หินตะกอน และกระบวนการที่เกี่ยวข้อง

4.5 โครงสร้างในหินตะกอน

โครงสร้างในหินตะกอนถือว่าเป็นลักษณะของเนื้อ (Texture) ขนาดใหญ่ในหิน เช่น การวางขั้น (Bedding) รอยริ้วคลื่น (Ripple mark ) และมวลสารพอก (Concretion) ที่เกิดขึ้นขณะตะกอนสะสมตัว หรือเกิดในช่วงเวลาสั้น ๆ หลังจากการสะสมตัวของตะกอนแล้วสำหรับโครงสร้างชั้นหินโค้ง (Fold) และรอยเลื่อน (Fault) เป็นโครงสร้างที่เกิดขึ้นหลังจากการสะสมตัวของตะกอนเป็นระยะเวลานานมาก โครงสร้างในหินตะกอนสามารถจำแนกตามกระบวนการเกิดได้ 3 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ โครงสร้างที่เกิดโดยเชิงกลหรือทางกายภาพ (Mechanical structure) ซึ่งเกิดจากกระแสของตัวกระทำพัดพาตะกอนมาทับถมกันโครงสร้างที่เกิดโดยกระบวนการทางเคมี (Chemical stucture) ซึ่งเกิดจากการตกตะกอนของสารละลายหรือวัตถุต่างชนิดกันหรือวัตถุที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน และโครงสร้างที่เกิดโดยกรบวรการทางชีวภาพ (Organic structures) ซึ่งเกิดจากการกระทำของสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมของการตกตะกอนในขณะนั้น นอกจากที่กล่าวมายังมีโครงสร้างอีกแบบหนึ่งที่อาศัยชนิดของหินและลักษณะการวางตัวของชั้นหินเป็นตัวกำหนด เรียกว่า รอยชั้นไม่ต่อเนื่อง (Unconformity) ดังจะกล่าวรายละเอียดของโครงสร้างต่าง ๆ ตามลำดับดังนี้

4.5.1 โครงสร้างที่เกิดโดยเชิงกล (Mechanical structure)

โครงสร้างในกลุ่มนี้ได้แก่ ชั้นหินแบบต่าง ๆ เช่น การวางชั้นเฉียงระดับ (Cross bedding) ชั้นหินที่เอียงเท (Inclined bedding) การวางชั้นแบบเรียงขนาน (Graded bedding) และรอยริ้วคลื่น (Ripple mark) นอกจากนี้อาจรวมถึงโครงสร้างที่เกิดจากแผ่นดินถล่ม (Land slide) ขนาดเล็ก ซึ่งเกิดขึ้นก่อนหรือหลังจากการทับถมกันของตะกอน นอกจากนี้ยังมีโครงสร้างอื่น ๆ เช่น รอยประทับของเม็ดฝน และแบบผลึกน้ำแข็ง ซึ่งก็รวมอยู่ในโครงสร้างกลุ่มนี้ด้วย จากผลการศึกษาในช่วงหลังของทศวรรษ 1940S และทศวรรษ 1950S พบว่าโครงสร้างของหินตะกอนในลักษณะต่าง ๆ ชี้ให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมของการตกตะกอน เช่น การวางชั้นเฉียงระดับ เป็นร่องรอยที่บ่งบอกทิศทางการพัดพาตะกอนมา โครงสร้างที่เป็นแนวเส้นหลายชนิดที่ปรากฏอยู่บนผิวระนาบชั้นหินก็ถูกนำมาอธิบายในสมัยนี้ รวมทั้งร่องรอยของร่องน้ำขนาดเล็ก (Rill mark) และรอยริ้วคลื่นบนสันดอน (Swash mark) ซึ่งเกิดจากการกระทำของคลื่นบนชายหาด ลักษณะที่เป็นร่องและลักษณะที่เกิดจากน้ำหนักกดทับ ซึ่งเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของตะกอนขนาดกรวด และก้อนมนใหญ่บนพื้นตะกอนที่เป็นโคลน นอกจากนั้นยังมีโครงสร้างอื่น ๆ อีกมากที่ยังไม่ทราบการกำเนิด โครงสร้างที่กล่าวมาแล้วนี้ ส่วนใหญ่เกิดจากการกระทำของกระแสของตัวกระทำ และจะวางตัวในแนวขนานกับทิศทางของกระแสตัวกระทำ ตัวอย่างโครงสร้างเชิงกลที่สำคัญคือ การวางชั้น การวางชั้นเฉียงระดับ การวางชั้นแบบเรียงขนาด และโครงสร้างที่เกิดบนระนาบชั้นหิน ดังจะกล่าวต่อไปนี้

