รายวิชาโลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ พื้นฐาน

บทที่ 1 โครงสร้างโลก

ณัฐพงษ์ บุญปอง (B.Ed./M.Ed.)

Bodindecha (Sing Singhaseni) School

เคยสงสัยหรือไม่ว่า...

- โลกที่เราอยู่ทุกวันนี้มีก าเนิดมาอย่างไร? - มีโครงสร้างเป็นอย่างไร? - จะมีวิธีใดบ้างที่จะศึกษาโครงสร้างโลกได้?

Earth - Part of Solar system - 4,600 million years ago

Solar system (Chapter 7)

12,755 kms

12,711 kms

1.1 การศึกษาโครงสร้าง

ทางตรง

การขุดเจาะส ารวจ - ชั้นหินโอฟีโอไลต์ - หินภูเขาไฟ อปก. ทางเคมี อุกกาบาต หินดวงจันทร์

รัสเซีย 19 ปี

12.3 กม.

ทางอ้อม

ใช้ความรู้ทางธรณีฟิสิกส ์ - การใช้เครื่องมือวัดคลื่นแผ่นดินไหว - การวัดความเป็นแม่เหล็กของโลก - การวัดค่าแรงโน้มถ่วงบริเวณผิวโลก ศึกษาจากคลื่นไหวสะเทือน เช่น การทดลองนิวเคลียร์

ขณะเกิดแผ่นดินไหว

คลื่นไหวสะเทือน แบ่งเป็น 2 ประเภท คือ

คลื่นในตัวกลาง

คลื่นพื้นผิว

คล่ืนปฐมภูมิ (Primary wave, P wave)

คล่ืนทุตยิภูมิ (Secondary wave, S wave)

คลื่นเรลีย์ (LR) คลื่นเลิฟ (LQ)

Seismic wave

P wave - ผ่านตัวกลางได้ทั้ง (s) (l) และ (g) - คลื่นตามยาว

- 4-7 km/s

คล่ืนเส้นตรง คล่ืนจุด

S wave - ผ่านตัวกลางเฉพาะ (s) เท่านั้น - คลื่นตามขวาง

- 2-5 km/s

คล่ืนเส้นตรง คล่ืนจุด

: P wave > S wave

เม่ือคล่ืนทั้ง 2 เคล่ือนท่ีผ่านไปยังส่วนต่าง ๆ ของโลกก็จะเกิดการหักเหหรือเกิดการสะท้อนตรงบริเวณรอยต่อของโครงสร้างโลก ท่ีประกอบด้วยธาตุ สารต่าง ๆ หรือหิน ท่ีมีคุณสมบัติแตกต่างกัน จากหลักการดังกล่าวน ามาวิเคราะห์หาโครงสร้างของโลกได้ ตัวอย่างเช่น

ถ้าโครงสร้างภายในโลกประกอบด้วยของแข็งท่ีเป็นเนื้อเดียวกันตลอด P wave & S wave จะเคล่ือนท่ีด้วย คงท่ี ผิวโลกไปยังแก่นโลก

ท่ีระดับความลึก ประมาณ 100-400 kms เรียกว่า ชั้นฐานธรณีภาค P wave & S wave จะเคล่ือนท่ีด้วย ไม่คงท่ี ชั้นนี้เรียกว่า บริเวณความเร็วต่ า (low velocity zone)

ท่ีระดับความลึก ประมาณ 2,900 kms P wave & S wave จะเคล่ือนท่ีด้วย ท่ีลดลงอย่างมาก, S wave ไม่สามารถเคล่ือนท่ีต่อไปได้ เพราะแก่นโลกชั้นนอกมีสถานะเป็น (l)

ท่ีระดับความลึก ประมาณ 660 และ 5,140 kms P wave & S wave จะเคลื่อนท่ีด้วย ท่ีเพิ่มข้ึน

ท่ีระดับความลึก 5,140 kms ลงไป P wave & S wave จะเคล่ือนท่ีด้วย ท่ีเพิ่มขึ้นอย่างคงที่

1.2 การแบ่งโครงสร้างโลก แบ่งออกได้ 4 ชั้น โดยใช้เกณฑ์การเปลี่ยนแปลงความเร็ว ของคลื่นไหวสะเทือน ดังนี้

1. ธรณีภาค (lithosphere)

2. ฐานธรณีภาค (asthenosphere)

3. มีโซสเฟียร์ (mesosphere)

4. แก่นโลก (core)

1. ธรณีภาค (lithosphere)

- คลื่น P และ S เคลื่อนผ่านด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น - หนาประมาณ 100 kms - ประกอบด้วย หินที่เป็นของแข็ง

2. ฐานธรณีภาค (asthenosphere)

มีความเร็วไม่สม่ าเสมอ แบ่งเป็น 2 บริเวณ คือ

(1) เขตคล่ืนไหวสะเทือนมีความเร็วลดลง (low velocity zone) ลึก 100-400 kms ประกอบด้วยหินเหลวหนืด (2) เขตที่มีการเปลี่ยนแปลง (transitional zone) ลึก 400-600 kms ประกอบด้วยหินที่แข็งมาก

2 1

3. มีโซสเฟียร์ (mesosphere)

ลึก 660-2,900 kms ประกอบด้วยหินหรือสารที่มีสถานะเป็นของแข็ง

มีอุณหภูมิสูงตั้งแต่ 2,250–4,500 oC

4. แก่นโลก (core)

4.1 แก่นโลกชั้นนอก คือ มีความลึกประมาณ 2,900–5,140 กิโลเมตรจากผิวโลกเป็นบริเวณท่ีคล่ืน P มีความเร็วเพ่ิมขึ้นอย่างช้า ๆ ในขณะท่ีคล่ืน S ไม่สามารถเคล่ือนท่ีผ่านได้เนื่องจากแก่นโลกชั้นนอกประกอบด้วยสารท่ีมีสถานะเป็นของเหลว 4.2 แก่นโลกชั้นใน คือ คล่ืน S จะสามารถเคล่ือนท่ีได้อีกครั้งและคล่ืนไหวสะเทือนทั้งสองนี้จะมีความเร็วค่อนข้างคงท่ีเนื่องจากแก่นโลกชั้นในประกอบด้วยของแข็งท่ีมีเนื้อเดียวกันมีความลึกประมาณ 5,140 จนถึงจุดศูนย์กลางของโลก (6,371)

1

2

ยังแบ่งโครงสร้างโลกโดยส่วนประกอบทางกายภาพและทางเคมีของหิน รวมทั้งสารต่าง ๆ ออกได้เป็น 3 ชั้น ได้แก่

1. ชั้นเปลือกโลก (Crust) 2. ชั้นเน้ือโลก (Mantle) 3. ชั้นแก่นโลก (Core)

1) เปลือกโลกภาคพื้นทวีป (continental crust) หมายถึง ส่วนที่เป็นแผ่นดินทั้งหมด หนาประมาณ 35-40 กม. บางบริเวณอาจหนาถึง 70 กม. เช่น เทือกเขาหิมาลัย ประกอบด้วยธาตุซิลิคอน (Si) และอะลูมิเนียม (Al) เป็นส่วนใหญ่ 2) เปลือกโลกภาคพื้นมหาสมุทร (oceanic crust) หมายถึง เปลือกโลกส่วนที่ถูกปกคลุมด้วยน้้า หนาประมาณ 5-10 กม. ประกอบด้วยธาตุซิลิคอน (Si) และแมกนีเซียม (Mg) เป็นส่วนใหญ ่

1. ชั้นเปลือกโลก (Crust) แบ่งออกได้เป็น 2 บริเวณ

จากการศึกษาคลื่นไหวสะเทือน สรุปได้ว่า เปลือกโลกประกอบด้วย 2 ชั้น คือ 1. ชั้นบน ประกอบด้วย หินแกรนิต ที่เรียกว่า หินไซอัล (sial) 2. ชั้นล่าง เป็นชั้นที่มีหินบะซอลต์ ที่เรียกว่า หินไซมา (sima)

2. เนื้อโลก (Mantle) หนาประมาณ 2,895 กิโลเมตร

ประกอบด้วย แร่ธาตุที่เป็นของแข็ง มีแร่โอลิวีน (Olivine) จ านวนมาก (อปก. Mg Fe และซิลิกา, (Mg, Fe)2SiO4)

เนื้อโลกส่วนอื่น ๆ จะเป็นหินที่มีแร่ที่มี อปก ภายในที่มีคุณสมบัติแข็ง ความหนาแน่นสูง ทนต่อความดันและอุณหภูมิที่เกิดขึ้นภายในเนื้อโลกได ้

มีหินหนืดที่เรียกว่า แมกมาซึ่งหมุนวนอยู่ภายในโลกอย่างช้า ๆ ชั้นเนื้อโลกที่อยู่ถัดลงไปอีกเป็นชั้นล่างสุดอยู่ที่ความลึกตั้งแต่ 350 – 2,900 กิโลเมตร เป็นชั้นที่ เป็นของแข็งร้อนแต่แน่นและหนืดกว่า ตอนบนมีอุณหภูมิสูง ตั้งแต่ประมาณ 2,250 – 4,500 ๐C

รอยต่อระหว่างเปลือกโลกกับเนื้อโลก หรือแนวแบ่งเขตโมโฮโรวิซิก

แนวแบ่งเขตโมโฮโรวิซิก (Mohorovicic discontinuity) คือ พื้นผิวที่อยู่ระหว่างชั้นเปลือกโลกและชั้นเนื้อโลก ซึ่งไม่สามารถศึกษาระดับความลึกของชั้นรอยต่อได้ จึงต้องอาศัยความรู้จากความเร็วของคล่ืนไหวสะเทือนที่มีความเร็วเพิ่มขึ้น P wave เพิ่มเป็น 8 กม./วินาที S wave เพิ่มเป็น 4.5 กม./วินาที ท าให้ทราบรอยต่อ ว่ามีความหนาประมาณ 0.1-0.5 กม.

มีความดันสูง 3-4 ล้านเท่าของ atm ท่ีระดับน้ าทะเล แบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ 3.1 แก่นโลกชั้นนอก (Outer Core) มีความลึกตั้งแต่ 2,900–5,140 กิโลเมตร จากผิวโลก คล่ืน P มีความเร็วเพ่ิมขึ้นอย่างช้า ๆ ในขณะท่ีคล่ืน S ไม่สามารถเคล่ือนท่ีผ่านชั้นดังกล่าวได้ มี เหล็กและนิกเกิล ในสภาพหลอมละลาย

3. แก่นโลก (Core)

3.2 แก่นโลกชั้นใน (Inner Core) ลึกถัดจากชั้นนอกลงไปถึงใจกลางโลก ท่ีระดับความลึกประมาณ 5,140 กิโลเมตรจากผิวโลก คล่ืน P จะมีความเร็วเพ่ิมขึ้น และเกิดคล่ืน S เคล่ือนท่ีอีกครั้งและคล่ืนสั่นสะเทือนทั้ง 2 จะเคล่ือนท่ีไปยังจุดศูนย์กลางของโลก เนื่องจากองค์ประกอบคล้ายแก่นโลกชั้นนอกแต่อยู่ใน

สภาพของแข็ง มีความดันและอุณหภูมิสูงมากถึง 6,000 C

จากการท่ีแก่นโลกมีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบจ านวนมาก ท าให้นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่า สนามแม่เหล็กโลกน่าจะเกิดข้ึนจากกระบวนการต่าง ๆ ท่ีเกิดข้ึนในแก่นโลก

P wave shadow zone

S wave shadow zone

The End