แผ่นเปลือกโลก

ทวีปในอดีต

อัลเฟรด เวเกเนอร์ (Alfred Wegener) นักอุตุนิยมวิทยาชาวเยอรมันในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ตั้งข้อสังเกตว่า รูปร่างโค้งชายฝั่งตะวันออกของทวีปอเมริกาใต้สอดรับกับโค้งชายฝั่งตะวันตกของทวีปแอฟริกา เขาได้ตั้งสมมติฐานว่า เมื่อประมาณสองร้อยล้านปีมาแล้ว ทวีปทั้งหลายเคยอยู่ชิดติดกันเป็นมหาทวีปชื่อว่า พันเจีย (Pangaea) ซึ่งประกอบด้วยดินแดนตอนเหนือชื่อ ลอเรเซีย (Laurasia) และดินแดนตอนใต้ชื่อ กอนด์วานา (Gondwana) ดังภาพที่ 1 โดยมีหลักฐานสนับสนุนได้แก่ รูปร่างโค้งเว้าของทวีป ฟอสซิลไดโนเสาร์และพืชโบราณ  ร่องรอยของธารน้ำแข็งและภูมิอากาศในอดีต รวมทั้งโครงสร้างทางธรณีวิทยา เช่น องค์ประกอบและอายุหิน ภาพที่ 1  มหาทวีป "พันเจีย"         นักธรณีวิทยาพบว่า ทวีปที่สัณนิษฐานว่า เคยอยู่ชิดติดกัน จะมีซากฟอสซิลที่เหมือนกัน เช่น ไซโนกาทัส (Cynogathus) สัตว์เลื้อยคลานในยุคไทรแอสสิคอาศัยอยู่ในบราซิลและแอฟริกา, ลีสโทรซอรัส (Lystrosaurus) อาศัยอยู่ในแอฟริกา อินเดีย และแอนตาร์กติก, มีโซซอรัส (Mesosaurus) อาศัยอยู่ในตอนใต้ของอเมริกาใต้และแอฟริกา, ต้นกลอสโซเทรีส (Grossoteris) เคยแพร่พันธุ์อยู่ในอเมริกา แอฟริกา อินเดีย แอนตาร์กติก และออสเตรเลีย ดังภาพที่ 2 ภาพที่ 2 การแพร่พันธุ์ของสัตว์ในอดีต        นักอุตุนิยมวิทยาพบร่องรอยของธารน้ำแข็งโบราณในทวีปอเมริกาใต้ แอฟริกา อินเดีย ออสเตรเลีย และแอนตาร์กติก  นักธรณีวิทยาพบว่า ภายใต้พื้นที่ทะเลทรายของอเมริกาเหนือและเอเชียกลาง ซึ่งเป็นแหล่งถ่านหินและน้ำมันดิบในปัจจุบัน  ในอดีตเคยเป็นเขตศูนย์สูตรซึ่งอุดมไปด้วยป่าไม้ขนาดใหญ่ ซึ่งกลายเป็นแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิลในปัจจุบัน  ดังภาพที่ 3   นอกจากนี้นักธรณีได้ทำการตรวจสอบอายุหินฐานซึ่งวางตัวอยู่ชั้นล่างสุด ในบริเวณตอนใต้ของทวีปอเมริกาใต้ แอฟริกา อินเดีย ออสเตรเลีย และแอนตาร์กติก พบว่าหินบริเวณเหล่านี้มีอายุเก่าไล่เลี่ยกัน  ภาพที่ 3  สภาพภูมิอากาศในอดีต สีเขียวคือป่าเขตร้อน สีขาวคือธารน้ำแข็ง          ในปี พ.ศ.2509 นักธรณีวิทยาชาวแคนาดาชื่อ จอห์น ทูโซ วิลสัน (John Tuzo Wilson) ได้ตั้งสมมติฐานว่า เปลือกโลกถูกทำลายและสร้างขี้นใหม่ในลักษณะรีไซเคิลทุกๆ 500 ล้านปี เนื่องจากโลกของเรามีเส้นรอบวงยาวประมาณ 40,000 กิโลเมตร จึงคำนวณได้ว่า เปลือกโลกเคลื่อนที่ด้วยความเร็วปีละ 4 เซนติเมตร ดังนั้นเปลือกโลกซึ่งแยกตัวออกจากกันในซีกโลกหนึ่ง จะเคลื่อนที่ไปชนกันในซีกโลกตรงข้ามโดยใช้เวลาประมาณ 500 ล้านปี ดูรายละเอียดในภาพที่ 4  ภาพที่ 4 วัฏจักรวิลสัน         เปลือกโลกมหาสมุทรเกิดขึ้นใหม่จากการโผล่ขึ้นของหินหนืดในจุดร้อน (Hot spot) ใต้เปลือกโลก  หินหนืดจากฐานธรณีภาคดันเปลือกทวีปทั้งสองให้แยกจากกัน และเคลื่อนที่ไปชนกับเปลือกโลกมหาสมุทรในซีกโลกฝั่งตรงข้าม ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าให้จมตัวลง การชนกันทำให้มหาสมุทรทางด้านตรงข้ามมีขนาดเล็กลง ดังภาพที่ 4 (ก)           จากนั้นเปลือกโลกทวีปเคลื่อนที่ไปชนกัน ทำให้เกิดมหาทวีปในซีกโลกหนึ่ง (เช่น พันเจีย) และเกิดมหาสมุทรขนาดใหญ่ในซีกตรงข้าม ดังภาพที่ 4 (ข)         เมื่อเวลาผ่านไป หินหนืดที่เกิดจากจุดร้อนใต้เปลือกโลก ดันให้เปลือกโลกทวีปเแยกออกจากกัน เกิดเปลือกโลกมหาสมุทรขึ้นมาใหม่ ดันเปลือกทวีปให้แยกตัวจากกัน และเคลื่อนที่ไปชนกับเปลือกโลกมหาสมุทรในซีกตรงข้าม มหาสมุทรจึงมีขนาดเล็กลง ดังภาพที่ 4 (ค)  และท้ายที่สุดเปลือกทวีปทั้งสองก็จะชนกันเป็นมหาทวีปอีกครั้ง กระบวนการเช่นนี้เรียกว่า วัฏจักรวิลสัน (Wilson's cycle)

