โครงสร้าง และคุณสมบัติภายในของโลก

1.1 โครงสร้างภายในโลก

มนุษย์สามารถมองเห็น หรือสังเกตส่วนประกอบ และคุณสมบัติทางกายภาพภายในโลกได้ในขอบเขตจำกัด เช่นจากการทำเหมือง การเจาะสำรวจ ซึ่งกระทำได้ในระดับความลึกไม่มากนัก ดังนั้นจึงหันมาแสวงหาข้อมูลเพิ่มเติมทางอ้อม โดยใช้วิทยาศาสตร์สาขาธรณีฟิสิกส์ อันเป็ฯการศึกษาเพื่อให้ได้ข้อมูลต่างๆ เกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภายของโลก เช่น การใช้เครื่องมือวัดคลื่นแผ่นดินไหว การวัดความเป็นแม่เหล็กของโลก (Earth magnetism) และการวัดแรงดึงดูดของโลก การแปลความหมายข้อมูลที่ได้ภายใต้กฏเกณฑ์ทางฟิสิกส์ ทำให้มีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้าง และคุณสมบัติของโลกได้ค่อนข้างละเอียดและน่าทึ่งมาก

ภาพ 1.1 เป็นภาพสมมุติที่ผ่าโลกให้เห็นโครงสร้างภายใน จะเห็นว่าโลกมีรูปร่างเกือบเป็นทรงกลม มีรัศมี จากใจกลางออกมายังผิว ณ เส้นศูนย์สูตรประมาณ 6,370 กิโลเมตร (3,960 ไมล์) ใจกลางคือส่วนที่เรียกว่าแก่นโลก (Core) ซึ่งเป็นทรงกลมมีรัศมีประมาณ 3,475 กิโลเมตร (2,160 ไมล์) แบ่งเป็น 2 ชั้น คือ แก่นโลกชั้นนอก (Outer core) กับแก่นโลกชั้นใน (Inner core) แก่นโลกชั้นนอก (Outer Core) มีลักษณะเป็นของเหลว เนื่องจากคลื่น S ไม่สามารถผ่านไปในชั้นนี้ได้จึงสันนิษฐานว่าเป็นของเหลว ต่างจากส่วนอื่นๆ ซึ่งเป็นของแข็งที่ล้อมรอบอยู่ อย่างไรก็ตาม ส่วนแก่นโลกชั้นใน หรือส่วนในสุดรัศมี 1,255 กิโลเมตร (780 ไมล์) อาจเป็นของแข็ง หรือเป็นผลึก (Crsytalline) ทั้งนี้เพราะคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านได้เปลี่ยนแปลงไปโดยเคลื่อนที่ได้เร็วมากขึ้น

จากการคำนวณทางดาราศาสตร์พบว่าโลกมีความถ่วงจำเพาะ ประมาณ 5.5 ในขณะที่หินที่ผิวโลกมีค่าความถ่วงจำเพาะเฉลี่ย ประมาณ 3 หรือต่ำกว่า 3 ข้อสังเกตนี้แสดงให้เห็นว่าค่าความถ่วงจำเพาะ จะเพิ่มมากขึ้น เมื่อลึกลงไปภายในโลก โดยอาจสูงประมาณ 10-15 จึงสันนิษฐานว่าแก่นโลกน่าจะประกอบด้วยธาตุหนัก ได้แก่ เหล็กจำนวนมาก รองลงไปคือธาตุนิกเกิล

ข้อสรุปนี้สอดคล้อง หรือสนับสนุนความจริงที่ว่า อุกกาบาติ (Meteorite) ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่หลุดมาจากระบบสุริยะนั้นมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น เหล็ก-นิกเกิล อุณหภูมิในแก่นโลกมีค่าระหว่าง 2,200 องศาเซลเซียส - 2,750 องศาเซลเซียส (4,000 - 5,000 องศาฟาเรนไฮท์) ความดันสูงเป็น 3 ถึง 4 ล้านเท่าของความดันบรรยากาศที่ระดับน้ำทะเล

ส่วนที่ห่อหุ้มแกนโลกเรียกว่า แมนเทิล (Mantle) เป็นชั้นหนาประมาณ 2,895 กิโลเมตร (1,800 ไมล์) ประกอบด้วยแร่ธาตุที่เป็นของแข็ง จากการประเมินลักษณะของคลื่นแผ่นดินไหวพอสรุปได้ว่าแมนเทิลประกอบด้วยแร่โอลิวีน (Olivine) จำนวนมาก (แร่โอลิวีนมีองค์ประกอบเป็นแมกนีเซียม เหล็ก ซิลิเกต) ซึ่งประกอบเข้าด้วยกันเป็นหินอัลตราเบสิค (Ultrabasic rock) ที่เรียกว่าหินดูไนท์ (Dunite) หินชนิดนี้อาจอยู่ในรูปของหินเนื้อแก้วที่มีคุณสมบัติ แข็ง ความหนาแน่นสูง มีความไวต่อคลื่นแผ่นดินไหว หรือยอมให้คลื่นแผ่นดินหวเคลื่อนผ่านไปได้ดี ใยขณะเดียวกันหินเนื้อแก้วบางส่วนที่อยู่ในชั้นแมนเทิลสามารถตอบสนองต่อแรงใดๆ ที่มากระทำ โดยการเคลื่อนไหวอย่างช้าๆ ไม่สม่ำเสมอกัน และเกิดขึ้นในช่วงเวลาอันยาวนานได้

ชั้นนอกสุด และบางที่สุดของโลกเรียกว่าเปลือกโลก (Crust) หนาเฉลี่ยประมาณ 6 ถึง 35 กิโลเมตร (4 ถึง 22 ไมล์) ประกอบไปด้วยหินหลายชนิดที่เกิดจากกกรตกผลึกของหินหนืด เปลือกโลกมีคุณสมบัติเปราะเมื่อถูกกระทบด้วยแรงจากกระบวนการก่อเทือกเขา (Mountain buliding) อาจทำให้เกิดการแตกหักเป็นแนวรอยเลื่อนขนาดใหญ่ สำหรับบริเวณส่วนล่างของชั้นเปลือกโลกที่ติดกับชั้นแมนเทิลแยกออกจากกันได้อย่างเด่นชัด ทั้งนี้เนื่องจากความเร็วของคลื่นแผ่นดินไหวที่ผ่านส่วนนี้มีการเปลี่ยนแปลงอย่างทันทีทันใด พื้นผิวที่อยู่ระหว่างชั้นเปลือกโลก กับชั้นแมนเทิลเรียกว่าแนวแบ่งเขตโมโฮ (moho) หรือโมโอโรวิซิก (mohorovicic discontinuity) เรียกตามชื่อของนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาแผ่นดินไหว (Seismologist) ผู้หนึ่งซึ่งเป็นผู้ค้นพบ

จากการศึกษาคลื่นแผ่นดินไหว นักวิทยาศาสตร์สามารถสรุปได้ว่า เปลือกโลกประกอบด้วย 2 ชั้นใหญ่ๆ คือ

1). ชั้นล่าง เป็นชั้นที่ต่อเนื่องกันของหินประเภทบะซอลท์ (Basaltic rock) หรือเรียกว่า หินไซมา (Sima)

2). ชั้นบน ประกอบด้วยหินประเภทแกรนิต (Granitic rock) หรือเรียกว่าหินไซอัล (Sial) ซึ่งเป็นส่วนของทวีป

ชั้นที่เป็นหินแกรนิตไม่ติดต่อกันในแนวกว้างทั้งนี้เพราะไม่พบในบริเวณที่เป็นมหาสมุทร ส่วนชั้นหินตะกอนของทวีปโดยเฉลี่ยแล้วหนาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เปลือกโลกส่วนที่อยู่บนทวีปหนามากกกว่าส่วนที่อยู่ใต้มหาสมุทร ทั้งนี้เปรียบเหมือนภูเขาน้ำแข็งขนาดมหึมาที่ลอยอยู่ในทะเล ซึ่งมองเห็นส่วนที่โผล่จากผิวน้ำเพียงเล็กน้อย แต่มีส่วนที่จมอยู่ใต้ผิวน้ำเป็นจำนวนมาก หินเนื้อแก้วที่เป็นส่วนประกอบของชั้นแมนเทิลบางส่วนมีการไหลอย่างช้าๆ เพราะมีลักษณะเป็นของไหล (Fluid) ที่หนืดซึ่งทำให้ชั้นเปลือกทวีปของเปลือกโลกลอยอยู่ได้ในลักษณะเหมือนก้อนน้ำแข็ง