รอยเลื่อน

ในทางธรณีวิทยานั้น รอยเลื่อน () หรือ แนวรอยเลื่อน () เป็นรอยแตกระนาบ (planar fracture) ในหิน ที่หินด้านหนึ่งของรอยแตกนั้นเคลื่อนที่ไปบนหินอีกด้านหนึ่ง รอยเลื่อนขนาดใหญ่ในชั้นเปลือกโลกเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ที่แตกต่างกันหรือเฉือนกันและเขตรอยเลื่อนมีพลัง (active fault zone) เป็นตำแหน่งที่ไม่แน่นอนของการเกิดแผ่นดินไหวทั้งหลาย แผ่นดินไหวเกิดจากการปล่อยพลังงานออกมาระหว่างการเลื่อนไถลอย่างรวดเร็วไปตามรอยเลื่อน รอยเลื่อนหนึ่งๆตามแนวตะเข็บรอยต่อระหว่างแผ่นเปลือกโลกของการแปรสัณฐาน (tectonic) สองแผ่นเรียกว่ารอยเลื่อนแปรสภาพขนาดใหญ่ (transform fault)

ด้วยปรกติแล้วรอยเลื่อนมักจะไม่เกิดขึ้นเป็นรอยเลื่อนเดี่ยวอย่างชัดเจน คำว่า “เขตรอยเลื่อน” (fault zone) จึงถูกนำมาใช้เมื่อกล่าวอ้างถึงเขตที่มีการเปลี่ยนลักษณะที่ซับซ้อนที่เกิดขึ้นร่วมกับระนาบรอยเลื่อน ด้านทั้งสองของรอยเลื่อนที่ไม่วางตัวอยู่ในแนวดิ่งเรียกว่า “ผนังเพดาน” (hanging wall) และ “ผนังพื้น” (foot wall) โดยนิยามนั้นหินเพดานอยู่ด้านบนของรอยเลื่อนขณะที่หินพื้นนั้นอยู่ด้านล่างของรอยเลื่อน นิยามศัพท์เหล่านี้มาจากการทำเหมือง กล่าวคือเมื่อชาวเหมืองทำงานบนมวลสินแร่รูปทรงเป็นแผ่นเมื่อเขายืนบนหินพื้นของเขาและมีหินเพดานแขวนอยู่เหนือเขานั่นเองนะค่ะ

การเกิดและพฤติกรรมของรอยเลื่อนทั้งในรอยเลื่อนขนาดเล็กโดดๆ และภายในเขตรอยเลื่อนขนาดใหญ่ที่อธิบายได้ว่าเป็นแผ่นเทคโทนิกนั้นถูกควบคุมโดยการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของหินในแต่ละด้านของระนาบรอยเลื่อน

เนื่องจากการเสียดสีและความไม่ยืดหยุ่นของหินทำให้หินไม่สามารถเลื่อนไถลไปซึ่งกันและกันได้โดยง่าย โดยที่จะมีความเค้น (stress) เกิดขึ้นในหินและเมื่อความเค้นเพิ่มขึ้นจนถึงระดับหนึ่งที่เกินจุดสูงสุดของความเครียด (strain threshold) พลังงานศักย์ที่สะสมไว้จะถูกปล่อยออกมาเป็นความเครียดซึ่งจะถูกจำกัดลงบนระนาบตามที่การเคลื่อนที่สัมพัทธ์เกิดขึ้น ที่ทำให้เกิด “รอยเลื่อน” นั่นเอง

ความเครียดนั้นมีทั้งที่เกิดจากการสะสมตัวและที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันขึ้นอยู่กับวิทยากระแส (rheology) ของหิน โดยชั้นเปลือกโลกด้านล่างที่ยืดหยุ่นและส่วนของแมนเทิลจะค่อยๆ สะสมการเปลี่ยนลักษณะทีละน้อยผ่านการเฉือน ขณะที่เปลือกโลกด้านบนที่มีคุณสมบัติเปราะจะเกิดเป็นรอยแตกหรือปล่อยความเค้นแบบฉับพลันที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ไปตามแนวรอยเลื่อน รอยเลื่อนหนึ่งๆ ในหินที่มีลักษณะยืดหยุ่นก็สามารถปล่อยความเครียดออกมาแบบฉับพลันได้เหมือนกันเมื่ออัตราความเครียดมีมากเกินพอ พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาโดยการปล่อยความเครียดแบบฉับพลันนั้นเป็นสาเหตุของแผ่นดินไหวซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปอันหนึ่งที่เกิดตามแนวรอยต่อที่แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่สวนกัน (transform boundary)

รอยแตกจุลภาคหรือความไหวสะเทือนจุลภาคบางทีก็เข้าใจว่าเป็นลักษณะปรากฏที่เกิดขึ้นจากหินที่อยู่ภายใต้ความเค้น โดยเป็นการคลายตัวขนาดเล็กที่อาจมีพื้นที่เท่ากับจานอาหารใบหนึ่งหรือพื้นที่ขนาดเล็กด้วยการปลดปล่อยความเครียดภายใต้สภาพที่มีความเค้นสูง มันเพียงเกิดขึ้นเมื่อรอยแตกจุลภาคเพียงพอที่เชื่อมต่อกับพื้นที่เลื่อนไถลขนาดใหญ่อันหนึ่งที่เกิดจากเหตุการณ์ไหวสะเทือนหรือแผ่นดินไหวขนาดใหญ่

ตามทฤษฎีนี้นั้น หลังจากเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ความเค้นส่วนใหญ่จะถูกปล่อยออกมาและความถี่ของการเกิดรอยแตกจุลภาคจะต่ำลงอย่างเป็นทวีคูณ ทฤษฎีที่เกี่ยวข้องอย่าง Accelerating Moment Release (AMR) ที่มีสมมุติฐานว่าอัตราความไหวสะเทือนมีการเร่งไปในลักษณะที่รู้สึกได้อย่างชัดเจนก่อนการเกิดแผ่นดินไหวครั้งใหญ่ และนี่อาจใช้เป็นเครื่องมือบ่งบอกในการทำนายการเกิดแผ่นดินไหวล่วงหน้าตั้งแต่ในระดับวันไปจนถึงระดับปีได้

ทฤษฎีนี้กำลังมีการถูกนำไปใช้เพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากเพื่อทำนายการแตกของหินในเหมืองแร่และรวมถึงการประยุกต์อีกมากที่กำลังได้รับความพยายามในส่วนของรอยเลื่อนภายในหินที่เปราะ พฤติกรรมคล้ายๆกันนี้ก็ถูกสังเกตได้ในการสั่นไหวก่อนการระเบิดของภูเขาไฟด้วย

"ระยะเลื่อน" (slip) คือระยะการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของลักษณะทางธรณีวิทยาที่ปรากฏอยู่บนแต่ละด้านของระนาบรอยเลื่อนและเป็น เวกเตอร์ระยะเลื่อนอันหนึ่ง รูปแบบของระยะเลื่อนนั้นใช้ในการบอกประเภทของรอยเลื่อน ซึ่งมีความชัดเจนจากระยะเลื่อนแนวยืน (throw) ของรอยเลื่อนซึ่งเป็นการเหลื่อมกันในแนวดิ่ง ส่วนระยะเลื่อนแนวนอน (heave) จะวัดระยะเหลื่อมของรอยเลื่อนในแนวระดับ

เวกเตอร์ของระยะเลื่อนสามารถประเมินในทางคุณภาพได้โดยการศึกษา fault bend folding อย่างเช่นชั้นหินคดโค้งย้วยของชั้นหินบนแต่ละด้านของรอยเลื่อน ทิศทางและขนาดของระยะเลื่อนแนวนอนและระยะเลื่อนแนวยืนวัดได้โดยการหาจุดตัดธรรมดาๆ บนแต่ละด้านของรอยเลื่อน ในทางปฏิบัติแล้วเป็นไปได้ที่เราจะหาทิศทางระยะเลื่อนของรอยเลื่อนและประมาณค่าเวกเตอร์ของระยะเลื่อนแนวนอนกับระยะเลื่อนแนวยืนได้

รอยเลื่อนทั้งหลายสามารถจำแนกออกได้เป็น 3 กลุ่มตามลักษณะของระยะเลื่อน (sense of slip) รอยเลื่อนที่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ (หรือระยะเลื่อน) บนระนาบรอยเลื่อนอยู่ในแนวดิ่งจะเรียกว่า “รอยเลื่อนตามแนวมุมเท” (dip-slip fault) แต่หากว่าระยะเลื่อนอยู่ในแนวระดับจะเรียกว่า “รอยเลื่อนตามแนวระดับ” (transcurrent หรือ strike-slip fault) ส่วนรอยเลื่อนที่มีระยะเลื่อนไปตามแนวเฉียงจะเรียกว่า “รอยเลื่อนตามแนวเฉียง” (oblique-slip fault)

สำหรับความแตกต่างในการเรียกชื่อทั้งหมดนั้น ขึ้นอยู่กับมุมเอียงเทสุทธิและลักษณะของระยะเลื่อนของรอยเลื่อนซึ่งไม่ได้พิจารณาการวางตัวในปัจจุบันที่อาจเปลี่ยนแปลงไปจากการโค้งงอหรือการเอียงระดับในระดับท้องถิ่นหรือในระดับภูมิภาคได้

รอยเลื่อนตามแนวมุมเท () สามารถจำแนกแยกย่อยได้เป็นชนิด “รอยเลื่อนย้อน” (reverse fault) และ “รอยเลื่อนปรกติ” (normal fault) รอยเลื่อนปรกติเกิดขึ้นเมื่อเปลือกโลกถูกดึงออกจากกันซึ่งสามารถเรียกรอยเลื่อนชนิดนี้ว่า “รอยเลื่อนที่เกิดจากการยืดหรือดึง” (extensional fault) โดยด้านผนังเพดานของรอยเลื่อนจะเคลื่อนที่ลงสัมพัทธ์กับด้านผนังพื้น มวลหินที่เคลื่อนที่ลงที่อยู่ระหว่างรอยเลื่อนปรกติสองรอยที่มีมุมเอียงเทเข้าหากันเรียกว่า “กราเบน” (graben) ส่วนมวลหินทั้งสองที่เคลื่อนที่ขึ้นตามรอยเลื่อนปรกติติดกับกราเบนดังกล่าวเรียกว่า “ฮอสต์” (horst) รอยเลื่อนปรกติมุมต่ำ (low-angle normal fault) ที่มีนัยสำคัญทางเทคโทนิกในระดับภูมิภาคที่อาจเรียกว่า detachment fault

รอยเลื่อนย้อน (reverse fault) จะกลับกันกับรอยเลื่อนปรกติกล่าวคือ ผนังเพดานจะเคลื่อนที่ขึ้นสัมพัทธ์กับผนังพื้น รอยเลื่อนย้อนบ่งชี้ถึงมีการหดตัวลงของเปลือกโลก มุมเทของรอยเลื่อนย้อนจะมีความชันสูงมากกว่า 45 องศา

รอยเลื่อนย้อนมุมต่ำ (thrust fault) มีลักษณะการเคลื่อนที่เหมือนกันกับรอยเลื่อนย้อนแต่มีมุมเทของระนาบรอยเลื่อนจะน้อยกว่า 45 องศา รอยเลื่อนย้อนมุมต่ำทำให้เกิดลักษณะของการพัฒนาไปในแนวลาดชัน (ramp) flats และ fault bend fold รอยเลื่อนย้อนมุมต่ำก็ให้เกิดเป็นชั้นหินทบตัว (nappe) และมวลหินโดดรอยเลื่อน (klippe) ในแนวย้อนมุมต่ำ (thrust belt) ขนาดใหญ่

ระนาบรอยเลื่อนเป็นระนาบของพื้นผิวรอยแตกของรอยเลื่อน ส่วนที่ราบของรอยเลื่อนย้อนมุมต่ำจะเรียกว่า “flats” และส่วนที่ลาดเอียงเรียกว่า “แนวลาดชัน” แบบฉบับของรอยเลื่อนย้อนมุมต่ำจะเคลื่อนอยู่ภายในหมวดหมู่เกิดเป็น flats และก่ายขึ้นไปด้วยแนวลาดชัน

Fault-bend fold เกิดขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของผนังเพดานบนผิวรอยเลื่อนที่ไม่ราบเรียบและเกิดร่วมสัมพันธ์กันกับทั้งรอยเลื่อนย้อนมุมต่ำและรอยเลื่อนที่เกิดจากการยืดและดึง

รอยเลื่อนอาจกลับมามีพลังอีกครั้งในภายหลังได้ด้วยการเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ดั้งเดิม (fault inversion) ดังนั้นรอยเลื่อนปรกติหนึ่งๆ อาจกลายเป็นรอยเลื่อนย้อนได้หรือในทางกลับกัน

พื้นผิวของรอยเลื่อนตามแนวระดับ () ปรกติแล้วจะวางตัวเกือบอยู่ในแนวดิ่งและผนังพื้นจะเคลื่อนที่ไปไม่ไปทางซ้ายก็ไปทางขวาหรือไปทางด้านข้างโดยที่มีการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งเพียงเล็กน้อยมาก รอยเลื่อนตามแนวระดับ ที่มีการเคลื่อนที่ไปทางด้านซ้ายเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า รอยเลื่อน “sinistral” ขณะที่ที่มีการเคลื่อนที่ด้านข้างไปทางด้านขวาเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า รอยเลื่อน “dexstral”
ส่วนพิเศษของรอยเลื่อนตามแนวระดับคือ “รอยเลื่อนแปรสภาพขนาดใหญ่” (transform fault) ซึ่งเป็นลักษณะที่เกิดจากเพลทเทคโทนิกที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนแผ่ออกไปจากแนวศูนย์กลางอย่างเช่น เทือกเขากลางสมุทร รอยเลื่อนแปรสภาพขนาดใหญ่มักเรียกขานกันว่า “แนวแผ่นเปลือกโลกตามรอยเลื่อนแปรสภาพขนาดใหญ่” (transform plate boundary)

รอยเลื่อนหนึ่งๆ ที่มีองค์ประกอบที่เป็นทั้งรอยเลื่อนปรกติและรอยเลื่อนตามแนวระดับจะเรียกว่า “รอยเลื่อนตามแนวเฉียง” () รอยเลื่อนเกือบทั้งหมดจะมีองค์ประกอบทั้งการเลื่อนปรกติและการเลื่อนตามแนวระดับ ดังนั้นการจะนิยามให้รอยเลื่อนเป็นแบบตามแนวเฉียงนั้นต้องมีการเลื่อนทั้งตามแนวปรกติและตามแนวระดับที่มีขนาดที่วัดได้และมีนัยสำคัญ รอยเลื่อนตามแนวเฉียงบางรอยพบอยู่ในแนวเฉือนแบบ transtensional และในแนวเฉือนแบบ transpressional หรือในลักษณะอื่นที่ทิศทางของการเปลี่ยนแปลงของการแผ่ขยายตัวออกหรือการหดสั้นลงในระหว่างการเสียรูปแต่ในช่วงแรกๆที่เกิดเป็นรอยเลื่อนนั้นยังคงมีพลังอยู่

มุมกลับ (hade) ถือเป็นมุมก้มโดยเป็นมุมระหว่างระนาบรอยเลื่อนกับระนาบแนวดิ่งที่มีแนวระดับขนานไปกับรอยเลื่อนนั้น

รอยเลื่อนทั้งหมดมีค่าความหนาอยู่ค่าหนึ่งที่วัดได้ที่ประกอบไปด้วยหินที่เสียรูปที่มีลักษณะเป็นไปตามระดับความลึกในเปลือกโลกที่รอยเลื่อนเหล่านั้นเกิดขึ้น ชนิดของหินเป็นผลมาจากรอยเลื่อนและการปรากฏและธรรมชาติของของไหลที่ก่อให้เกิดแร่ หินรอยเลื่อนถูกจำแนกจากเนื้อหินและกลไกลการเกิด รอยเลื่อนหนึ่งๆที่แผ่ผ่านลงไปในระดับต่างๆของธรณีภาคจะมีชนิดของหินรอยเลื่อนที่แตกต่างกันออกไปอย่างมากที่เกิดขึ้นตามพื้นผิวหน้าของมัน การเคลื่อนตัวในแนวปรกติอย่างต่อเนื่องมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดหินรอยเลื่อนในลักษณะที่แตกต่างกันไปตามระดับของชั้นเปลือกโลกด้วยมีการแปรผันในระดับของการพิมพ์ทับลงไป ผลกระทบนี้จะปรากฏชัดเจนเป็นการเฉพาะในกรณีของรอยเลื่อนแยกออก (detachment fault) และรอยเลื่อนย้อนมุมต่ำขนาดใหญ่

ประเภทหลักๆของหินรอยเลื่อน: