ธรณีแปรสัณฐาน

ธรณีแปรสัณฐาน () เป็นการศึกษาด้านธรณีแปรสัณฐาน ที่นักธรณีวิทยาตั้งข้อสงสัยไว้หลายร้อยปีมาแล้วถึงลักษณะของพื้นผิวโลกที่มีลักษณะธรณีสัณฐานที่แตกต่างกันไปในแต่ละพื้นที่ บ้างก็เป็นลักษณะเทือกเขาสูงชัน บ้างก็เป็นที่ราบกินอาณาบริเวณกว้างใหญ่ไพศาล หรือ ที่ราบในบางแห่งก็เป็นที่ราบไหล่ทวีปใกล้ชายฝั่งทะเล บ้างก็พบเกาะกลางมหาสมุทร รวมถึงร่องลึกกลางมหาสมุทร โดยในช่วงประมาณ ค.ศ. 1960 เมื่อ B.C. Heezen, H.H. Hess และ R.S. Dietz ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับการแยกตัวของพื้นมหาสมุทร (Seafloor Spreading) กล่าวถึงการแยกตัวที่พื้นมหาสมุทรออกจากกันเป็นแนวยาวโดยมีแมกมาจากใต้ชั้นเปลือกโลกแทรกขึ้นมาเย็นตัวและแข็งตัว เกิดเป็นพื้นมหาสมุทรใหม่แล้วก็แยกจากกันออกไปอีกเรื่อยๆ นอกจากนั้นยังมีการพูดถึงการหดตัวของโลกอันเนื่องมาจากการสูญเสียพลังงานความร้อนทำให้การหดตัวเกิดขึ้นไม่เท่ากันในแต่ละบริเวณ บริเวณที่มีการหดตัวมากอาจเป็นเป็นร่องลึก อยู่ต่ำลงไป แต่บริเวณที่มีการหดตัวน้อยก็อาจเห็นเป็นเทือกเขาสูงได้เนื่องจากบริเวณโดยรอบมีการหดตัวที่มากกว่า แต่อย่างไรก็ตามก็ยังไม่สามารถอธิบายถึงแนวร่องหุบเขาที่เกิดขึ้นได้ นักธรณีวิทยายังคงศึกษาถึงเหตุการณ์ต่างๆอย่างต่อเนื่อง เช่น สนามแม่เหล็กโลกโบราณ ซากดึกดำบรรพ์ต่างๆที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงของโลก ทำให้ปัจจุบันได้มีการกล่าวถึงทฤษฎีอยู่ 2 ทฤษฎี ที่จะมาอธิบายเหตุการณ์ต่างๆ ได้แก่

ในค.ศ. 1620 ฟรานซิส เบคอน ได้ตั้งข้อสังเกต ถึงการที่สองฟากมหาสมุทรแอตแลนติกมีลักษณะสัณฐานวิทยาที่สอดคล้องกันต่อมา P.Placet 1668 พยายามอธิบายว่าสองฟากมหาสมุทรแอตแลนติกน่าจะเชื่อมกันมาก่อน แต่ยังไม่มีหลักฐานหรือข้อมูลใดสนับสนุน นอกจากอาศัยลักษณะคล้ายคลึงสอดคล้องกันของชายฝั่งมหาสมุทรเท่านั้น จากนั้นในปี 1858 Antonio Sniderได้อาศัยข้อมูลชั้นหินในยุค Carboniferous ในทวีปยุโรปและอเมริกาเหนือมาเชื่อมโยงกันซึ่งสามารถสรุปได้ว่า ก่อนหน้านี้ทวีปทั้งหมดเคยเป็นทวีปผืนเดียวกันมาก่อน แล้วจึงค่อยๆ แยกออกจากกันในภายหลัง ในปี 1908 Frank B. Taylor ได้อธิบายถึงของการที่มหาทวีป 2 ทวีปซึ่งเคยวางตัวอยู่ใกล้ขั้วโลกเหนือและใต้แยกออกเป็นทวีปเล็กๆ และเคลื่อนที่มาในทิศเข้าหาเส้นศูนย์สูตร นั่นคือมหาทวีปลอเรเซีย (Laurasia) ซึ่งอยู่ทางเหนือและมหาทวีปกอนด์วานา (Gondwanaland) ซึ่งอยู่ทางใต้ โดยเป็นการเคลื่อนที่ของเปลือกโลกไซอัลเท่านั้น ต่อมาในปี 1910 Alfred Wegene ได้สร้างแผนที่มหาทวีปใหม่ โดยอาศัยรูปร่างแผนที่ของ Snider และตั้งชื่อว่ามหาทวีปพันเจีย ซึ่งถูกล้อมรอบด้วยมหาสมุทรพันธาลาสซา (Panthalassa) แล้วเกิดการแยกออกและเคลื่อนที่ไปอยู่ ณ ตำแหน่งที่เห็นอยู่ในปัจจุบัน โดยขณะเคลื่อนที่ก็เกิดเทือกเขาขึ้น ต่อมา Taylor ได้อธิบายว่ารอยชิ้นทวีปที่ขาดหล่นปรากฏเป็นเกาะแก่ง หรือรอยฉีกที่พบเป็นร่องลึกยังปรากฏอยู่บนพื้นมหาสมุทร

