บทที่ 3 ปรากฏการณ์ทางธรณีวิทยา

แผ่นดินไหวคืออะไร

           แผ่นดินไหว (Earthquake) เป็นปรากฏารณ์ธรรมชาติซึ่งเกี่ยวเนื่องกับกระบวนธรณีแปรสัณฐาน (Plate Tectionics) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อหินเปลือกโลกเคลื่อนที่หรือสั่นสะเทือนและคายพลังงานออกมา ซึ่ง สามารถอุปมาอุปมัยได้เหมือนกับการดัดไม้บรรทัด เมื่อเราใช้มือจับปลายไม้บรรทัดทั้งสองข้างแล้วดัดให้โค้งงออย่างช้าๆ จนเกิดความเค้น (Stress) ไม้บรรทัดจะเกิดความเครียด (Strain) ภายใน แม้ว่าจะอ่อนตัวให้โค้งตามแรงที่เราดัด แต่ก็จะคืนตัวทันทีที่เราปล่อยมือ และถ้าหากเราออกแรงดัดมากเกินไป พลังงานซึ่งสะสมอยู่ภายในจะเค้นให้ไม้บรรทัดนั้นหัก และปลดปล่อยพลังงานอย่างฉับพลัน ทำให้เกิดแรงสั่นสะเทือนและเสียง หินในเปลือกโลกก็มีคุณสมบัติดังเช่นไม้บรรทัด เมื่อแผ่นธรณีกระทบกัน แรงกดดันหรือแรงเสียดทานจะทำให้หินที่บริเวณขอบของแผ่นธรณีเกิดความเค้นและ ความเครียด สะสมพลังงานไว้ภายใน เมื่อหินแตกหรือหักก็จะปลดปล่อยพลังงานออกมา ทำให้ให้เกิดการสั่นสะเทือนเป็นแผ่นดินไหว

แผ่นดินไหวที่เมืองซานฟรานซิสโก ปี พ.ศ.2449

แผ่นดินไหวมักเกิดขึ้นที่ใด

แผ่นดินไหวมักเกิดขึ้นในบริเวณรอยต่อของแผ่นธรณี เนื่องจากเป็นบริเวณที่เกิดกระบวนการธรณีแปรสัณฐาน 3 ลักษณะ ดังภาพ

รอยต่อของแผ่นธรณี

• แผ่นธรณีเคลื่อนที่ออกจากกัน (Divergent boundaries) แมกมาจากชั้นฐานธรณีภาคดันให้แผ่นธรณีโก่งตัวอย่างช้าๆ จนแตกเป็นหุบเขาทรุด (Rift valley) หรือสันเขาใต้สมุทร (Oceanic Ridge) ทำให้เกิดแผ่นดินไหวขนาดเบาที่ระดับตื้น (ลึกจากพื้นผิวน้อยกว่า 70 กิโลเมตร) เช่นบริเวณกลางมหาสมุทรแอตแลนติก
• แผ่นธรณีเคลื่อนที่เข้าหากัน (Convergent boundaries) การชนกันของแผ่นธรณีสองแผ่นในแนวมุดตัว (Subduction zone) ทำให้แผ่นที่มีความหนาแน่นมากกว่าจมตัวลงตัวสู่ชั้นฐานธรณีภาค การปะทะกันเช่นนี้ทำให้เกิดแผ่นดินไหวอย่างรุนแรงที่ระดับลึก (300 – 700 กิโลเมตร) และหากเกิดขึ้นในมหาสมุทรก็จะทำให้เกิดคลื่นสึนามิ เช่น สันเขาใต้สมุทรใกล้เกาะสุมาตรา และ เกาะฮอนชู ประเทศญี่ปุ่น
• แผ่นธรณีเคลื่อนที่ผ่านกัน (Transform fault) ทำให้เกิดแรงเสียดทานของหินเปลือกโลก แม้ว่าแผ่นธรณีจะเคลื่อนที่ผ่านกันด้วยความเร็วเพียงปีละประมาณ 3 - 6 เซนติเมตร แต่เมื่อเวลาผ่านไป 100 ปี ก็จะเคลื่อนที่ได้ระยะทาง 3 - 6 เมตร ซึ่งถ้าหากหินคืนตัว ก็จะสามารถปลดปล่อยพลังงานมหาศาลได้ ดังเช่น รอยเลื่อนซานแอนเดรียส์ก็เคยทำลายเมืองซานฟรานซิสโก ประเทศสหรัฐอเมริกา จนประสบความเสียหายหนักเมื่อปี พ.ศ.2449

นอกจากบริเวณรอยต่อของแผ่นธรณีแล้ว แผ่นดินไหวยังเกิดขึ้นที่บริเวณจุดร้อน (Hot spot) ที่ซึ่งแมกมาลอยตัวขึ้นจากเนื้อโลกตอนล่างแล้วทะลุเปลือกโลกขึ้นมากลายเป็น ภูเขาไฟรูปโล่ เช่น เกาะฮาวาย ที่กลางมหาสมุทรแปซิฟิก และ เกาะไอซ์แลนด์ ที่ตอนบนของมหาสมุทรแอตแลนติก