อัลเฟรด เวเกเนอร์ (Alfred Wegener) นักอุตุนิยมวิทยาชาวเยอรมันในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ตั้งข้อสังเกตว่า รูปร่างโค้งชายฝั่งตะวันออกของทวีปอเมริกาใต้สอดรับกับโค้งชายฝั่งตะวันตกของทวีปแอฟริกา เขาได้ตั้งสมมติฐานว่า เมื่อประมาณสองร้อยล้านปีมาแล้ว ทวีปทั้งหลายเคยอยู่ชิดติดกันเป็นมหาทวีปชื่อว่า พันเจีย (Pangaea) ซึ่งประกอบด้วยดินแดนตอนเหนือชื่อ ลอเรเซีย (Laurasia) และดินแดนตอนใต้ชื่อ กอนด์วานา (Gondwana) ดังภาพที่ 1 โดยมีหลักฐานสนับสนุนได้แก่ รูปร่างโค้งเว้าของทวีป ฟอสซิลไดโนเสาร์และพืชโบราณ  ร่องรอยของธารน้ำแข็งและภูมิอากาศในอดีต รวมทั้งโครงสร้างทางธรณีวิทยา เช่น องค์ประกอบและอายุหิน

 

ภาพที่ 1  มหาทวีป "พันเจีย"

นักธรณีวิทยาพบว่า ทวีปที่สัณนิษฐานว่า เคยอยู่ชิดติดกัน จะมีซากฟอสซิลที่เหมือนกัน เช่น ไซโนกาทัส (Cynogathus) สัตว์เลื้อยคลานในยุคไทรแอสสิคอาศัยอยู่ในบราซิลและแอฟริกา, ลีสโทรซอรัส (Lystrosaurus) อาศัยอยู่ในแอฟริกา อินเดีย และแอนตาร์กติก, มีโซซอรัส (Mesosaurus) อาศัยอยู่ในตอนใต้ของอเมริกาใต้และแอฟริกา, ต้นกลอสโซเทรีส (Grossoteris) เคยแพร่พันธุ์อยู่ในอเมริกา แอฟริกา อินเดีย แอนตาร์กติก และออสเตรเลีย ดังภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การแพร่พันธุ์ของสัตว์ในอดีต

นักอุตุนิยมวิทยาพบร่องรอยของธารน้ำแข็งโบราณในทวีปอเมริกาใต้ แอฟริกา อินเดีย ออสเตรเลีย และแอนตาร์กติก  นักธรณีวิทยาพบว่า ภายใต้พื้นที่ทะเลทรายของอเมริกาเหนือและเอเชียกลาง ซึ่งเป็นแหล่งถ่านหินและน้ำมันดิบในปัจจุบัน  ในอดีตเคยเป็นเขตศูนย์สูตรซึ่งอุดมไปด้วยป่าไม้ขนาดใหญ่ ซึ่งกลายเป็นแหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิลในปัจจุบัน  ดังภาพที่ 3   นอกจากนี้นักธรณีได้ทำการตรวจสอบอายุหินฐานซึ่งวางตัวอยู่ชั้นล่างสุด ในบริเวณตอนใต้ของทวีปอเมริกาใต้ แอฟริกา อินเดีย ออสเตรเลีย และแอนตาร์กติก พบว่าหินบริเวณเหล่านี้มีอายุเก่าไล่เลี่ยกัน 

 

ภาพที่ 3  สภาพภูมิอากาศในอดีต สีเขียวคือป่าเขตร้อน สีขาวคือธารน้ำแข็ง 

        ในปี พ.ศ.2509 นักธรณีวิทยาชาวแคนาดาชื่อ จอห์น ทูโซ วิลสัน (John Tuzo Wilson) ได้ตั้งสมมติฐานว่า เปลือกโลกถูกทำลายและสร้างขี้นใหม่ในลักษณะรีไซเคิลทุกๆ 500 ล้านปี เนื่องจากโลกของเรามีเส้นรอบวงยาวประมาณ 40,000 กิโลเมตร จึงคำนวณได้ว่า เปลือกโลกเคลื่อนที่ด้วยความเร็วปีละ 4 เซนติเมตร ดังนั้นเปลือกโลกซึ่งแยกตัวออกจากกันในซีกโลกหนึ่ง จะเคลื่อนที่ไปชนกันในซีกโลกตรงข้ามโดยใช้เวลาประมาณ 500 ล้านปี ดูรายละเอียดในภาพที่ 4 

ภาพที่ 4 วัฏจักรวิลสัน

 

        เปลือกโลกมหาสมุทรเกิดขึ้นใหม่จากการโผล่ขึ้นของหินหนืดในจุดร้อน (Hot spot) ใต้เปลือกโลก  หินหนืดจากฐานธรณีภาคดันเปลือกทวีปทั้งสองให้แยกจากกัน และเคลื่อนที่ไปชนกับเปลือกโลกมหาสมุทรในซีกโลกฝั่งตรงข้าม ซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่าให้จมตัวลง การชนกันทำให้มหาสมุทรทางด้านตรงข้ามมีขนาดเล็กลง ดังภาพที่ 4 (ก) 

         จากนั้นเปลือกโลกทวีปเคลื่อนที่ไปชนกัน ทำให้เกิดมหาทวีปในซีกโลกหนึ่ง (เช่น พันเจีย) และเกิดมหาสมุทรขนาดใหญ่ในซีกตรงข้าม ดังภาพที่ 4 (ข)

        เมื่อเวลาผ่านไป หินหนืดที่เกิดจากจุดร้อนใต้เปลือกโลก ดันให้เปลือกโลกทวีปเแยกออกจากกัน เกิดเปลือกโลกมหาสมุทรขึ้นมาใหม่ ดันเปลือกทวีปให้แยกตัวจากกัน และเคลื่อนที่ไปชนกับเปลือกโลกมหาสมุทรในซีกตรงข้าม มหาสมุทรจึงมีขนาดเล็กลง ดังภาพที่ 4 (ค)  และท้ายที่สุดเปลือกทวีปทั้งสองก็จะชนกันเป็นมหาทวีปอีกครั้ง กระบวนการเช่นนี้เรียกว่า วัฏจักรวิลสัน (Wilson's cycle)

แผ่นธรณี

เปลือกโลกมิได้เป็นแผ่นเดียวต่อเนื่องเหมือนลูกปิงปอง หากแต่เหมือนเปลือกไข่ที่แตกร้าวหลายแผ่นเรียงชิดติดกันเรียกว่า “แผ่นธรณี” (Plate) โดยมีจำนวนประมาณ 15 เพลต แผ่นธรณีที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ ได้แก่ แผ่นแปซิฟิก แผ่นอเมริกาเหนือ แผ่นอเมริกาใต้ แผ่นยูเรเซีย  แผ่นแอฟริกา แผ่นอินโด-ออสเตรเลีย และแผ่นแอนตาร์กติก เป็นต้น  แผ่นแปซิฟิกเป็นแผ่นธรณีที่มีขนาดใหญ่ที่สุด  กินอาณาเขตหนึ่งในสามของพื้นผิวโลก ดังภาพที่ 1  ภาพที่ 1 แผ่นธรณี (คลิกที่ภาพเพื่อดูรูปใหญ่)           หลังจากที่โลกก่อกำเนิดมาเมื่อ 4,600 ล้านปีที่แล้ว โลกค่อยๆ เย็นตัวลงอย่างช้าๆ ภายในแก่นกลางโลกยังร้อนระอุด้วยแรงกดดันจากแรงโน้มถ่วง และกัมมันตภาพรังสีซึ่งเกิดจากการสลายตัวของธาตุที่อยู่ภายใน   ดังนั้นเปลือกโลกซึ่งอยู่บนขอบด้านนอกสามารถแผ่ความร้อนคืนสู่อวกาศ  จึงเย็นตัวได้เร็วกว่าขั้นที่อยู่ภายใน  ชั้นที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเปลี่ยนแปลงของแผ่นธรณีมีสองส่วนคือ ธรณีภาคและฐานธรณีภาค          ธรณีภาค (Lithosphere) ประกอบด้วย เปลือกโลกทวีป เปลือกโลกมหาสมุทร และเนื้อโลกชั้นบนสุด (Uppermost Mantle) ซึ่งเปรียบเสมือนสายพานรองรับเปลือกโลกอีกทีหนึ่ง มีสถานะเป็นของแข็ง ดังภาพที่ 2 ภาพที่ 2  ธรณีภาคและฐานธรณีภาค          ฐานธรณีภาค (Asthenosphere) คือบริเวณเนื้อโลกชั้นบน (Upper mantle) ซึ่งอยู่ใต้ธรณีภาคลงมา  อุณหภูมิที่สูงทำให้วัสดุในชั้นนี้เป็นของแข็งเนื้ออ่อน เคลื่อนที่ด้วยการพาความร้อน (Convection cell) คล้ายน้ำเดือดในหม้อต้มน้ำ  เมื่อมีอุณหภูมิสูงก็จะขยายตัวและลอยสูงขึ้น เมื่อเย็นตัวก็จะหดตัวและจมลง หมุนเวียนเรื่อยไปเป็นวัฏจักรดังภาพที่ 3  ฐานธรณีภาคจึงเปรียบเสมือนวงล้อที่ขับเคลื่อนสายพานซึ่งเป็นธรณีภาค ให้เคลื่อนที่จมตัวและเกิดขึ้นใหม่เป็นวัฏจักรหิน (Rock cycle) เราเรียกกระบวนการเช่นนี้ว่า "ธรณีแปรสัณฐาน ธรณีภาค" หรือ "เพลต เทคโทนิกส์" (Plate Tectonics) คำว่า "เพลต" หมายถึงแผ่นธรณีภาค  ส่วนคำว่า "เทคโทนิกส์" มาจากภาษากรีกหมายถึงการสร้างขึ้นใหม่ ฉะนั้นเพลต เทคโทนิกส์จึงแปลตรงตัวว่า กระบวนการสร้างแผ่นธรณี     ภาพที่ 3 แสดงให้เห็นกระบวนการธรณีแปรสัณฐานดังนี้  เซลล์การพาความร้อนจากภายในของโลก (Convection cell) ในฐานธรณีภาคดันพื้นมหาสมุทรขึ้นมากลายเป็น “สันเขาใต้มหาสมุทร” (Mid-ocean ridge) แมกมาซึ่งโผล่ขึ้นมา ผลักเปลือกโลกมหาสมุทรให้เคลื่อนที่ขยายตัวออกทางด้านข้าง เนื่องจากเปลือกโลกมหาสมุทรมีความหนาแน่นมากกว่าเปลือกโลกทวีป ดังนั้นเมื่อเปลือกโลกมหาสมุทรชนกับเปลือกโลกทวีป เปลือกโลกมหาสมุทรจะมุดตัวต่ำลงกลายเป็น “เหวมหาสมุทร” (Trench) และถูกหลอมละลายเป็นเนื้อโลกอีกครั้งหนึ่ง  มวลหินหนืดร้อนที่เกิดขึ้นจากการรีไซเคิลของเปลือกโลกมหาสมุทรที่จมตัวลง มีความหนาแน่นน้อยกว่าเนื้อโลก จึงลอยตัวแทรกขึ้นมาเป็นแนวภูเขาไฟ เช่น เทือกเขาแอนดีสทางฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้ ภาพที่ 3 กระบวนการธรณีแปรสัณฐาน          ที่บริเวณรอยต่อระหว่างแผ่นธรณีมีการเคลื่อนที่ 3 ลักษณะ ดังรูปที่ 4 (ก) แผ่นธรณีเคลื่อนที่แยกออกจากกัน  (ข)  แผ่นธรณีเคลื่อนที่ชนกันทำให้เกิดแผ่นดินไหวรุนแรงในระดับลึก  (3) แผ่นธรณีเคลื่อนที่ผ่านกัน หรือ แผ่นธรณีเคลื่อนที่เฉือนกัน บางครั้งเรียกว่า รอยเลื่อน ทำให้เกิดแผ่นดินไหวที่ระดับตื้น ดังภาพที่ 4 ภาพที่ 4 รอยต่อของแผ่นธรณี