เมื่อกว่าหลายทศวรรษที่ผ่านมา นักธรณีวิทยาได้ให้ข้อสังเกตไว้ว่าแผ่นทวีปต่างๆ บนโลกนั้นน่าจะสามารถนำมาต่อกันได้เพราะแผ่นทวีปเหล่านี้เคยเป็นแผ่นเดียวกันมาก่อน จากการสังเกตครั้งนั้นร่วมกับการค้นพบซากดึกดำบรรพ์ชนิดเดียวกันบนชายฝั่งอเมริกาเหนือและแอฟริกาในเวลาต่อมา 
ในช่วง 1950s ถึง 1960s นักธรณีวิทยาได้มีการศึกษาทางสุมทรศาสตร์อย่างจริงจังเพื่อหาข้อสนับสนุนแนวความคิดต่างๆ ในอดีต และได้ก่อให้เกิดทฤษฎีของเพลตเทคโทนิก (Plate Tectonics) ขึ้นในเวลาต่อมา ทฤษฎีดังกล่าวอธิบายว่าการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก (Plates) นั้นสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงพื้นผิวโลกตลอดช่วงธรณีกาล แผ่นเปลือกโลก Lithosphere (ซึ่งประกอบด้วยเปลือกโลกและแมนเทิลส่วนบน) ลอยตัวและไหลอยู่บนชั้นหินหนืด (ชั้นแมนเทิลที่สามารถไหลได้คล้ายของเหลวเรียกว่า Asthenosphere) สามารถเคลื่อนไปได้ประมาณหนึ่งนิ้วต่อปี และก็ได้เป็นคำตอบของสาเหตุที่ทำให้แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่นั่นเอง โดยนักธรณีได้ให้ข้อสรุปไว้ว่าแผ่นเปลือกโลกสามารถเคลื่อนที่ได้สามแบบได้แก่

เมื่อแผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่แยกออกจากกัน ที่บริเวณแนวแผ่นเปลือกโลกแยกตัว (Divergent Boundaries) หินหนืดร้อน (Hot Magma) จากชั้นแมนเทิลจะแทรกตัวขึ้นมาตามช่องว่างตามแนวรอยแตก เมื่อหินหนืดเย็นตัวก็จะกลายเป็นแผ่นเปลือกโลกใหม่ การแทรกตัวขึ้นมาของหินหนืดจะทำให้แนวแยกตัวนั้นสูงขึ้นกลายเป็นแนวเทือกเขากลางมหาสมุทร (Mid-Ocean Ridges) แสดงถึงขอบของแผ่นเปลือกโลกในมหาสมุทร เปลือกโลกใหม่ที่ถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องมีอัตราเร็วในการเกิดประมาณ 20 ลูกบาศก์กิโลเมตรต่อปี

