การแปรสภาพ และหินแปร

5.1 ความหมายของการแปรสภาพ

หินชนิดต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นหินอัคนี หินตะกอน และหินแปรที่ประกอบเป็นเปลือกโลกนั้นเปลี่ยนแปลงได้เมื่ออยู่ในสภาพแวดล้อมที่ทำให้สสารที่เป็นองค์ประกอบในเนื้อหินต้องปรับตัวหรือปรับสถานภาพให้เหมาะสมตามภาวะที่เปลี่ยนไป โดยเฉพาะการเปลี่ยนแปลงด้านความร้อนและความดัน

ความยุ่งยากที่จะเข้าใจต้นกำเนิดหินแปรประการหนึ่งคือไม่มีผู้ใดเคยเห็นว่าหินแปรเกิดขึ้นอย่างไร จากเหตุผลนี้ทำให้หลาย ๆ แนวคิดเกี่ยวกับหินแปรจึงเป็นเพียงการคาดเดาเท่านั้น แต่อย่างไรก็ตามไม่ได้หมายความว่านั่นเป็นเพียงความคิดฝันเชิงนิยายวิทยาศาสตร์เท่านั้น ความจริงยังคงมีปัจจัยทางกายภาพและทางเคมี ซึ่งต้องอาศัยทฤษฎีกระบวนการแปรสภาพมาอธิบายได้

ระหว่างความลึกประมาณ 20 กิโลเมตร (12 ไมล์) ซึ่งอยู่ภายใต้สภาพอุณหภูมิสูงพอที่จะหลอมหินได้ ขึ้นมาจนถึงผิวโลกซึ่งมีกระบวนการผุพังอยู่กับที่เกิดขึ้นนั้น เป็นระยะที่มีอุณหภูมิ ความดัน และสภาพทางเคมี เปลี่ยนแปลงได้ในช่วงกว้าง บริเวณดังกล่าวจึงมีกระบวนการทางเกิดหินตะกอน หินบางชนิดบริเวณนี้มักจะเปลี่ยนไป หินต่างๆ ที่มีองค์ประกอบเป็นแร่ที่มีความคงที่อยู่ในสภาพแวดล้อมทางเคมีกายภาพ (Physicochemical environment) หนึ่งๆ อาจเปลี่ยนไปอยู่ในสภาพที่ไม่คงที่เมื่อมันเคลื่อนไปอยู่ในสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป เช่นอยู่ในบริเวณที่จะทำให้เกิดการแปรสภาพ กล่าวโดยสรุปคือ หินจะเปลี่ยนไปอย่างไรย่อมขึ้นอยู่กับสภาวะใหม่ และลักษณะทางเคมีของหินตั้งต้น ชุดของแร่ที่เปลี่ยนสภาพไปเรียกว่าหินแปร (Metamorphic rock) กระบวนการที่มีการเปลี่ยนไปดังกล่าวเรียกว่าการแปรสภาพ (Metamorphism) คำนี้มาจากภาษากรีกแปลว่าเปลี่ยนรูป ในที่นี้จะเน้นว่าในระหว่างการแปรสภาพนั้นแร่ต่างๆ จะไม่มีการหลอมแต่ยังคงอยู่ในสถานะของแข็ง

ในกรณีของหินที่เกิดขึ้นระดับลึกจากผิวโลกเราสามารถศึกษาถึงผลที่เกิดจากกระบวนการเกิดหินแปรได้ ก็ต่อเมื่อหลังจากหินดังกล่าวโผล่ขึ้นมาให้เห็นโดยกระบวนการกร่อนเท่านั้น ซึ่งใช้ระยะเวลายาวนานมากหลังจากกระบวนการแปรสภาพเกิดขึ้นแล้ว นักธรณีวิทยาสนใจธรรมชาติของวัตถุดั้งเดิมก่อนถูกแปรสภาพ และสภาพแวดล้อมทางเคมีกายภาพที่เกิดขึ้นระหล่างกระบวนการแปรสภาพนั้นๆ การศึกษาหินที่เปลี่ยนสภาพแล้วในภาคสนาม และในห้องปฏิบัติการ ช่วยให้เกิดความกระจ่างทางความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีได้เป็นอย่างดี

จากการศึกษากระบวนการแปรสภาพโดยทั่วไป พบว่ามีกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นภายในหิน เรียกว่า ไอโซเคมิคอลโพรเซส (Isochemical process) กล่าวคือ องค์ประกอบทางเคมีโดยรวมของหินทั้งก่อน และหลังกระบวนการเกิดผลึกใหม่ของเม็ดแร่มีลักษณะใกล้เคียงกัน อาจจะมีวัตถุใหม่ที่ถูกเพิ่มเข้ามา หรือวัตถุเดิมสูญหายไประหว่างการเปลี่ยนแปลงบ้างเล็กน้อย (ยกเว้นกรณี ที่หินนั้นถูกล้อมรอบด้วยของไหลร้อน ซึ่งจะนำสารเคมีอื่น ๆ เข้ามารวมกับหินที่กำลังถูกแปรสภาพนั้น) เนื่องจากธรรมชาติทางเคมีของหินไม่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการตกผลึกใหม่ ดังนั้นองค์ประกอบทางเคมีของหินตั้งต้นจะเป็นตัวกำหนดว่าอะไรจะเกิดขึ้นหลังจากเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกายภาพ ตัวอย่างเช่น ถ้าหินปูนซึ่งประกอบด้วยเม็ดแร่แคลไซต์ (CaCO3) ล้วน ๆ ถูกแปรสภาพไป หินที่ได้จะประกอบด้วยสารแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO3) เช่นเดิม ขณะที่หินดินดาน (Shale) ซึ่งประกอบด้วยแร่ดิน (Clay minerals ซึ่งเป็นแร่ไฮดรัสอะลูมิเสียมซิลิเกต) เป็นหลัก และอนุภาคของแร่ควอรตซ์ (SiO2) เมื่อถูกแปรสภาพไป จะได้แร่ซิลิเกตจำนวนมากแต่จะไม่มีแร่แคลไซด์เกิดขึ้น เป็นต้น

การเปลี่ยนแปลงในกระบวนการแปรสภาพเกิดขึ้นขณะที่หินพยายามปรับตัวเองให้อยู่ในสภาพคงที่ และมีการจัดตัวของแร่ต่างๆ เท่าที่จะเป็นได้มากที่สุด ภายใต้สภาวะการแปรสภาพโดยทั่วไป จะมีสิ่งที่เกิดขึ้นใหม่ คือ

1) การเกิดแร่ชนิดใหม่ (Neomineralization) การตกผลึกของแร่ชนิดใหม่ (แร่ที่ไม่เคยมีมาก่อน) ซึ่งปกติจะเกิดร่วมกับการสูญเสียไปของแร่บางชนิดที่มีอยู่เดิม
2) การเกิดผลึกใหม่ (Recrystallization) เป็นการพัฒนารูปผลึกขึ้นมาใหม่ (โดยที่หน่วยที่เล็กที่สุดของผลึกจะไม่ถูกรบกวน) แทนที่ผลึกดั้งเดิมซึ่งเป็นแร่ชนิดเดียวกัน
3) การก่อตัวขึ้นของเนื้อและโครงสร้างชนิดใหม่ในหิน (Formation of new texture and structures) ซึ่งเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงชนิดแร่และกลุ่มแร่ในระหว่างกระบวนการแปรสภาพ โดยที่เกิดแร่ชนิดใหม่ รวมทั้งมีการจัดตัวใหม่ระหว่างการเจริญเติบโตของผลึก เป็นผลให้เนื้อและโครงสร้างในหินเปลี่ยนแปลงไป

ดังนั้นจึงกล่าวโดยสรุปได้ว่า การแปรสภาพ (Metamorphism) เป็นกระบวนการที่เนื้อหิน และ/หรือ ส่วนประกอบของหินแปรเปลี่ยนไปเนื่องจากความร้อนและ/หรือความดัน โดยหินนั้นไม่มีการหลอม ในกรณีที่มีสารอื่นเพิ่มเข้ามาในกระบวนการด้วยเรียกว่า การแปรสภาพโดยการแทนที่ (Metasomatism) กระบวนการนี้เกิดในบริเวณที่ลึกกว่าส่วนชั้นหินที่มีการผุพังสลายตัว