การผุพังทางกายภาพ มีอะไรบ้าง

ดิน เบื้องต้น

ดิน (soil) คือ วัตถุทางธรรมชาติที่ปกคลุมพื้นผิวโลกและช่วยในการเจริญเติบโตของพืช ประกอบด้วย เศษหินและแร่ ประมาณ 45% น้ำ ประมาณ 25% ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจนและก๊าซออกซิเจน ประมาณ 25% รวมทั้ง อินทรียวัตถุจากซากพืชซากสัตว์ อีกประมาณ ...

หินนาคา ภูลังกา กับธรณีวิทยาน่ารู้

ถ้ำนาคา ตั้งอยู่ในเขตอุทยานเเห่งชาติภูลังกา รอยต่อระหว่างจังหวัดบึงกาฬ-นครพนม (กรอบสีขาวในแผนที่) ซึ่งจุดเด่นที่น่าสนใจของถ้ำนาคาและพื้นที่โดยรอบนี้คือ การพบหินที่มีพื้นผิวคล้ายกับเกล็ดของสัตว์ขนาดยักษ์อยู่ทั่วไปในแถบนั้น ซึ่งตามคติชาวบ้านหรือความเชื่อในท้องถิ่นบางส่วนเชื่อว่านี่คือร่างของพญานาคที่ชาวบ้านเรียกว่า หลวงปู่อือลือ ถูกสาปให้ร่างกลายเป็นหินติดอยู่ในถ้ำแห่งนี้ อย่างไรก็ตาม ลักษณะพื้นผิวหินที่คล้ายกับเกล็ดปลาหรือเกล็ดพญานาคนี้ สามารถอธิบายได้ตามหลักวิชาการทางธรณีวิทยา บทความนี้จึงอยากจะเผยแพร่ความรู้ในมุมมองของวิทยาศาสตร์ โดยไม่ได้มีเจตนาที่จะลบหลู่ความเชื่อหรือคติชาวบ้านในพื้นที่แต่อย่างใด ในทางธรณีวิทยา เมื่อหินบนพื้นผิวโลกผ่านร้อนผ่านหนาวและผ่านกาลเวลามาซักระยะ หินก้อนใหญ่ๆ สามารถแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยได้ ...

หินก้อนใหญ่ ผุพังได้ยังไง ไปดูกัน

ในทางธรณีวิททยา การผุพัง (weathering) หมายถึง กระบวนการบนพื้นผิวโลกที่ทำให้หินย่อยสลายเป็นชิ้นขนาดเล็กลงโดยที่ไม่มีการเคลื่อนที่ของหินไปที่อื่น ซึ่งศักยภาพหรืออัตราการผุพังขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย 1) เสถียรภาพของแร่ประกอบหิน หินในแต่ละชนิดประกอบด้วยแร่ที่แตกต่างกัน ซึ่งจากหลักการของ ชุดปฏิกิริยาของโบเวน (Bowen’s reaction series) แร่ที่เกิดในช่วงอุณหภูมิสูง เช่น แร่โอลิวีน จะมีความเสถียรต่ำและผุพังได้ง่ายกว่าแร่ที่เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิต่ำ ...

ในทางธรณีวิททยา การผุพัง (weathering) หมายถึง กระบวนการบนพื้นผิวโลกที่ทำให้หินย่อยสลายเป็นชิ้นขนาดเล็กลงโดยที่ไม่มีการเคลื่อนที่ของหินไปที่อื่น ซึ่งศักยภาพหรืออัตราการผุพังขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย

1) เสถียรภาพของแร่ประกอบหิน หินในแต่ละชนิดประกอบด้วยแร่ที่แตกต่างกัน ซึ่งจากหลักการของ ชุดปฏิกิริยาของโบเวน (Bowen’s reaction series)แร่ที่เกิดในช่วงอุณหภูมิสูง เช่น แร่โอลิวีน จะมีความเสถียรต่ำและผุพังได้ง่ายกว่าแร่ที่เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิต่ำ ซึ่งใกล้เคียงกับสภาวะปกติของโลก เช่น แร่ควอซ์ตหรือไมกา