มีลักษณะเป็นแนวเทือกเขาเตี้ยวางตัวทอดยาวไปบนพื้นมหาสมุทรคล้ายกับเทือกเขาบนทวีป เทือกเขากลางสมุทรที่สำคัญได้แก่ Mid-Atlantic Ridge และ East Pacific Rise เป็นต้น กลางเทือกเขามีลักษณะพิเศษคือมีร่องลึกอันเกิดจากรอยเลื่อนทอดตัวตลอดความยาวของเทือกเขา โดยมีลักษณะคล้ายคลึงกับร่องหุบเขาที่ปรากฏอยู่บนแผ่นดินหลายแห่ง เช่น ร่องหุบเขาทางด้านตะวันออกของทวีปแอฟริกา หรือร่องหุบเขาบริเวณแม่น้ำไรน์ในยุโรป เป็นต้น บนเทือกเขากลางสมุทรมีการยกตัวขึ้นมาของหินหลอมละลายที่ลึกลงไปในชั้นเนื้อโลกทำให้เกิดเป็นหินอัคนีพุจำพวก Basalt และ Ultramafic หินอัคนีพุเหล่านี้แสดงหลักฐานเป็นแถบบันทึกสนามแม่เหล็กโลกซึ่งเกิดขึ้นขณะที่หินหลอมละลายกำลังเย็นตัว แถบบันทึกนี้แสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กโลกได้เกิดการกลับขั้วไปมาตลอดเวลา นอกจากนี้ยังพบว่าแถบบันทึกสนามแม่เหล็กโลกนี้ปรากฏอยู่บนหินที่ประกอบเป็นพื้นมหาสมุทรทั้งสองฟากของเทือกเขากลางสมุทรด้วย และพบว่ายิ่งห่างออกไปจากแนวกลางของเทือกเขาชุดหินจะมีอายุแก่ขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นจึงอธิบายได้ว่าหินเหล่านี้เกิดขึ้นก่อนที่กลางเทือกเขาแล้วค่อยเคลื่อนที่ออกจากกันเรื่อย ๆ ตามกาลเวลา จากการคำนวณการเคลื่อนที่ทำให้กำหนดความเร็วของการแยกตัวได้ว่าอยู่ระหว่าง 1 ถึง 15 เซนติเมตรต่อปี ดังนั้นเราสามารถระบุขอบของแผ่นเปลือกโลกในส่วนที่กำลังแยกตัวออกจากกันจากบริเวณเทือกเขากลางสมุทรได้

เมื่อแผ่นเปลือกโลกมหาสมุทรใหม่มีการเย็นตัวเป็นเวลากว่าสิบล้านปี ความหนาแน่นก็จะค่อยๆ เพิ่มมากขึ้นจนมีความหนาแน่นมากกว่าชั้นหินหนืดที่อยู่ด้านล่าง จากนั้นจึงมุดตัวลงไปใต้โลกเรียกว่า Subduction การมุดตัวนี้จะเกิดขึ้นในบริเวณแนวแผ่นเปลือกโลกลู่เข้าหากัน (Convergent Plate Boundaries) ซึ่งแผ่นเปลือกโลกทั้งสองแผ่นมีการเคลื่อนที่เข้าชนกัน แผ่นเปลือกโลกมหาสมุทรที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะเข้าชนและมุดตัวใต้แผ่นเปลือกโลกภาคพื้นทวีปที่ความหนาแน่นน้อยกว่า เมื่อแผ่นเปลือกโลกมุดตัวลงไปในโลก จะเกิดการบีบอัดและหลอมเป็นบางส่วน (Partially Melting) เนื่องจากอุณหภูมิและความดันที่สูงขึ้น ทำให้เกิดแผ่นดินไหวและภูเขาไฟ ขึ้นเหนือบริเวณที่มีการมุดตัว โดยการเคลื่อนที่แบบ Convergence จะทำให้เกิดลักษณะธรณีสัณฐาน 3 แบบได้แก่

แรงดันจากการมุดตัวของแผ่นเปลือกโลกมหาสมุทรทำให้แผ่นเปลือกภาคพื้นทวีปที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าที่เคลื่อนที่ต้านแรงดังกล่าวเกิดการโก่งตัวเกิดเป็นแนวเทือกเขาขนาดใหญ่ (Mountain Ranges) เช่น เทือกเขาหิมาลัย เทือกเขาร๊อกกี้

เมื่อแผ่นเปลือกโลกมหาสมุทรสองแผ่นเคลื่อนที่ชนกันและการมุดตัว บริเวณที่มีการมุดตัวจะเกิดร่องลึกมหาสมุทร (Oceanic Trenches) และแนวหมู่เกาะภูเขาไฟ (Volcanic Island Chains)

