3.3 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตรสำหรับเนื้อโลกส่วนบน จนถึง 5.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตรสำหรับเนื้อโลกส่วนล่าง

45. จากการคำนวณพบว่าแกนโลกน่าจะมีความหนาแน่นประมาณ 10 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตรที่บริเวณรอยต่อระหว่างเนื้อโลกและแกนโลกส่วนนอก และมีความหนาแน่นประมาณ 12 - 13 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตรในบริเวณที่เป็นจุดศูนย์กลางของโลก เพื่อที่จะทำให้โลกมีความหนาแน่นเฉลี่ยประมาณ 5.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตร

46. หากว่าส่วนที่เป็นเปลือกโลกและเนื้อโลกมีปริมาตรเป็น 85 % ของปริมาตรทั้งหมด และมีความหนาแน่นเฉลี่ยน้อยกว่าค่าเฉลี่ยของโลกดังนั้นส่วนซึ่งประกอบเป็นแกนโลกจึงควรมีความหนาแน่นมากกว่า 5.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซ็นติเมตร