เปลือกโลกมิได้เป็นแผ่นเดียวต่อเนื่องเหมือนลูกปิงปอง หากแต่เหมือนเปลือกไข่ที่แตกร้าวหลายแผ่นเรียงชิดติดกันเรียกว่า “แผ่นธรณี” (Plate) โดยมีจำนวนประมาณ 15 เพลต แผ่นธรณีที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ ได้แก่ แผ่นแปซิฟิก แผ่นอเมริกาเหนือ แผ่นอเมริกาใต้ แผ่นยูเรเซีย

 แผ่นแอฟริกา แผ่นอินโด-ออสเตรเลีย และแผ่นแอนตาร์กติก เป็นต้น  แผ่นแปซิฟิกเป็นแผ่นธรณีที่มีขนาดใหญ่ที่สุด 

กินอาณาเขตหนึ่งในสามของพื้นผิวโลก ดังภาพที่ 1 

ภาพที่ 1 แผ่นธรณี (คลิกที่ภาพเพื่อดูรูปใหญ่) 

    

    หลังจากที่โลกก่อกำเนิดมาเมื่อ 4,600 ล้านปีที่แล้ว โลกค่อยๆ เย็นตัวลงอย่างช้าๆ ภายในแก่นกลางโลกยังร้อนระอุด้วยแรงกดดันจากแรงโน้มถ่วง และกัมมันตภาพรังสีซึ่งเกิดจากการสลายตัวของธาตุที่อยู่ภายใน   ดังนั้นเปลือกโลกซึ่งอยู่บนขอบด้านนอกสามารถแผ่ความร้อนคืนสู่อวกาศ 

จึงเย็นตัวได้เร็วกว่าขั้นที่อยู่ภายใน  ชั้นที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการเปลี่ยนแปลงของแผ่นธรณีมีสองส่วนคือ ธรณีภาคและฐานธรณีภาค 