ร่องลึกนี้ถูกพบที่ใต้มหาสมุทรใกล้ขอบของทวีป และมักพบว่ามีแนวเกาะภูเขาไฟรูปโค้งอยู่ด้านอยู่ใกล้ขอบทวีป หินภูเขาไฟที่เกิดขึ้นตามแนวเกาะภูเขาไฟนี้เป็นจำพวกหิน Andesite ซึ่งแตกต่างไปจากหินอัคนีที่เกิดบริเวณเทือกเขากลางสมุทรที่ส่วนใหญ่เป็นหิน Basalt นอกจากนั้นบริเวณนี้ยังพบว่าเป็นบริเวณที่มีความร้อนสูงและมีการเกิดแผ่นดินไหวอยู่บ่อยครั้ง พบว่าตำแหน่งจุดกำเนิดแผ่นดินไหว มีลักษณะเอียงเทลงไปจากแนวร่องลึกลงไปถึงชั้นฐานธรณีภาค ที่ประมาณความลึกถึง 700 กิโลเมตร เรียกแนวแผ่นดินไหวเอียงเทนี้ว่าเขตเบนนิออฟ (Benioff Zones) จากการศึกษากลไกการเกิดแผ่นดินไหวที่พบในที่ลึกพบว่ามีแผ่นดินไหวจำนวนหนึ่งน่าจะเกิดจากรอยเลื่อนที่มีลักษณะสอดคล้องกับการเอียงของ Benioff Zone โดยแสดงเป็นลักษณะของรอยเลื่อนย้อน ดังนั้นจึงเกิดเป็นสมมติฐานว่าบริเวณนี้แผ่นเปลือกโลกกำลังมุดตัวเอียงลง และถูกกลืนหายไปในชั้นฐานธรณีภาค ขณะเดียวกันแนวเกาะภูเขาไฟและเขตความร้อนพิภพสูงก็อธิบายว่าได้เกิดการหลอมตัวของแผ่นเปลือกโลกในที่ลึกจนกลายเป็นมวลหินหลอมเหลว ซึ่งมวลหินหลอมเหลวค่อยๆหาทางเคลื่อนที่ขึ้นข้างบนมาเย็นตัวเป็นมวลหินอัคนีทั้งหินอัคนีพุและหินอัคนีแทรกดัน นอกจากนี้ในบริเวณใกล้เคียงที่ขอบของแผ่นเปลือกโลกด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านน่าจะเกิดการเข้าชนกันทำให้เกิดการคดโค้งโก่งงอพร้อมกับรอยเลื่อนย้อนมากมายจนทำให้วัสดุถูกยกตัวขึ้นเป็นแนวแคบยาวขนานไปตามแนวชนกันของขอบแผ่นเปลือกโลกนั่นคือการเกิดเป็นแนวเทือกเขานั่นเอง

แผ่นเปลือกโลกมีการเคลื่อนที่ผ่านซึ่งกันและกันในบริเวณแนวรอยเลื่อนแปรสภาพ (Transform Boundaries) มักพบในแผ่นเปลือกโลกมหาสมุทร ซึ่งเป็นสาเหตุทำให้แนวเทือกเขากลางมหาสมุทรเลื่อนเหลื่อมออกจากกัน บางบริเวณก็พบว่าตัดผ่านแผ่นเปลือกโลกภาคพื้นทวีปด้วย ในมหาสมุทรแนวดังกล่าวนี้มักจะก่อให้เกิดแผ่นดินไหวกำลังไม่มากอยู่เป็นประจำ ส่วนในภาคพื้นทวีปแนวดังกล่าวมักถูกจำกัดทำให้เกิดการสะสมพลังงานและก่อให้เกิดแผ่นดินไหวรุนแรงในเวลาต่อมาเมื่อเกิดการเลื่อนอย่างฉับพลัน ซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายได้ ดังเช่น รอยเลื่อนซานแอนเดียส

เป็นลักษณะของรอยเลื่อนแนวระดับ (Strike-Slip Fault) ซึ่งพบตัดแนวเทือกเขากลางสมุทรและทำให้แนวเทือกเขาเหลื่อมกันและจากข้อมูลแผ่นดินไหวพบว่า แนวรอยเลื่อนนี้อยู่ลึกประมาณ 300 กิโลเมตร รอยเลื่อนชนิดนี้ยังไม่ทราบถึงสาเหตุของการเกิด แต่สามารถใช้ระบุขอบเขตของแผ่นโลกที่เกิดได้ รวมทั้งบอกถึงการเคลื่อนตัวเฉียดผ่านกันของแผ่นเปลือกโลกที่อยู่ชิดกันด้วย