แผนที่แสดงความลึกของจุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหว

เมื่อ พิจารณาแผนที่ในภาพที่ 3 จะเห็นได้ว่า แผ่นดินไหวส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อของแผ่นเปลือกโลก โดยบริเวณที่แผ่นธรณีเคลื่อนที่ออกจากกันและแผ่นธรณีเคลื่อนที่ผ่านกันจะ เกิดแผ่นดินไหวในระดับตื้น ส่วนบริเวณที่แผ่นธรณีเคลื่อนที่เข้าหากันเช่น เขตมุดตัวในวงแหวนไฟ (Ring of fire) รอบมหาสมุทรแปซิฟิก บริเวณหมู่เกาะญี่ปุ่น หมู่เกาะฟิลิปปินส์ หมู่เกาะแปซิฟิกใต้ และชายฝั่งตะวันตกของทวีปอเมริกาใต้ จะเกิดแผ่นดินไหวในระดับลึก ซึ่งมักเป็นตัวการทำให้เกิดคลื่นสินามิ ทั้งนี้ท่านสามารถติดตามการเกิดแผ่นดินไหวของครั้งล่าสุดของโลกได้ที่ USGS Lastest Earthquakes in the World

คลื่นไหวสะเทือน

แผ่นดินไหวเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนตัวของชั้น หินในเปลือกโลก เมื่อชั้นหินกระทบกันทำเกิดคลื่นไหวสะเทือน (Seismic waves) เราเรียกจุดกำเนิดของคลื่นไหวสะเทือนว่า "ศูนย์เกิดแผ่นดินไหว" (Focus) และเรียกตำแหน่งบนผิวโลกที่อยู่เหนือจุดกำเนิดของคลื่นแผ่นดินไหวว่า "จุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว" (Epicenter)​ ซึ่งมักจะใช้อ้างอิงด้วยพิกัดละติจูด/ลองจิจูด เมื่อเกิดแผ่นดินไหวจะเกิดคลื่นไหวสะเทือน 2 แบบ คือ คลื่นในตัวกลาง และคลื่นพื้นผิว

ศูนย์เกิดแผ่นดินไหว

คลื่นในตัวกลาง (Body wave)

เดินทางจากศูนย์เกิดแผ่นดินไหว ผ่านเข้าไปในเนื้อโลกในทุกทิศทาง ในลักษณะเช่นเดียวกับคลื่นเสียงซึ่งเกินทางผ่านอากาศในทุกทิศทาง คลื่นในตัวกลางมี 2 ชนิด คือ คลื่นปฐมภูมิ (P wave) และ คลื่นทุติยภูมิ (S wave) ดังภาพที่ 2

• คลื่นปฐมภูมิ (P wave) เป็นคลื่นตามยาวที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลาง โดยอนุภาคของตัวกลางนั้นเกิดการเคลื่อนไหวแบบอัดขยายในแนวเดียวกับที่คลื่นส่งผ่านไป คลื่นนี้สามารถเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซ เป็นคลื่นที่สถานีวัดแรงสั่นสะเทือนสามารถรับได้ก่อนชนิดอื่น โดยมีความเร็วประมาณ 6 – 7 กิโลเมตร/วินาที
• คลื่นทุติยภูมิ (S wave) เป็นคลื่นตามขวางที่เกิดจากความไหวสะเทือนในตัวกลางโดยอนุภาคของตัวกลางเคลื่อนไหวตั้งฉากกับทิศทางที่คลื่นผ่าน มีทั้งแนวตั้งและแนวนอน คลื่นชนิดนี้ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่เป็นของแข็งเท่านั้น ไม่สามารถเดินทางผ่านของเหลว คลื่นทุติยภูมิมีความเร็วประมาณ 3 – 4 กิโลเมตร/วินาที

คลื่นพื้นผิว (Surface wave) 

เดินทางจากจุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหว (Epicenter) ไปทางบนพื้่นผิวโลก ในลักษณะเดียวกับการโยนหินลงไปในน้ำแล้วเกิดระลอกคลื่นบนผิวน้ำ คลื่นพื้นผิวเคลื่อนที่ช้ากว่าคลื่นในตัวกลาง คลื่นพื้นผิวมี 2 ชนิด คือ คลื่นเลิฟ (L wave) และคลื่นเรย์ลี (R wave)

• คลื่นเลิฟ (L wave) เป็นคลื่นที่ทำให้อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวราบ โดยมีทิศทางตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังภาพ สามารถทำให้ถนนขาดหรือแม่น้ำเปลี่ยนทิศทางการไหล 

คลื่นเลิฟ (L wave) 