ชุดปฏิกิริยาของโบเวน

2) พื้นที่ผิว หินที่มีพื้นที่ผิวมากจะมีอัตราการผุพังที่สูง ดังนั้นยิ่งหินมีขนาดเล็ก อัตราการผุพังก็จะเร็วขึ้น รวมทั้งระยะเวลาที่หินโผล่บนพื้นผิวโลก ซึ่งยิ่งสัมผัสอากาศเป็นเวลานานยิ่งทำให้มีการผุพังมากขึ้นเช่นกัน

พื้นที่ผิวของหินที่สัมพันธ์กับอัตราการผุพัง

3) เนื้อหิน หินที่มีแนวรอยแตกมาก เช่น หินชนวน มีโอกาสผุพังได้ง่ายกว่าหินที่มีเนื้อมวลหนา เช่น หินปูนหรือหินอ่อน

4) ภูมิอากาศ อุณหภูมิและความชื้นเป็นปัจจัยสำคัญต่อการเร่งปฏิกิริยาในการผุพัง เช่น สภาพอากาศร้อนชื้นทำให้อัตราการผุพังเร็วขึ้น อีกทั้งทำให้พืชเติบโตและชอนไชตามซอกหินได้ดีขึ้น

เนื้อหินที่สัมพันธ์กับอัตราการผุพัง หินชนวนมีแนวแยกชั้นของแร่นำร่องไปแล้ว ทำให้เกิดการแตกได้ง่ายกว่าหินอ่อนซึ่งมีเนื้อแน่นเป็นเนื้อเดียวกัน

การผุพังทางกายภาพ

การผุพังทางกายภาพ (physical weathering) หมายถึง การผุพังที่ทำให้หินแตกเป็นชิ้นเล็กลงแต่ไม่เปลี่ยนแร่องค์ประกอบภายในหิน ซึ่งสาเหตุหลักของการผุพังทางกายภาพแบ่งย่อยเป็น 5 รูปแบบ

1) การคลายแรงดัน (pressure release) คือ การผุพังที่เกิดจากหินใต้พื้นผิวโลกซึ่งเดิมเคยถูกกดทับด้วยน้ำหนักของหินหรือดินด้านบนอย่างสมดุล แต่เมื่อหินหรือดินด้านบนถูกกัดกร่อนไป หินเดิมจึงคลายแรงดัน ขยายตัวและแยกออกตามแนวรอยแตกเดิม บางครั้งอาจแตกตามแนวขนานกับพื้นผิวหิน สภาพการแตกจึงมีลักษณะเป็นแผ่นหินบางหุ้มซ้อนกันคล้ายกับเปลือกหอมหัวใหญ่ เรียกลักษณะการแตกแบบนี้ว่า การแตกเป็นกาบ (exfoliation) เช่น การแตกของหินเป็นกาบ อุทยานแห่งชาติโยเซมิตี (Yosemite National Park) ประเทศสหรัฐอเมริกา

การผุพังที่เกิดจากการคลายแรงดัน การแตกของหินเป็นกาบ อุทยานแห่งชาติโยเซมิตี ประเทศสหรัฐอเมริกา

2) การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (thermal expansion) คือ การผุพังที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของหินร้อน-เย็นสลับกัน ทำให้หินขยาย-หดตัว และผุพัง พบมากในสภาพแวดล้อมแบบทะเลทราย ซึ่งมีอุณหภูมิแตกต่างกันมากในช่วงกลางวัน-กลางคืน

3) การเปลี่ยนแปลงความชื้น (alternate wetting and drying) คือ การผุพังที่เกิดจากการดูดซึม-ระเหยของน้ำในหินสลับกัน ทำให้หินมีการขยาย-หดตัว และผุพัง โดยส่วนใหญ่เกิดกับหินตะกอนที่มีเม็ดตะกอนขนาดเล็กและมีแร่ดินเป็นองค์ประกอบสูง เนื่องจากแร่ดินสามารถขยายตัวได้ถึง 60% เมื่อได้รับความชื้นและหดตัวลงคงเดิมหากน้ำระเหยออกไป ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ การแตกระแหงของโคลนเมื่อน้ำระเหยออกไป

หินที่ผุพังเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความชื้นในทุกๆ วัน