        ธรณีภาค (Lithosphere) ประกอบด้วย เปลือกโลกทวีป เปลือกโลกมหาสมุทร และเนื้อโลกชั้นบนสุด (Uppermost Mantle) ซึ่งเปรียบเสมือนสายพานรองรับเปลือกโลกอีกทีหนึ่ง มีสถานะเป็นของแข็ง ดังภาพที่ 2

ภาพที่ 2  ธรณีภาคและฐานธรณีภาค 

        ฐานธรณีภาค (Asthenosphere) คือบริเวณเนื้อโลกชั้นบน (Upper mantle) ซึ่งอยู่ใต้ธรณีภาคลงมา  อุณหภูมิที่สูงทำให้วัสดุในชั้นนี้เป็นของแข็งเนื้ออ่อน เคลื่อนที่ด้วยการพาความร้อน (Convection cell) คล้ายน้ำเดือดในหม้อต้มน้ำ  เมื่อมีอุณหภูมิสูงก็จะขยายตัวและลอยสูงขึ้น เมื่อเย็นตัวก็จะหดตัวและจมลง หมุนเวียนเรื่อยไปเป็นวัฏจักรดังภาพที่ 3  ฐานธรณีภาคจึงเปรียบเสมือนวงล้อที่ขับเคลื่อนสายพานซึ่งเป็นธรณีภาค ให้เคลื่อนที่จมตัวและเกิดขึ้นใหม่เป็นวัฏจักรหิน (Rock cycle) เราเรียกกระบวนการเช่นนี้ว่า "ธรณีแปรสัณฐาน ธรณีภาค" หรือ "เพลต เทคโทนิกส์" (Plate Tectonics) คำว่า "เพลต" หมายถึงแผ่นธรณีภาค  ส่วนคำว่า "เทคโทนิกส์" มาจากภาษากรีกหมายถึงการสร้างขึ้นใหม่ ฉะนั้นเพลต เทคโทนิกส์จึงแปลตรงตัวว่า กระบวนการสร้างแผ่นธรณี     ภาพที่ 3 แสดงให้เห็นกระบวนการธรณีแปรสัณฐานดังนี้ 

• เซลล์การพาความร้อนจากภายในของโลก (Convection cell) ในฐานธรณีภาคดันพื้นมหาสมุทรขึ้นมากลายเป็น “สันเขาใต้มหาสมุทร” (Mid-ocean ridge) แมกมาซึ่งโผล่ขึ้นมา ผลักเปลือกโลกมหาสมุทรให้เคลื่อนที่ขยายตัวออกทางด้านข้าง
• เนื่องจากเปลือกโลกมหาสมุทรมีความหนาแน่นมากกว่าเปลือกโลกทวีป ดังนั้นเมื่อเปลือกโลกมหาสมุทรชนกับเปลือกโลกทวีป เปลือกโลกมหาสมุทรจะมุดตัวต่ำลงกลายเป็น “เหวมหาสมุทร” (Trench) และถูกหลอมละลายเป็นเนื้อโลกอีกครั้งหนึ่ง 
• มวลหินหนืดร้อนที่เกิดขึ้นจากการรีไซเคิลของเปลือกโลกมหาสมุทรที่จมตัวลง มีความหนาแน่นน้อยกว่าเนื้อโลก จึงลอยตัวแทรกขึ้นมาเป็นแนวภูเขาไฟ เช่น เทือกเขาแอนดีสทางฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้

ภาพที่ 3 กระบวนการธรณีแปรสัณฐาน 

        ที่บริเวณรอยต่อระหว่างแผ่นธรณีมีการเคลื่อนที่ 3 ลักษณะ ดังรูปที่ 4 (ก) แผ่นธรณีเคลื่อนที่แยกออกจากกัน  (ข)  แผ่นธรณีเคลื่อนที่ชนกันทำให้เกิดแผ่นดินไหวรุนแรงในระดับลึก  (3) แผ่นธรณีเคลื่อนที่ผ่านกัน หรือ แผ่นธรณีเคลื่อนที่เฉือนกัน บางครั้งเรียกว่า รอยเลื่อน ทำให้เกิดแผ่นดินไหวที่ระดับตื้น ดังภาพที่ 4

ภาพที่ 4 รอยต่อของแผ่นธรณี