• คลื่นเรย์ลี (R wave) เป็นคลื่นที่ทำให้อนุภาคตัวกลางสั่น ม้วนตัวขึ้นลงเป็นรูปวงรี ในแนวดิ่ง โดยมีทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ของคลื่น ดังภาพ สามารถทำให้พื้นผิวแตกร้าว และเกิดเนินเขา ทำให้อาคารที่ปลูกอยู่ด้านบนเกิดความเสียหาย

คลื่นเรย์ลี (R wave) 

การหาจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว

เครื่องวัดความไหวสะเทือน (Seismograph) ประกอบด้วย 2 ส่วนคือ ปากกาซึ่งติดตั้งบนตุ้มน้ำหนักซึ่งแขวนห้อยติดกับลวดสปริง และม้วนกระดาษบันทึกการสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว (Seismogram) โดยที่ทั้งสองส่วนติดตั้งบนแท่นซึ่งยืดอยู่บนพื้นดิน เครื่องวัดความไหวสะเทือนทำงานโดยอาศัยหลักการของความเฉี่อย (Inertia) ของลวดสปริงที่แขวนลูกตุ้ม เมื่อแผ่นดินยกตัวลวดสปริงจะยืดตัว และถ้าหากแผ่นดินจมตัวลวดสปริงก็จะหดขึ้น ดังนั้นไม่ว่าแผ่นดินจะเคลื่อนไหวอย่างไร ลวดสปริงจะคงระดับของตุ้มน้ำหนักไว้ที่ระดับเดิมเสมอ ส่วนม้วนกระดาษจะเคลื่อนที่ขึ้นลงตามการเคลื่อนที่ของแผ่นดิน ดังนั้นปลายปากกาที่ติดตั้งฉากกับตุ้มน้ำหนักจึงวาดเส้นกราฟบนม้วนกระดาษ ซึ่งหมุนม้วนรอบแกน เพื่อบันทึกค่าการสั่นไหวของคลื่นไหวสะเทือน ดังภาพ (หมายเหตุ: ในความเป็นจริง เครื่องวัดความไหวสะเทือนจะวัดค่าการสั่นสะเทือนทังในแกนตั้งและแกนนอน)

การทำงานของเครื่องวัดความไหวสะเทือน (คลิกที่รูปเพื่อดูภาพใหญ่)

ในการวิเคราะห์ตำแหน่งจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว (Epicenter) นั้น จะต้องอาศัยเครื่องวัดความไหวสะเทือนหลายชุด ทำงานร่วมกันเป็นเครือข่าย เมื่อเกิดแผ่นดินไหวคลื่นในตัวกลางซึ่งประกอบด้วยคลื่น P และคลื่น S จะเดินผ่านภายในของโลกโดยคลื่น P จะเคลื่อนที่เร็วกว่าคลื่น S ส่วนคลื่นพื้นผิว (เช่น คลื่น L และคลื่น R) จะเดินทางไปตามพื้นผิวโลกซึ่งเคลื่อนที่ช้ากว่าคลื่นในตัวกลาง ดั่งภาพข้างล่าง แสดงให้เห็นว่า เครื่องวัดความไหวสะเทือนจะบันทึกค่าการไหวสะเทือนของ คลื่น P ได้ก่อนคลื่น S แล้วตามด้วยคลื่นพื้นผิว ตามลำดับ สถานี ก ที่อยู่ใกล้จุดเกิดแผ่นดินไหว (Focus) จะบันทึกค่าการไหวสะเทือนได้ก่อนสถานี ข ซึ่งอยู่ไกลกว่า

การเดินทางของคลื่นไหวสะเทือน

เมื่อ นำค่าที่ได้จากเครือข่ายเครื่องวัดความไหวสะเทือนอย่างน้อย 3 ชุด มาสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางกับเวลา โดยให้แกนนอนเป็นระยะทางจากจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว และแกนตั้งเป็นระยะเวลาที่คลื่นไหวสะเทือนต้องใช้ในการเดินทางจากจุดกำเนิด ก็จะได้กราฟเส้นโค้งระยะทาง-เวลา (Time travel curves) นำคาบความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางกับเวลาที่บันทึกได้มาวิเคราะห์หาระยะห่าง ไปยังจุดศูนย์เกิดแผ่นดินไหว (Focus) ดังภาพข้างล่าง

กราฟความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางและเวลาการเกิดแผ่นดินไหว

จากนั้นนำระยะทางที่ได้มาสร้างวงกลมสามวงบนแผนที่ โดยให้จุดศูนย์กลางอยู่ที่เครื่องวัดคลื่นไหวสะเทือนแต่ละเครื่อง และให้รัศมีของวงกลมแต่ละวงเป็นยาวเท่ากับระยะทางที่คำนวณได้จากกราฟระยะ ทาง-เวลาในภาพด้านล่าง วงกลมทั้งสามวงก็จะตัดกันที่จุดเดียวกันคือ จุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว (Epicenter) 

การหาจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหว

ความรุนแรงของแผ่นดินไหว

มาตราเมอร์คัลลี

แผ่นดินไหวแต่ละครั้งมีความรุนแรงไม่เท่ากัน บางครั้งไม่สามารถรู้สึกได้ แต่บางครั้งก็ทำให้เกิดความเสียหายอย่างรุนแรง เช่น อาคารถล่ม ถนนขาด แผ่นดินทรุด ทำให้ผู้คนล้มตายเป็นจำนวนมาก ระบบวัดความรุนแรงของแผ่นดินไหวที่เข้าใจง่ายที่สุดคือ มาตราเมอร์คัลลี (Mercalli scale) ซึ่งกำหนดจากความรู้สึกหรือการตอบสนองของผู้คนโดยจำแนกได้ดังนี้

I มนุษย์ไม่รู้สึก ตรวจวัดได้เฉพาะเครื่องมือ

II รู้สึกได้เฉพาะกับผู้ที่อยู่นิ่งกับที่ สิ่งของแกว่งไกวเล็กน้อย

III คนอยู่ในบ้านรู้สึกได้เหมือนรถบรรทุกแล่นผ่าน

IV คนส่วนใหญ่รู้สึกได้เหมือนรถบรรทุกแล่นผ่าน

V ทุกคนรู้สึกได้ สิ่งของขนาดเล็กเคลื่อนที่

VI คนเดินเซ สิ่งของขนาดใหญ่เคลื่อนที่

VII คนยืนนิ่งอยู่กับที่ไม่ได้ อาคารเสียหายเล็กน้อย

VIII อาคารเสียหายปานกลาง

IX อาคารเสียหายอย่างมาก

X อาคารถูกทำลายพร้อมฐานราก

XI แผ่นดินแยกถล่มและเลื่อนไหล สะพานขาด รางรถไฟบิดงอ ท่อใต้ดินชำรุดเสียหาย

XII สิ่งปลูกสร้างทั้งหมดถูกทำลาย พื้นดินเป็นลอนคลื่น

มาตราริกเตอร์

มาตรา วัดขนาดแผ่นดินไหวของริกเตอร์ (The Richter Magnitude Scale) พัฒนาโดย ชาร์ล เอฟ ริกเตอร์ นักธรณีวิทยาชาวอเมริกาเมื่อปี พ.ศ.2478 เป็นมาตราที่วัดขนาดของแผ่นดินไหว ซึ่งบันทึกได้จากเครื่องวัดคลื่นไหวสะเทือนโดยใช้หน่วย “ริกเตอร์” (Richter) เป็นตัวเลขที่ทำให้สามารถเปรียบเทียบขนาดของแผ่นดินไหวต่างๆ กันได้ โดยคำ นวนจากสูตรทางคณิตศาสตร์เป็น logarithm ของความสูงของคลื่นแผ่นดินไหวที่บันทึกได้ ยกตัวอย่างเช่น แผ่นดินไหวขนาด 7 ริกเตอร์ มีความรุนแรงเป็น 10 เท่าของแผ่นดินไหวขนาด 6 ริกเตอร์ และมีความรุนแรงเป็น 100 เท่าของแผ่นดินไหวขนาด 5 ริกเตอร์

ขนาด (Magnitude) ของแผ่นดินไหวเป็นตัวเลขทางคณิตศาสตร์ที่บ่งชี้ความร้ายแรงของแผ่นดินไหวที่ เกิดขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นที่ระดับเป็นศูนย์ โดยกำหนดให้แผ่นดินไหวที่เกิดที่ระดับเป็นศูนย์ มีค่าความสูงของคลื่น 0.001 มม. ที่ระยะทาง 100 กิโลเมตร จากศูนย์กลางแผ่นดินไหว (Epicenter) ขนาดของแผ่นดินไหวตามมาตราริกเตอร์บอกเป็นตัวเลข จำนวนเต็มและจุดทศนิยม ดังนี้

ขนาดแผ่นดินไหว (ริกเตอร์) ประเภท

<3.0 แผ่นดินไหวขนาดเล็กมาก (Micro)

3.0 - 3.9 แผ่นดินไหวขนาดเล็ก (Minor)

4.0 - 4.9 แผ่นดินไหวขนาดค่อนข้างเล็ก (Light)

5.0 - 5.9 แผ่นดินไหวขนาดปานกลาง (Moderate)

6.0 - 6.9 แผ่นดินไหวขนาดค่อนข้างใหญ่ (Strong)

7.0 - 7.9 แผ่นดินไหวขนาดใหญ่ (Major)

>8.0 แผ่นดินไหวใหญ่มาก (Great)

ตัวอย่างแผ่นดินไหวครั้งใหญ่ของโลก

ปี	วันที่	ศูนย์เกิดแผ่นดินไหว	ยอดผู้เสีียชีวิต	ริกเตอร์	หมายเหตุ
2466	1 ก.ย.	ญี่ปุ่น, เมืองริกุอูโกะ	143,000	8.2	ไฟไหม้ครั้งใหญ่ที่โตเกียว
2513	31 พ.ค.	เปรู	66,000	7.8	แผ่นดินถล่มใส่เมืองยันเกย์
2519	27 ก.ค.	จีน, เมืองตังชาน	250,000	7.6	ความสูญเสียครั้งยิ่งใหญ่
2547	26 ธ.ค.	อินโดนีเซีย	226,300	9.1	เกิดคลื่นสึนามิ
2554	11 มี.ค.	ญี่ปุ่น, กรุงโตเกียว	>10,000	8.9	เกิดคลื่นสึนามิ

การปฏิบัติตนเมื่อเกิดแผ่นดินไหว 

1. ควบคุมสติอย่าตกใจ ปิดวาล์วแก๊วและปิดสวิทซ์ไฟฟ้าทั้งหมด อย่าจุดไฟแช็กเทียนไขหรือไม้ชีดไฟหรือสิ่งที่ทำให้เกิดประกายไฟขึ้น
2. ถ้าอยู่ภายในบ้านให้อยฦู่ในที่ที่มีโครงสร้างแข็งแรง และให้ระวังสิ่งของต่างๆ หล่นทับและให้มุดตัวลงไปอยู่ในใต้โต๊ะที่แข็งแรง เมื่อแผ่นดินหยุดไหว ให้รีบออกบ้านหรืออาคารไปอยู๋ในที่โล่งทันที โดยให้อยู่ห่งจากอาคารสูง กำแพง สะพานเสาไฟฟ้า  และป้ายโฆษณา บ้านเรือนที่อยู่ในเขตพื้นที่เสี่ยงภัยจากแผ่นดินไหว ควรติดตั้งเครื่อนหรือสิ่งของขนาดใหญ่ให้อยู่ติดกับผนังบ้านอย่างแน่นหนา
3. ถ้าอยู่ในตึกสูงให้มุดลงไปอยู่ใต้โต๊ะที่แข็งแรง อย่าวิ่งออกไปภายนอกเพราะบันไดอาจพังลงมาได้และห้ามใช้ลิฟท์โดยเด็ดขาด เมื่อแผ่นดินหยุดไหวให้รีบออกจากอาคารสูงและำปอยู่ในที่โล่งทันที
4. ถ้าอยู่ใกล้ชายฝั่งทะเล ริมแม่น้ำหรือลำคลองที่เชื่อมต่อกับทะเล ให้รีบออกจาบริเวณดังกล่าว เพราะอาจเกิดสึนามิได้
5. ติดตามสถานะการณ์แผ่นดินไหวจากสื่อต่างๆ และวางแผนเตรียมพร้อมรับภัยจากแผ่นดินไหวอย่างสม่ำเสมอ

ภูเขาไฟระเบิด

ภูเขาเกิดจากการเปลี่ยนแปลงลักษณะของเปลือกโลก ซึ่งแผ่นธรณีทวีปดันกันทำให้ชั้นหินคดโค้ง (Fold) เป็นรูปประทุนคว่ำและประทุนหงายสลับกัน ภูเขาที่มียอดแบนราบอาจเกิดจากการยกตัวของเปลือกโลกตามบริเวณรอยเลื่อน (Fault) แต่ภูเขาไฟ (Volcano) มีกำเนิดแตกต่างจากภูเขาทั่วไป ภูเขาไฟเกิดจากการยกตัวของแมกมาใต้เปลือกโลก

โครงสร้างของภูเขาไฟ
.

กำเนิดแมกมา

เมื่อแผ่นธรณีมหาสมุทรเคลื่อนที่เข้าหากัน หรือปะทะกับแผ่นธรณีทวีป แผ่นธรณีมหาสมุทรซึ่งมีความหนาแน่นกว่าจะจมลงสู่ชั้นฐานธรณีภาค และหลอมละลายกลายเป็นแมกมา (Magma) โดยมีปัจจัยที่เร่งให้เกิดการหลอมละลาย ดังนี้

• ความร้อน: เมื่อแผ่นธรณีปะทะกันและจมลงสู่ชั้นฐานธรณีภาค แรงเสียดทานซึ่งเกิดจากการที่แผ่นธรณีทั้งสองเสียดสีกันจะทำให้เกิดความร้อน เร่งให้ผิวชั้นบนของเปลือกโลกมหาสมุทรที่จมตัวลง หลอมละลายกลายเป็นแมกมาได้ง่ายขึ้น
• น้ำในชั้นฐานธรณีภาค: หินเปียก (Wet rock) มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าหินแห้ง (Dry rock) เมื่อหินในเปลือกแผ่นมหาสมุทรจมลงสู่ชั้นฐานธรณีภาค โมเลกุลของน้ำซึ่งเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำจะช่วยเร่งปฏิกริยาให้หินเกิดการ หลอมเหลวได้ง่ายขึ้น
• การลดความกดดัน: ตามปกติหินใต้เปลือกโลกจะหลอมละลายยากกว่าหินบนเปลือกโลก เนื่องจากความกดดันสูงป้องกันหินไม่ให้เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว อย่างไรก็ตามอุณหภูมิสูงของชั้นฐานฐรณีภาค ทำให้หินหลอมละลายและขยายตัวออก แล้วยกตัวลอยตัวสูงขึ้น เมื่อหินหนืดร้อนขยายตัวความกดดันก็จะลดลง ทำให้หินที่อยู่ในหน้าสัมผัสบริเวณรอบข้างหลอมละลายได้ง่ายขึ้น

แหล่งกำเนิดของแมกมา

แมกมาไม่ได้กำเนิดขึ้นทั่วไปทุกหนแห่งของโลก หากมีอยู่แต่บริเวณที่รอยต่อของแผ่นธรณีบางชนิด และบริเวณจุดร้อนของโลก

• รอยต่อของแผ่นธรณีเคลื่อนที่ออกจากกัน: แมกมาจากชั้นฐานธรณีภาค ลอยตัวขึ้นสู่พื้นผิวโลก แรงดันที่ลดลงช่วยทำให้เปลือกโลกที่อยู่ด้านบนหลอมละลายเกิดเป็นสันเขาใต้ สมุทร และดันตัวออกทางด้านข้าง กลายเป็นแผ่นธรณีมหาสมุทรซึ่งกำเนิดมาจากแมกมาหินบะซอลต์ ดังภาพด้านล่าง ตัวอย่างเช่น สันเขาใต้มหาสมุทรแอตแลนติก อย่างไรก็ตามในบางแห่งแมกมาก็ยกตัวขึ้นสู่แผ่นธรณีทวีป เช่น ทะเลสาบมาลาวี ในทวีปแอฟริกา

แหล่งกำเนิดแมกมาบริเวณสันเขาใต้มหาสมุทร

• รอยต่อของแผ่นธรณีเคลื่อนที่เข้าหากัน : การชนกันของแผ่นธรณีสองแผ่นในแนวมุดตัว (Subduction zone) ทำให้แผ่นที่มีความหนาแน่นมากกว่าจมตัวลงตัวสู่ชั้นฐานธรณีภาค แรง เสียดทานซึ่งเกิดจากการที่แผ่นธรณีทั้งสองเสียดสีกันจะทำให้เกิดความร้อน น้ำในแผ่นหินซึ่งระเหยกลายเป็นไอ ประกอบกับแรงกดดันที่ลดลง ช่วยให้หินหลอมละลายกลายเป็นแมกมาได้เร็วขึ้น และแทรกตัวออกจากผิวโลกทางปล่องภูเขาไฟ ดังภาพ ยกตัวอย่างเช่น ภูเขาไฟฟูจิ ในประเทศญี่ปุ่น

  

  แหล่งกำเนิดแมกมาในเขตมุดตัว

  
  

  
  

• จุดร้อน (Hotspot): แก่นโลกชั้นนอกมีความร้อนไม่เท่ากัน ในบางจุดของแก่นโลกมีความร้อนสูง จึงทำให้เนื้อโลกชั้นล่างเหนือบริเวณนั้นหลอมละลาย และแทรกตัวลอยขึ้นมาตามช่องแมกมา (Magma plume) จุดร้อนจะอยู่ ณ ตำแหน่งเดิมของแก่นโลก แต่เปลือกโลกจะเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ผ่านจุดร้อน แมกมาที่โผล่ขึ้นสู่พื้นผิวโลก จึงทำให้เกิดหมู่เกาะเรียงตัวกันเป็นแนว ดังเช่น หมู่เกาะฮาวาย โดยที่เกาะที่มีอายุมากจะอยู่ห่างจากจุดร้อน เกาะที่เกิดขึ้นมาใหม่จะอยู่บนจุดร้อนพอดี ทิศทางการเรียงตัวของหมู่เกาะจะขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของแผ่นธรณี ดังภาพด้านล่าง

แหล่งกำเนิดแมกมาบนจุดร้อน

• แมกมาแกรนิต และ แมกมาบะซอลต์: ปกติแมกมาที่เกิดจากชั้นหินในเปลือกโลกมหาสมุทรหลอมละลายในชั้นฐานธรณีภาคจะ เป็นแมกมาบะซอตล์ (Basaltic magma) แต่เมื่อแมกมาบะซอลต์ลอยตัวสูงขึ้นดันเปลือกโลกทวีปซึ่งมีองค์ประกอบหลัก เป็นหินแกรนิต ก็จะหลอมละลายกลายเป็นแมกมาแกรนิต (Granitic magma) แต่เนื่องจากหินแกรนิตซึ่งมีองค์ประกอบหลักเป็น ซิลิกา มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าหินบะซอลต์ เราจึงมักพบว่า แมกมาแกรนิตมักเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งภายในเปลือกโลก (Pluton) กลายเป็นหินอัคนีแทรกซอน ส่วนแมกมาบะซอลต์มักเย็นตัวบนพื้นผิวโลกเรียกว่า ลาวา (Lava) และกลายเป็นหินอัคนีพุในที่สุด

ประเภทของภูเขาไฟ

ภูเขาไฟมีรูปร่างสัณฐานต่างๆ กัน เนื่องจากเกิดขึ้นจากแมกมาซึ่งมีแหล่งกำเนิดแตกต่างกัน และมีองค์ประกอบของแร่แตกต่างกัน เราจำแนกชนิดของภูเขาไฟตามลักษณะทางกายภาพได้ 4 ประเภท ดังนี้

• ที่ราบสูงลาวา (Basalt Plateau): เกิดจากแมกมาบะซอลต์แทรกตัวขึ้นมาตามรอยแตกของเปลือกโลกแล้วกลายเป็นลาวาไหล ท่วมบนพื้นผิว ในลักษณะเช่นเดียวกับน้ำท่วม เมื่อลาวาเย็นตัวลงก็จะกลายเป็นที่ราบสูงลาวาขนาดใหญ่ประมาณ 100,000 ถึง 1,000,000 ตารางกิโลเมตร เช่น เกาะสกาย ประเทศอังกฤษ (ภาพด้านล่าง)

ที่ราบสูงลาวา (เกาะสกาย)

• ภูเขาไฟรูปโล่ (Shield volcano): เกิดขึ้นจากแมกมาบะซอลต์ที่มีความหนืดสูง ไหลออกมาฟอร์มตัวเป็นที่ราบสูงลาวา แต่ความหนืดทำให้แมกมาก่อตัวเป็นภูเขาไฟขนาดใหญ่และอาจสูงได้ถึง 9,000 เมตร แต่มีลาดชันเพียง 6 - 12 องศา ภูเขาไฟรูปโล่มักเกิดขึ้นจากแมกมาซึ่งยกตัวขึ้นจากจุดร้อน (Hotspot) ในเนื้อโลกชั้นล่าง (Lower mantle) ตัวอย่างเช่น ภูเขาไฟมอนาคีบนเกาะฮาวาย ที่กลางมหาสมุทรแปซิฟิก (ภาพด้านล่าง)

ภูเขาไฟรูปโล่ (มอนาคี)

• กรวยกรวดภูเขาไฟ (Cinder cone): เป็นภูเขาไฟขนาดเล็กมาก สูงประมาณ 100 - 400 เมตร ความลาดชันปานกลาง เกิดจากการสะสมตัวของแก๊สร้อนในแมกมาที่ยกตัวขึ้นมา เมื่อมีความดันสูงเพียงพอ ก็จะระเบิดทำลายพื้นผิวโลกด้านบนเกิดเป็นปล่องภูเขาไฟ กรวดและเถ้าภูเขาไฟ กระเด็นขึ้นสู่อากาศแล้วตกลงมากองทับถมกันบริเวณปากปล่องเกิดเป็นเนินเขา รูปกรวย (ภาพด้านล่าง) ข้อสังเกตคือ ภูเขาไฟแบบนี้ไม่มีธารลาวาซึ่งเกิดขึ้นจากแมกมาไหล แต่จะมีลักษณะเป็นกรวดกลมๆ พุ่งออกมาจากปากปล่อง แล้วกองสะสมกันทำให้เกิดความลาดชันประมาณ 30 - 40 องศา เช่น กรวยภูเขาไฟในรัฐโอรีกอน ประเทศสหรัฐอเมริกา

กรวยกรวดภูเขาไฟ

• ภูเขาไฟกรวยสลับชั้น (Composite cone volcano): เป็น ภูเขาไฟขนาด ปานกลาง ที่มีรูปทรงสวยงามเป็นรูปกรวยคว่ำ สูงประมาณ 100 เมตร ถึง 3,500 เมตร เรียงตัวอยู่บริเวณเขตมุดตัว (Subduction zone) เกิดขึ้นจากแผ่นธรณีมหาสมุทรที่หลอมละลายเป็นแมกมา แล้วยกตัวขึ้นดันเปลือกโลกขึ้นมาเป็นแนวภูเขาไฟรูปโค้ง (Volcanic arc) สิ่งที่ภูเขาไฟพ่นออกมามีทั้งธารลาวา และกรวดเถ้าภูเขาไฟ สลับชั้นกันไป เนื่องจากในบางครั้งแมกมาแข็งตัวปิดปากปล่องภูเขาไฟ ทำให้เกิดแรงดันจากแก๊สร้อน ดันให้ภูเขาไฟระเบิดและเปลี่ยนรูปทรง ตัวอย่างเช่น ภูเขาไฟฟูจิ ประเทศญี่ปุ่น (ภาพด้านล่าง), ภูเขาไฟพินาตูโบ ประเทศฟิลิปปินส์, ภูเขาไฟเซนต์เฮเลน รัฐวอชิงตัน ประเทศสหรัฐอเมริกา ภูเขาไฟรูปกรวยเป็นแนวภูเขาไฟรูปโค้ง (Volcano arc) ซึ่งเกิดขึ้นจากแมกมาในบริเวณเขตมุดตัวของเปลือกโลกมหาสมุทรที่หลอมละลาย ประเภทนี้ระเบิด จะมีความรุนแรงสูงและก่อให้เกิดความเสียหายเป็นอย่างมาก

ภูเขาไฟกรวยสลับชั้น (ฟูจิ)

การประทุของภูเขาไฟ

ภูเขาไฟไม่มีคาบการระเบิดที่แน่นอน ทั้งนีึ้ขึ้นอยู่กับแรงดันภายใน คุณสมบัติและปริมาณหินที่กดทับโพรงแมกมา อย่างไรก็ตามนักธรณีวิทยาสามารถทำการพยากรณ์อย่างคร่าวๆ โดยการวิเคราะห์ความถึ่ของคลื่นไหวสะเทือน ความรุนแรงของแผ่นดินไหว ความเป็นกรดของน้ำใต้ดินซึ่งเกิดจากแมกมาอุณหภูมิสูงทำให้แร่ธาตุละลายตัว และความผิดปกติของพฤติกรรมสัตว์

การปะทุของภูเขาไฟ

การปะทุของภูเขาไฟที่รุนแรงเกิดขึ้น เมื่อแมกมาบะซอลต์ยกตัวขึ้นลอยตัวขึ้นจากชั้นฐานธรณีภาค จะทำให้แผ่นเปลือกโลกธรณีซึ่งเป็นหินแกรนิตหลอมละลายกลายเป็นแมกมาแกรนิต แล้วดันพื้นผิวโลกให้โก่งตัวขึ้น (ภาพที่ ก) แรงอัดของแก๊สร้อนดันให้ปากปล่องภูเขาไฟระเบิด พ่นฝุ่นเถ้าภูเขาไฟ (Pyroclastic flow) ซึ่งมีคามร้อนถึง 900 องศาเซลเซียสขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ (ภาพที่ ข) แล้วตกลงมาทับถมกันที่บริเวณเนินภูเขาไฟ (ภาพที่ ค) ทั้งลาวาที่ไหลออกมาและเศษวัสดุที่ตกลงมาทับถมกัน ทำให้บริเวณรอบปากปล่องภูเขามีน้ำหนักมาก จึงทรุดตัวกลายเป็นแอ่งภูเขาไฟรูปกระจาด (Caldera) เมื่อเวลาผ่านไปน้ำฝนตกลงมาสะสมกัน ทำให้เกิดเป็นทะเลสาบ  (ภาพที่ ง )

ประโยชน์และโทษของภูเขาไฟ

เมื่อภูเขาไฟระเบิดใกล้ชุมชนทำให้เกิดมหันตภัยครั้งยิ่งใหญ่ แผ่นดินไหวทำให้อาคารพังพินาศ ถนนขาด และไฟไหม้เนื่องจากท่อแก๊สถูกทำลาย ธารลาวา กรวดและเถ้าภูเขาไฟที่ไหลลงมา (Pyroclastic flow) สามารถทับถมหมู่บ้านและเมืองที่อยู่รอบข้าง ถ้าภูเขาไฟอยู่ชายทะเล แรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวจะทำให้เกิดคลื่นสึนามิขนาดยักษ์กระจายตัวออกไป ได้ไกลหลายร้อยกิโลเมตร ฝุ่นและเถ้าภูเขาไฟสามารถปลิวไปตามกระแสลมเป็นอุปสรรคต่อการจราจรทางอากาศ แต่อย่างไรก็ตามภูเขาไฟระเบิดหนึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรธรณีแปรสัณฐาน ซึ่งหมุนเวียนธาตุอาหารให้แก่ผิวโลก ดินที่เกิดจากการสลายตัวของหินภูเขาไฟ มีความอุดมสมบูรณ์สูงใช้ปลูกพืชพรรณได้งอกงาม ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งปล่อยออกมาจากปล่องภูเขาไฟ ทำให้พืชสามารถสังเคราะห์ธาตุอาหารด้วยแสง แมกมาใต้เปลือกนำแร่ธาตุและอัญมณีที่หายาก เช่น เพชร พลอย ขึ้นมา เป็นต้น

กรวดและเถ้าภูเขาไฟ (Pyroclastic flow)