4) การเกิดลิ่มน้ำแข็งและลิ่มเกลือ (frost and salt wedging) คือ การผุพังเนื่องจากหินที่มีน้ำหรือเกลือ เป็นองค์ประกอบหรือแซกอยู่ตามรอยแตก โดยน้ำจะมีปริมามาตรเพิ่มขึ้นเมื่อกลายเป็นน้ำแข็ง และเกลือสามารถขยายตัวได้เมื่อได้รับความร้อน ดังนั้นเมื่อมีการเปลี่ยนสถานะของน้ำเป็นน้ำแข็งหรือการเพิ่มอุณหภูมิให้เกลือ หินจะมีการขยาย-หดตัว และผุพัง โดยกระบวนการลิ่มน้ำแข็งพบมากบริเวณใกล้ขั้วโลก ส่วนลิ่มเกลือพบในพื้นที่แห้งแล้งหรือใกล้ทะเล

หลักการเกิดลิ่มน้ำแข็งและลิ่มเกลือ

5) กิจกรรมของสิ่งมีชีวิต (biological activity) คือ การผุพังที่เกิดจากการกระทำของทั้งพืช สัตว์และคน เช่น รากพืชชอนไชหิน เชื้อราและไลเคนหลั่งกรดอินทรีย์ที่ช่วยละลายแร่ธาตุในหิน การขุดรูของสัตว์ ตลอดจนกิจกรรมของมนุษย์ เช่น การระเบิดเพื่อทำเหมืองก็เป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้เกิดกระบวนการผุพังเช่นกัน

กิจกรรมของสิ่งมีชีวิตที่ส่งผลต่อการผุพังของหิน

การผุพังทางเคมี

การผุพังทางเคมี (chemical weathering) หมายถึง การผุพังจากการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีของแร่ในหิน กลายเป็นแร่ชนิดใหม่ แบ่งย่อยเป็น 6 รูปแบบ ตามปฏิกิริยาทางเคมี

1) กระบวนการไฮโดรไลสิส (hydrolysis) คือ กระบวนการที่ไฮโดรเจนไอออน (H+) หรือ ไฮดรอกซิลไอออน (OH–) ของน้ำทำปฏิกิริยากับไอออนของแร่ โดยเฉพาะหมวดแร่ซิลิเกต เช่น แร่เฟลด์สปาร์ (KAlSi3O8) ผุพังกลายเป็นแร่ดินคาโอลีไนต์ (Al2Si2O5 (OH) 4) ด้วยเหตุนี้หินแกรนิตซึ่งมีแร่เฟลด์สปาร์เป็นองค์ประกอบอยู่มากจึงผุพังได้ง่ายโดยเฉพาะในภูมิอากาศแบบร้อนชื้น

KAlSi3O8 + H2CO3 + H2O → Al2Si2O5 (OH) 4 + 2K+ + 2HCO3–+ 4SiO2

โปแตสเซียมเฟลด์สปาร์ + กรดคาร์บอนิก + น้ำ → คาโอลีไนต์ + โปแตสเซียม + ไอออนไบคาร์บอเนต + คอวซ์ต

ความแตกต่างในการผุพังของเสาหินแกรนิตซึ่งมีแร่เฟลด์สปาร์เป็นองค์ประกอบ จากสภาพอากาศที่แตกต่างกัน

2) กระบวนการไฮเดรชัน (hydration) คือ กระบวนการที่แร่ดูดซึมน้ำทำให้แร่ขยายตัว และเนื่องจากกระบวนการไฮเดรชันเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับได้ง่าย ดังนั้นเมื่อแร่มีการสลับกันระหว่างการรับ-เสียน้ำ ทำให้หินมีการขยาย-หดตัว และผุพังเหมือนกับการผุพังทางกายภาพแบบการเปลี่ยนแปลงความชื้น เช่น แร่ฮีมาไทท์ (Fe2O3) เปลี่ยนเป็นแร่ไลมอไนท์ (2Fe2O3.3H2O)

