หินไนส์

หินไนส์  เป็นหินแปรชนิดหนึ่งที่พบได้ทั่วไปและกระจายตัวอย่างกว้างขวาง โดยเกิดจากกระบวนการแปรสภาพภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง ซึ่งมีผลต่อหินต้นกำเนิดที่เป็นหินอัคนีหรือหินตะกอน หินชนิดนี้เกิดขึ้นภายใต้ความดันที่อยู่ในช่วง 2 ถึง 15 กิโลบาร์ หรือมากกว่านั้นในบางกรณี และอุณหภูมิที่สูงกว่า 300 องศาเซลเซียส (572 องศาฟาเรนไฮต์) ลักษณะเด่นของหินไนส์คือพื้นผิวที่มีเนื้อเป็นแถบ (banded texture) ซึ่งประกอบด้วยแถบสีเข้มและสีอ่อนสลับกัน โดยไม่มีแนวแตกเรียบ (cleavage) ที่ชัดเจน
หินไนส์สามารถพบเจอได้ทั่วไปตามหินฐานทวีปโบราณ หินที่เก่าแก่ที่สุดในโลกบางก้อนนั้นคือหินไนส์ ยกตัวอย่างเช่นหินไนส์ที่อะคัสตาไนส์ (Acasta Gneiss)
คำจำกัดความ.
จากนิยามดั้งเดิมของภาษาอังกฤษและการใช้งานในอเมริกาเหนือ คำว่า "ไนส์" (Gneiss) หมายถึงหินแปรเนื้อหยาบที่มีลักษณะการเรียงตัวขององค์ประกอบเป็นแถบ (gneissic banding) แต่มีความเป็นหินชิสต์ (schistosity) ที่พัฒนาน้อย และไม่มีแนวแตกเรียบ (cleavage) ที่ชัดเจน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือหินไนส์เป็นหินแปรที่ประกอบด้วยแร่ธาตุที่มีขนาดเม็ดใหญ่จนสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าซึ่งเรียงตัวกันเป็นชั้นหรือแถบอย่างชัดเจน แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกหักตามชั้นหรือแถบเหล่านี้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ในยุโรป คำว่า "ไนส์" ถูกใช้อย่างกว้างมากกว่า โดยหมายรวมถึงหินแปรเนื้อหยาบที่มีไมกา (mica) น้อยและเป็นหินแปรคุณภาพสูง
สำนักงานสำรวจธรณีวิทยาแห่งสหราชอาณาจักร (British Geological Survey - BGS) และ สหภาพวิทยาศาสตร์ทางธรณีวิทยานานาชาติ (International Union of Geological Sciences - IUGS) ใช้คำว่า "ไนส์" เป็นหมวดหมู่อย่างกว้างที่เกี่ยวกับเนื้อหินสำหรับหินแปรเนื้อปานกลางถึงเนื้อหยาบที่มีความเป็นชิสต์ ที่พัฒนาน้อย โดยมีการเรียงตัวขององค์ประกอบเป็นชั้นที่มีความหนามากกว่า 5 มิลลิเมตร (0.20 นิ้ว) และมักแตกออกเป็นแผ่นที่มีความหนามากกว่า 1 เซนติเมตร (0.39 นิ้ว) นิยามนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีหรือแหล่งกำเนิดของหิน แต่หินที่มีแร่แผ่นบาง (platy minerals) ประกอบอยู่น้อยนั้นมักจะเกิดลักษณะเนื้อไนส์ (gneissose texture) ได้ง่ายกว่า ด้วยเหตุนี้ หินไนส์จึงเป็นหินที่ผ่านกระบวนการตกผลึกใหม่ (recrystallized) เป็นส่วนใหญ่ แต่ไม่ได้ประกอบด้วยไมกา, คลอไรต์ (chlorite) หรือแร่แผ่นบางชนิดอื่นในปริมาณมาก หินแปรที่แสดงความเป็นชิสต์มากกว่าจะถูกจัดประเภทเป็น ชิสต์ ในขณะที่หินแปรที่ไม่มีความเป็นชิสต์เลยจะเรียกว่ากราโนเฟลส์ (granofels)
ไนส์ที่เกิดจากการแปรสภาพของหินอัคนีหรือหินต้นกำเนิดที่มีลักษณะใกล้เคียงกันจะถูกเรียกชื่อตามหินต้นกำเนิด เช่น ไนส์แกรนิต (granite gneiss), ไนส์ไดออไรต์ (diorite gneiss) เป็นต้น หินไนส์อาจถูกตั้งชื่อตามองค์ประกอบเด่นที่พบ เช่น ไนส์การ์เนต (garnet gneiss), ไนส์ไบโอไทต์ (biotite gneiss), ไนส์อัลไบต์ (albite gneiss) เป็นต้น คำว่าออร์โธไนส์ (orthogneiss) ใช้ระบุถึงไนส์ที่มีต้นกำเนิดจากหินอัคนี ในขณะที่พาราไนส์ (paragneiss) หมายถึงไนส์ที่มีต้นกำเนิดจากหินตะกอน ทั้งสำนักงานสำรวจธรณีวิทยาแห่งสหราชอาณาจักร (BGS) และสหภาพวิทยาศาสตร์ทางธรณีวิทยานานาชาติ (IUGS) ได้ใช้คำว่า gneissose เพื่ออธิบายหินที่มีเนื้อหินแบบไนส์ แม้คำว่า gneissic จะยังคงเป็นคำที่ใช้กันทั่วไป ตัวอย่างเช่น gneissose metagranite หรือ gneissic metagranite ทั้งสองคำนี้หมายถึงหินแกรนิตที่ผ่านการแปรสภาพและมีเนื้อหินแบบไนส์
ลายแถบแบบไนส์.
แร่ธาตุในหินไนส์ถูกจัดเรียงตัวเป็นชั้น ซึ่งปรากฏเป็นแถบเมื่อมองผ่านมุมมองหน้าตัด ลักษณะนี้เรียกว่า การเรียงตัวเป็นแถบของไนส์ แถบสีเข้มประกอบด้วยแร่รูปแบบเมฟิก (mafic) มากกว่า ซึ่งหมายถึงแร่ที่มีแมกนีเซียมและเหล็กในปริมาณสูง ส่วนแถบสีอ่อนประกอบด้วยแร่รูปแบบเฟลสิก (felsic) มากกว่า เช่น เฟลด์สปาร์ หรือควอตซ์ ซึ่งมีธาตุเบาอย่างอะลูมิเนียม, โซเดียม และโพแทสเซียมเป็นองค์ประกอบหลัก
การเกิดลายแถบแบบหินไนส์นั้นพัฒนาขึ้นมาภายใต้อุณหภูมิสูง เมื่อหินถูกบีบอัดอย่างรุนแรงในทิศทางหนึ่งมากกว่าทิศทางอื่น (แรงเค้นแบบไม่เป็นไปตามหลักอุทกสถิต หรือ nonhydrostatic stress) แถบเหล่านี้จะพัฒนาไปในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางที่มีการบีบอัดมากที่สุด ซึ่งเรียกว่า ทิศทางการหดตัว (shortening direction) โดยแร่แผ่นบางจะถูกหมุนหรือเกิดการตกผลึกใหม่ให้เรียงตัวเป็นชั้นขนานกันในทิศทางดังกล่าว
สาเหตุทั่วไปของแรงเค้นที่ไม่เป็นไปตามอุทกพลศาสตร์ (nonhydrodynamic stress) คือการที่หินต้นกำเนิด (protolith) ซึ่งก็คือวัสดุหินดั้งเดิมก่อนที่จะถูกแปรสภาพเป็นหินแปรได้ถูกแรงเฉือน (shearing force) กระทำอย่างรุนแรง ซึ่งเป็นแรงที่คล้ายกับการเลื่อนสำรับไพ่ โดยการผลักไพ่ด้านบนไปในทิศทางหนึ่งและผลักไพ่ด้านล่างไปในทิศทางตรงกันข้าม แรงดังกล่าวทำให้หินถูกยืดออกเหมือนวัสดุพลาสติก และวัสดุดั้งเดิมกระจายตัวออกเป็นชั้นอย่างบาง ตามหลักทฤษฎีบทการย่อยปัญหาเชิงขั้ว (polar decomposition theorem) การเปลี่ยนรูปที่เกิดจากแรงเฉือนประเภทนี้มีผลเทียบเท่ากับการหมุนของหิน พร้อมกับการหดตัวในทิศทางหนึ่งและการยืดตัวในอีกทิศทางหนึ่ง
ลายแถบบางส่วนนั้นเกิดขึ้นจากวัสดุดั้งเดิมของหินต้นกำเนิดที่ถูกแปรสภาพภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง วัสดุดังกล่าวประกอบด้วยชั้นสลับกันของหินทราย (สีอ่อน) และหินดินดาน (สีเข้ม) ซึ่งผ่านกระบวนการแปรสภาพจนกลายเป็นแถบของควอร์ตไซต์ (quartzite) และไมกา
อีกสาเหตุหนึ่งของการเกิดแถบคือ "การแยกตัวในกระบวนการแปรสภาพ" (metamorphic differentiation) ซึ่งเป็นการแยกวัสดุชนิดต่าง ๆ ออกเป็นชั้นที่แตกต่างกันผ่านปฏิกิริยาเคมี ซึ่งกระบวนการนี้ยังไม่ได้รับการทำความเข้าใจอย่างสมบูรณ์
หินไนส์รูปตา.
หินไนส์รูปตา หรือไนส์ออยเกน (Augen gneiss) เป็นชื่อที่มาจากภาษาเยอรมันคำว่า "Augen" [ˈaʊɡən] ซึ่งหมายถึง "ดวงตา" เป็นหินไนส์ที่เกิดจากการแปรสภาพของหินแกรนิต มีลักษณะเด่นคือเม็ดแร่ทรงรีหรือทรงเลนส์ (porphyroclasts) ซึ่งมักเป็นเฟลด์สปาร์ที่ถูกแรงเฉือนล้อมรอบด้วยวัสดุที่มีลักษณะเป็นเม็ดที่เล็กกว่า วัสดุเม็ดเล็กที่ล้อมรอบนี้ถูกแปรสภาพและเปลี่ยนรูปตามแรงเฉือนรอบเม็ดเฟลด์สปาร์ที่มีความทนทานมากกว่า จึงก่อให้เกิดลักษณะพื้นผิวแบบเฉพาะตัวของหินไนส์รูปตา
มิกมาไทต์.
หินมิกมาไทต์ (Migmatite) เป็นหินไนส์ชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยหินสองประเภทหรือมากกว่าที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน โดยหินประเภทหนึ่งมีลักษณะคล้ายหินไนส์ทั่วไป เรียกว่า เมโซโซม (mesosome) และอีกประเภทหนึ่งมีลักษณะคล้ายหินอัคนีแทรกซ้อน เช่น เพกมาไทต์ (pegmatite), แอพไลต์ (aplite) หรือแกรนิต ซึ่งเรียกว่าลูโคโซม (leucosome) นอกจากนี้ มิกมาไทต์อาจมีส่วนประกอบของเมลาโนโซม (melanosome) ซึ่งเป็นหินเมฟิกที่ประกอบเข้ากับลูโคโซม มิกมาไทต์มักถูกตีความว่าเป็นหินที่ผ่านกระบวนการหลอมบางส่วน โดยที่ลูโคโซมคือส่วนที่ถูกหลอมละลายและอุดมไปด้วยซิลิกา ส่วนเมลาโนโซมนั้นคือหินที่ยังคงเป็นของแข็งหลังจากการหลอมบางส่วน และเมโซโซมคือหินต้นกำเนิดที่ยังไม่ผ่านกระบวนการหลอมบางส่วนดังกล่าว
การกำเนิด.
หินไนส์เป็นหินที่บ่งบอกถึงคุณลักษณะของบริเวณที่เกิดการแปรสภาพระดับภูมิภาค (regional metamorphism) ซึ่งอยู่ระหว่างชุดลักษณ์ (facies) ของแอมฟิโบไลต์ (amphibolite) ไปจนถึงชุดลักษณ์ของกรานูไลต์ (granulite) กล่าวคือหินเหล่านี้ได้ผ่านกระบวนการแปรสภาพที่อุณหภูมิสูงกว่า 600 °C (1,112 °F) และความดันระหว่างประมาณ 2 ถึง 24 กิโลบาร์ หินหลากหลายชนิดสามารถแปรสภาพเป็นหินไนส์ได้ ดังนั้นนักธรณีวิทยาจึงให้ความสำคัญกับการระบุสีและองค์ประกอบแร่ในชื่อของหินไนส์ เช่น การ์เนต-ไบโอไทต์ พาราไนส์ (garnet-biotite paragneiss) หรือ ไนส์ออโธสีเทาอมชมพู (grayish-pink orthogneiss)
แดนแกรนิต-กรีนสโตน.
หินฐานทวีป (continental shield) คือพื้นที่ที่มีหินโบราณโผล่ขึ้นมา ซึ่งได้ประกอบเป็นแกนกลางที่มีความเสถียรของทวีปต่าง ๆ หินที่โผล่ในพื้นที่ที่เก่าแก่ที่สุดของหินฐานเหล่านี้ ซึ่งอยู่ในบรมยุคอาร์เคียน (อายุมากกว่า 2,500 ล้านปี) ส่วนใหญ่เป็นหินในแดนแกรนิต-กรีนสโตน (granite-greenstone belts) แดนหินกรีนสโตนประกอบด้วยหินภูเขาไฟแปร (metavolcanic rock) และหินตะกอนแปร (metasedimentary rock) ซึ่งผ่านการแปรสภาพในระดับค่อนข้างต่ำ โดยอยู่ในอุณหภูมิระหว่าง 350–500 °C (662–932 °F) และความดัน 200–500 เมกะปาสกาล (2,000–5,000 บาร์) แดนหินกรีนสโตนถูกล้อมรอบด้วยพื้นที่ของหินไนส์ที่มีการแปรสภาพในระดับสูง ซึ่งแสดงการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงในสภาวะความดันต่ำและอุณหภูมิสูง (มากกว่า 500 °C (932 °F)) จนถึงระดับชุดลักษณ์ของแอมฟิบอไลต์หรือกรานูไลต์ หินเหล่านี้คือองค์ประกอบส่วนใหญ่ของหินที่โผล่ขึ้นมา ณ หินฐานธรณีในบรมยุคอาร์เคียน
โดมหินไนส์.
โดมหินไนส์พบได้ทั่วไปในแดนเทือกเขา (orogenic belts) ซึ่งเป็นพื้นที่ที่เกิดการก่อตัวของภูเขาขึ้นมา โดยจะประกอบด้วยโดมของหินไนส์ที่ถูกแทรกด้วยหินแกรนิตและมิกมาไทต์ที่มีอายุน้อยกว่า โดยมีหินตะกอนปกคลุมอยู่ด้านบน โดมหินไนส์เหล่านี้ได้รับการตีความว่าเป็นบันทึกทางธรณีวิทยาของเหตุการณ์การก่อตัวของภูเขาในช่วงเวลาสองช่วงที่แตกต่างกัน โดยเหตุการณ์แรกทำให้เกิดหินแกรนิตที่เป็นฐานราก และเหตุการณ์ที่สองที่ทำให้ฐานรากนี้เกิดการเสียรูปและการหลอมละลายจนกลายเป็นโดม อย่างไรก็ตาม โดมหินไนส์บางแห่งอาจเป็นแกนกลางของแหล่งแกนกลางหินแปร (metamorphic core complexes) ซึ่งเป็นส่วนลึกของเปลือกโลกที่ถูกยกขึ้นมาสู่ผิวโลกและโผล่ขึ้นมาในช่วงที่เปลือกโลกเกิดการขยายตัว
นิรุกติศาสตร์.
คำว่า "ไนส์" (gneiss) ถูกใช้ในภาษาอังกฤษตั้งแต่ปี ค.ศ. 1757 หรือก่อนหน้านั้น โดยยืมมาจากคำในภาษาเยอรมัน Gneis ซึ่งเดิมสะกดว่า Gneiss เช่นกัน คำนี้อาจมีที่มาจากคำนามในภาษาเยอรมันสูงยุคกลาง (Middle High German) คำว่า "gneist" ซึ่งแปลว่า "ประกายไฟ" เนื่องจากหินชนิดนี้มีลักษณะแวววาวเหมือนประกายไฟ
การใช้ประโยชน์.
หินไนส์ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุก่อสร้าง เช่นหินเฟคอยดัลไนส์ (Facoidal gneiss) ซึ่งมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในเมืองริโอเดจาเนโร นอกจากนี้ หินไนส์ยังถูกนำมาใช้เป็นวัสดุผสมในการก่อสร้าง เช่น การผสมยางมะตอยสำหรับพื้นถนน