1) การวางชั้น (Bedding)

การวางชั้นเป็นการวางตัวของชั้นหินเป็นชั้น ๆ หรือเป็นแถบ มีความหนาและมีลักษณะโครงสร้างและรูปแบบของตนเองโดยเฉพาะ ชั้นหินตะกอนเป็นโครงสร้างที่เด่นที่สุด แต่ละชั้นแยกออกจากกันโดยระนาบชั้นหิน (Bedding plane) หรือพื้นผิวระนาบที่แบ่งชั้นหินแต่ละชั้น ซึ่งหินมักจะแตกหรือแยกออกจากกันตามแนวนี้ ความหนาของชั้นหินในตะกอนชนิดหนึ่งสะท้อนให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของสภาวะที่มีอยู่เป็นประจำเมื่อครั้งตะกอนแต่ละชั้นตกทับถมกัน โดยทั่วไปแล้วแนวชั้นหินแต่ละชั้นแสดงถึงการหยุดทับถมของตะกอนชั้นหนึ่ง และการเริ่มต้นตกทับถมของตะกอนอีกชั้นหนึ่ง

ลักษณะภายนอกของชั้นหินที่มักใช้อธิบายชั้นหิน เช่น รูปร่างและความหนาของชั้นหินการเปลี่ยนแปลงความหนา ความต่อเนื่องของหน่วยตะกอน รูปร่างลักษณะของตะกอน เช่น ชั้นหินทราย อาจบางและแผ่ขยายออกไปในแนวระนาบซึ่งเรียกว่า ชูสตริงแซนด์ (Shoe-string sand) หรืออาจมีลักษณะบางและแผ่ขยายออกไป 2 ทิศทางในแนวราบ ซึ่งเรียกว่า แบลงเกตแซนด์ (Blanket sand)

ชั้นหินส่วนใหญ่วางตัวในแนวราบเสมอ ลักษณะนี้เรียกว่า ชั้นหินขนาน (Parallelbedding) และถ้าแต่ละชั้นมีความหนาน้อยกว่า 1 เซนติเมตร เรียกว่า ชั้นหินบาง (Laminated bedding)

โครงสร้างที่เกิดอยู่ภายในชั้หินมีหลายชนิด เช่น การวางชั้นเฉียงระดับ (Cross bedding) การวางชั้นแบบเรียงขนาด (Graded bedding) และลักษณะการซ้อนเกยกันของก้อนกรวดเป็นต้น

2) การวางชั้นเฉียงระดับ (Cross bedding)

เป็นการวางตัวของชั้นหินโดยเอียงเททำมุมกับแนวระดับชั้นหินปกติ ทั้งนี้เนื่องจากการเปลี่ยนทิศทางของ กระแสน้ำหรือกระแสลม อันมีผลต่อการตกจมของตะกอนดินทราย หรือทำให้ตะกอนเหล่านี้ไม่อาจตกจนลงในระดับปกติได้ ต้องเอียงเทไปในแนวตามกระแสน้ำหรือกระแสลมจึงมักพบชั้นหินย่อย ๆ มีแนวขวางตัดกับแนวระดับชั้นปกติ บางทีพบแต่ละชั้นเฉียงไม่เท่ากันมองเห็นสลับไปสลับมา

3) การวางชั้นแบบเรียงขนาด (Graded bedding)

การวางชั้นแบบเรียงขนาด เป็นการวางชั้นของหินตะกอนที่ชั้นหินมีการเรียงลำดับขนาดของอนุภาค โดยมีขนาดใหญ่อยู่ส่วนล่าง และขนาดเล็กลงอยู่ส่วนบนของชั้นหิน ชั้นหินนี้มักเกิดในสถานะที่ที่กระแสน้ำไหลปั่นป่วนและค่อย ๆ ลดกำลังลง

4) โครงสร้างที่เกิดบนระนาบชั้นหิน

โครงสร้างในกลุ่มนี้ได้แก่รอยริ้วคลื่น (Ripple mark) ระแหงโคลน (Mud crack) และรอยบนผิวล่างของชั้นหิน (Sole mark) ดังจะกล่าวรายละเอียดต่อไปนี้

รอยริ้วคลื่น (Ripple mark) รอยริ้วคลื่นที่ปรากฎเป็นรอยบนพื้นทรายหรือโคลนเกิดเนื่องจากการกระทำของคลื่น กระแสลม หรือกระแสน้ำ เกิดได้ทั้งบนบกและพื้นท้องน้ำ รอยริ้วคลื่นนี้อาจพบได้ในหินชั้น เช่น หินทรายเกิดเนื่องจากริ้วคลื่นถูกตะกอนชนิดอื่นตกทับถมปิดทับเอาไว้ เมื่อตะกอนทั้งหมดแข็งตัวกลายเป็นหิน ริ้วคลื่นก็ยังคงรูปเดิมปรากฎอยู่ในหิน ถ้าหินที่ปิดทับอยู่นั้นแตกหลุดออกไป ก็จะเห็นรอยริ้วคลื่นดังกล่าว

รอยริ้วคลื่นที่ถูกเก็บรักษาไว้ในหินตะกอน เป็นหลักฐานของสภาวะต่างๆ ที่เกิดอยู่เป็นประจำเมื่อครั้งตะกอนตกทับถม ตัวอย่างเช่น ถ้ารอยริ้วคลื่นเป็นแบบสมมาตร (Symmetry) มีสันคมหรือสันโค้งทู่เล็กน้อย อยู่ระหว่างรอยโค้งลาดน้อย แสดงว่ารอยคลื่นนี้เกิดขึ้นโดยการพัดกลับไปกลับมาของน้ำ ดังจะเห็นได้ในบริเวณชายฝั่งทะเลนอกเขตคลื่นหัวแตก ร้อยริ้วคลื่นแบบนี้มีชื่อเรียกว่าออสซิลลาทอรีริปเปิลมาร์ก (Oscillatory ripple mark) ในทางตรงข้าม ถ้ารอยริ้วคลื่นเป็นแบบไม่สมมาตร (Asymmetry) ก็แสดงว่าเกิดโดยกระแสลมหรือกระแสน้ำพัดเป็นประจำอยู่ในทิศทางเดียว รอยคลื่นแบบนี้เรียกว่า เคอเรนท์ริปเปิลมาร์ (Current ripple mark )

ระแหงโคลน (Mud crack) ระแหงโคลนเป็นลักษณะรอยแตกที่เกิดจากการหดตัวของโคลนที่ถูกแดดเผา มักเป็นรูปหลายเหลี่ยม ต่อมามีตะกอนบรรจุในรอยแตกแล้วแข็งตัวกลายเป็นหิน พบในหินโคลนและหินดินดาน โครงร่างของรอยแตกระแหงอาจถูกเก็บรักษาสภาพไว้อย่างดีเป็นเวลานับล้าน ๆ ปี เมื่อหินแตกออกตามระนาบชั้นหิน จะพบรอยแตกระแหงบริเวณผิวหน้าของชั้นหินมีลักษณะเหมือนกับรอยแตกระแหงที่เกิดขึ้นขณะที่ตะกอนยังไม่แข็งตัว เป็นหลักฐานว่าสภาพแวดล้อมการตกตะกอนเดิมนั้นได้จมอยู่ใต้น้ำและโผล่พ้นน้ำสัมผัสอากาศสลับกัน

รอยบนผิวล่างของชั้นหิน (Sole mark ) รอยบนผิวล่างของชั้นหินเป็นแบบหล่อของลักษณะโครงสร้างหินตะกอน ที่เกิดพร้อมกับการตกทับถมของตะกอน เช่น ร่องหรือรอยที่เกิดบริเวณระนาบชั้นหินด้านล่างของหินโคลนหรือหินทราย ซึ่งทับถมบนลักษณะโครงสร้างในตะกอนชั้นล่างที่ยังไม่เกาะตัวแข็ง (โดยมากเป็นชั้นโคลน ) การกำเนิดรอยดังกล่าวนี้ เริ่มต้นจากวัตถุซึ่งถูกพัดพามาโดยกระแสน้ำ เคลื่อนที่ผ่านไปบนผิวของตะกอนที่ยังไม่แข็งตัวก็จะทำให้เกิดร่องหรือรอยประทับบนผิวชั้นโคลน ต่อมาจะถูกรักษาสภาพไว้เพราะถูกแทนที่โดยดินหรือทรายของตะกอนที่ปิดทับชั้นบน จนในที่สุดตะกอนชั้นบนก็แข็งตัวกลายเป็นหิน จึงรับเอาร่องรอยเหล่านั้นไว้ที่ผิวด้านล่างของชั้น ลำดับชั้นของหินตะกอนนี้สามารถใช้เป็นหลักฐานบ่งบอกทิศทางของกระแสน้ำด้านบนหรือด้านล่างของชั้นหิน และสภาพแวดล้อมในขณะตกตะกอนได้

4.5.2 โครงสร้างที่เกิดโดยกระบวนการทางเคมี (Chemical structure)

โครงสร้างในกลุ่มนี้เกิดขึ้นในลักษณะของการรวมกลุ่มกันของวัตถุทางเคมีที่กระจัดกระจายกันอยู่ ได้แก่ เม็ดแบบไข่ปลา (Oolite) (ถ้าเป็นเม็ดเดี่ยวใช้คำว่า Oolith) เม็ดแบบถั่ว (Pisolite) (ถ้าเป็นเม็ดเดี่ยวใช้คำว่า Pisolith) มวลสารพอก (Concretion) จีโอด (Geode) โนดูล (Nodule) และเซปทาเรีย (Septria) รวมทั้งแนวฟันในหิน (Stylolite) ซึ่งเป็นลักษณะที่เกิดขึ้นดดยสารละลาย โครงสร้างเหล่านี้มีหลายรูปแบบจากรูปแบบที่แปลกมาก ๆ เช่น แยกเป็นกิ่งก้าน จนถึงรูปแบบที่เป็นปกติ เช่น รูปทรงกลมหรือรูปไข่ นอกจากนี้ยังมีรูปร่างและขนาดเหมือนตุ้มยกน้ำหนักเส้นผ่าศูนย์กลาง 3 ฟุต ไปจนถึงเป็นกลุ่มของผลึกที่จัดตัวกันเป็นทรงกลม (Spherulite) ขนาดเล็กเส้นผ่าศูนย์กลางเพียงไม่กี่มิลลิเมตรโครงสร้างบางอย่างเกิดขึ้นหลังจากตกตะกอนเพียงเล็กน้อย หรือเกิดก่อนการอัดแน่น ( Compaction) และบางชนิดเกิดขึ้นหลังจากการบีบอัดและการแข็งตัวของตะกอน บางทีเกิดหลังจากตกตะกอนแล้วนานมาก ๆ ในที่นี้จะกล่าวรายละเอียดโครงสร้างที่สำคัญไปตามลำดับ

1) โนดูล (Nodule)

โนดูลเป็นโครงสร้างที่เกิดจากการพอกของสาร มีลักษณะรูปร่างไม่แน่นอนมีหลายรูปแบบมาก ประกอบด้วยวัตถุที่มีความแตกต่างจากหินที่เกิดร่วมด้วย โนดูลที่พบมากมีลักษณะแบนหรือยาวไปในทิศทางที่ขนานกับชั้นหิน บางทีมีแนวโน้มที่จะเกาะติดกันหรือเป็นชั้นที่ต่อเนื่องกัน โนดูลโดยทั่วไปมีองค์ประกอบเป็นหินเชิร์ต (ซิลิกา) นอกจากนั้นอาจเป็นเหล็กออกไซด์ ฟอสเฟต เหล็กคาร์บอเนต และหินที่มีแร่เหล็กปนแร่ดิน ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในหินปูนแต่ก็อาจเกิดขึ้นได้ในหินดินดานและหินทราย

2) เซปทาเรีย (Septaria)

เซปทาเรียเป็นโนดูลที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ โดยปกติใหญ่กว่า 3-4 นิ้ว แสดงลักษณะของระบบรอยแตกหลายเหลี่ยมตรงใจกลางก้อน และมีแนวโน้มที่จะแห้งจากขอบของโนดูลเข้ามาข้างใน รอยแตกถูกแทนที่ด้วยแร่ที่ตกผลึกซึ่งโดยปกติคือแร่แคลไซต์ เซปทาเรีย เกิดจากสารตั้งต้นที่เป็นสารพอกที่เป็นวุ้นแข็งตัวหรือน้ำระเหยออกไปภายนอกก่อนแล้ว การหดตัวเกิดขึ้นจาการที่น้ำหนีออกจากวุ้นจนทำให้เกิดการแตกขึ้น จากนั้นสารละลายของแร่ก็เข้าไปตกผลึกในรอยแตกดังกล่าว

3) มวลสารพอก (Concretion)

มวลสารพอกเป็นมวลวัตถุหรือแร่ที่จับตัวกันแน่นและแข็งเป็นรูปทรงกลม แต่ที่พบทั่วไปมักเป้นรูปกลมรี รูปกลมแบน หรือรูปร่างไม่แน่นอน เกิดจากการจับตัวกันของสารเหลวหรือการตกผลึกของสารละลายรอบ ๆ จุดหรืออนุภาคเช่น ใบไม้ กระดูก เปลือกหอย หรือซากดึกดำบรรพ์เกิดเป็นก้อนแข็งอยู่ภาจในรูหรือโพรงของหินชั้น หรือภายในเศษชิ้นส่วนของหินภูเขาไฟ โดยทั่วไปส่วนประกอบของมวลสารพอกมักแตกต่างกันไป เช่น ซิลิกา (เชิร์ต) แคลไซต์ โดโลไมต์ เหล็กออกไซด์ ไพไรต์ ยิปซัม มีขนาดตั้งแต่เม็ดกรวดเล็ก ๆ ไปจนถึงรูปทรงกลมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 3 เมตร ส่วนมากมักเกิดในช่วงที่ตะกอนเกิดกระบวนการก่อตัวใหม่ (Diagenesis) แต่ที่เกิดขึ้นทันทีหลังจากตกตะกอนแล้ว (โดยเฉพาะในหินปูนและหินดินดาน) ก็มีมากเหมือนกัน

มวลสารพอกมีการกำเนิดโดยอธิบายได้ว่า เมื่อวัตถุซีเมนต์เข้าสู่ตะกอนที่ยังไม่แข็งตัวแล้ว วัตถุนั้นมักจะตกตะกอนสะสมตัวกันรอบจุดศูนย์กลางจุดหนึ่งหรือตามเส้นกลางเส้นหนึ่ง เม็ดของมวลสารพอกที่เกิดขึ้นจะผนึกกันมั่นคงกว่าอนุภาคหินที่อยู่รอบ ๆ วัตถุซีเมนต์ประกอบด้วยแคลไซต์ โดโลไมต์ เหล็กออกไซด์ หรือซิลิกา ซึ่งก็เป็นชนิดเดียวกันกับที่พบในหินตะกอนนั้นเอง

4) จีโอด (Geode)

หินโพรงมีรูปร่างภายนอกค่อนข้างเป็นทรงกลม ส่วนข้างในกลวง มีขนาดตั้งแต่เป็นนิ้วไปจนถึงเป็นฟุตหรือใหญ่กว่า และพบมากในชั้นหินปูน พบน้อยมากในหินดินดาน ลักษณะสำคัญของหินโพรงคือ

1) รูปร่างเกือบเป็นทรงกลม
2) ข้างในกลวง
3) มีแร่ดินเคลือบเป็นแผ่นบาง ๆ ระหว่างผิวนอกของหินโพรงส่วนที่สัมผัสกับหินรอบข้าง
4) ชั้นนอกเป็นแร่คาลซิโดนี
5) ชันในเป็นกลุ่มของผลึกที่งอกออกมาสู่ศูนย์กลางของหินโพรง โดยมากเป็นผลึกแร่ควอรตซ์ บางทีเป็นแร่แคลไซต์และโดโลไมต์ หรือแร่อื่นๆ บางแต่พบน้อย
6) แสดงลักษณะของการขยายออกหรือเจริญขึ้นอย่างชัดเจน

การเกิดจีโอดเริ่มต้นจากกะเปาะน้ำเค็มในหินตะกอน ซึ่งอาจจะเป็นผลจากการเน่าเปื่อยของพืชหรือสัตว์บางชนิดที่ถูกฝังในตะกอน เมื่อตะกอนเริ่มแข็งตัวกลายเป็นหินจะมีผนังซิลิกาลักษณะเหมือนวุ้นก่อตัวขึ้นโดยรอบ แยกน้ำนั้นออกจากวัตถุแวดล้อม เมื่อเวลาผ่านไปนานเข้าน้ำจืดอาจจะซึมเข้าไปในตะกอน น้ำภายในกะเปาะมีเกลือละลายอยู่มากกว่าน้ำข้างนอกและเพื่อปรับให้ความเข้มข้นเท่ากันจึงเกิดการผสมกันอย่างช้า ๆ ของน้ำทั้งสอง โดยการซึมผ่านผนังซิลิกาที่กั้นไว้ นั้นคือกระบวนการออสโมซิสนั่นเอง ในช่วงเวลานานพอที่ปฏิกิริยาออสโมซิสดำเนินอยู่จะมีแรงกดดันจกภายในกะเปาะออกสู่ข้างนอกต่อหินรอบ ๆ กะเปาะเดิมจะขยายตัวออกทีละน้อยจนกระทั่งความเข้มข้นของน้ำภายนอกและภายในเท่ากัน ถึงจุดนี้ออกสโมซิสก็หยุดลง แรงกดดันสู่ภายนอกไม่มีแล้ว กะเปาะก็จะหยุดการขยายตัว ผนังซิลิกาจะแห้งแล้วตกผลึกได้คาลซิโดนี และหดตัวเกิดรอยแตกร้าวในเวลาต่อมา ถ้ามีน้ำแร่ซึมผ่านเข้ามาในตะกอน ก็อาจจะซึมเข้าตามรอยแตกร้าวของผนัง คาลซิโดนีจึงไปตกตะกอนข้างในและผลึกเริ่มงอกจากผนังด้านในนั้นเข้าสู่ข้างในใจกลางกะเปาะ ในที่สุดจะได้กอ้นหินโพรงมีผนังด้านในบุด้วยผลึกต่าง ๆ ฝังตัวในหินตะกอนควรสังเกตว่าผลึกในห้อนหินโพรงงอกเข้าสู่ข้างในแต่ก้อนมวงสารพอกผลึกงอกออกสู่ข้างนอก