2Fe2O3 + 3H2O → 2Fe2O3.3H2O

ฮีมาไทท์ + น้ำ → ไลมอไนท์

หน้าตัดดินแสดงการผุพังในรูปแบบของกระบวนการไฮเดรชัน

3) กระบวนการออกซิเดชัน (oxidation) คือ กระบวนการที่เกิดจากการรวมตัวกันของแร่ น้ำและออกซิเจน ทำให้เกิดการเพิ่มประจุบวกหรือลดประจุลบของไอออนลง ผลที่ได้คือคราบสนิมเหล็กสีน้ำตาลตามเม็ดแร่ เช่น แร่ไพไรต์ (FeS2) ถูกออกซิไดส์กลายเป็นกรดกำมะถัน (H2SO4)

2FeS2 + 2H2O + 15O2 → 2Fe2 (SO4) 3 + 2H2SO4

ไพไรต์ + น้ำ → เหล็กซัลเฟต + กรดกำมะถัน

ต่อมากรดกำมะถันทำปฏิกิริยากับ แคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) และน้ำ เกิดเป็นแร่ยิปซั่ม (CaSO42H2O)

H2SO4 + CaCO3 + 2H2O → CaSO42H2O + H2CO3

กรดกำมะถัน + แคลเซียมคาร์บอเนต + น้ำ → ยิปซั่ม

สภาพการผุพังจากกระบวนการออกซิเดชันและรีดักชัน

4) กระบวนการรีดักชัน (reduction) คือ กระบวนการที่เกิดปฏิกิริยาตรงกันข้ามกับกระบวนการออกซิเดชัน โดยส่วนใหญ่เกิดในบริเวณที่มีน้ำขัง ในสภาพไร้อากาศ หรือไม่มีออกซิเจนอิสระเนื่องจากมวลน้ำปิดทับ เช่น กระบวนการรีดักชันที่เปลี่ยนเหล็กเฟอร์ริก (Fe3+) ไปเป็นเหล็กเฟอร์รัส (Fe2+) ถือเป็นการคายหรือคืนสภาพตัวเองของไอออนเหล็กให้สามารถละลายได้ง่ายขึ้น

5) กระบวนการคาร์บอเนชัน (carbonation) คือ กระบวนการที่ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ทำปฏิกิริยากับน้ำ กลายเป็นกรดคาร์บอนิก หรือ ฝนกรด (acid rain) ซึ่งฝนกรดนั้นเมื่อทำปฏิกิริยากับแคลเซียมคาร์บอเนต หรือหินปูน ทำให้หินปูนผุพังกลายเป็นแคลเซียมไบคาร์บอเนต (Ca(HCO3) 2)

CaCO3 + H2O + CO2 → Ca (HCO3) 2

แคลเซียมคาร์บอเนต + น้ำ + คาร์บอนไดออกไซด์ → แคลเซียมไบคาร์บอเนต

ซึ่งในธรรมชาติก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ เช่น การปะทุของภูเขาไฟ การหายใจของพืช ตลอดจนการย่อยสลายอินทรียวัตถุโดยแบคทีเรีย นอกจากนี้กิจกรรมหลายอย่างของมนุษย์ก็สร้างก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้เช่นกัน ทั้งจากโรงงานอุตสาหกรรมหรือการทำเหมือง

การผุพังของป้ายหลุมศพและหินปูนจากกระบวนการคาร์บอเนชัน

6) กระบวนการละลาย (disolution) คือ กระบวนการที่เกิดจากการเคลื่อนย้ายแร่ธาตุที่ละลายได้ออกไป เช่น แคลเซียมไบคาร์บอเนต (Ca (HCO3) 2) ที่ได้จากกระบวนการคาร์บอเนชัน สามารถละลายและถูกชะล้างออกได้ด้วยน้ำ นอกจากนี้แร่เฮไลด์ ยิปซั่ม แคลไซต์ ยังสามารถละลายและชะล้างไปได้ด้วยน้ำ ซึ่งถือว่าเป็นการผุพังทางเคมีโดยตรงที่ไม่ต้องอาศัยปฏิกิริยาที่ซับซ้อนเหมือนกับกระบวนการอื่นๆ

CaCO3 + H2CO3 + 2H+ → 2H2O + 2CO2 + Ca2+

แคลไซต์ + กรดคาร์บอนิก+ ไอออนไฮโดรเจน → น้ำ + คาร์บอนไดออกไซด์ + ไออนแคลเซียม

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth