แร่และหิน แตกต่างกันอย่างไร และเกิดขึ้นในธรรมชาติได้อย่างไร

สินแร่ และ หิน เป็นทรัพยากรธรรมชาติที่นำมาประยุกต์ใช้ในงานอุตสาหกรรมในวงกว้าง และสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจให้กับหลายประเทศ

แร่ (Minerals) คือ ธาตุหรือสารประกอบอนินทรีย์ (Inorganic Compound) ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ประกอบด้วยอะตอมของธาตุตั้งแต่ 1 ชนิดขึ้นไป มีโครงสร้างภายในเป็นผลึก จึงมีสถานะเป็นของแข็ง อีกทั้งยังมีองค์ประกอบทางกายภาพและทางเคมีที่ค่อนข้างเสถียรและแน่นอน ซึ่งส่งผลให้แร่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างจำกัด

คุณสมบัติทางกายภาพของแร่

ผลึก (Crystal) คือ โครงสร้างทางกายภาพที่เป็นผลมาจากการจัดเรียงตัวของอะตอมหรือโมเลกุลของธาตุที่ประกอบอยู่ภายในแร่ต่าง ๆ เกิดเป็นรูปทรงสามมิติที่มีระนาบ มีสมมาตร และมีการจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบ แร่บางชนิดประกอบขึ้นจากธาตุชนิดเดียวกัน แต่มีรูปทรงผลึกแตกต่างกันออกไป เช่น เพชร (Diamond) และกราไฟต์ (Graphite)
แนวแตกเรียบ (Clevage) คือ รอยแตกระนาบที่เรียบไปตามโครงสร้างอะตอมในผลึกแร่ โดยทั่วไปรอยแตกนี้จะขนานไปตามผิวหน้าของแร่
รอยแตก (Fracture) คือ รอยแตกที่ไม่สม่ำเสมอหรือมีทิศทางไม่แน่นอนบนผิวของแร่
ความถ่วงจำเพาะ (Specific Gravity) คือ อัตราส่วนระหว่างน้ำหนักของสสารต่อน้ำหนักของน้ำ ณ อุณหภูมิหนึ่ง โดยทั่วไป แร่โลหะจะมีความถ่วงจำเพาะมากกว่าแร่อโลหะ
ความแข็ง (Hardness) คือ ความแข็งแรงทนทานต่อแรงกระทำจากภายนอกของแร่
สี (Color) คือ สีสันของแร่ ซึ่งแร่แต่ละชนิดอาจปรากฏให้เห็นเพียงสีเดียวหรืออาจมีสีสันหลากหลายขึ้นอยู่กับชนิดของแร่และความบริสุทธิ์หรือการเจือปนของแร่ธาตุชนิดอื่น
สีผงละเอียด (Streak) คือ ผงสีที่หลุดออกมาจากแร่ เมื่อนำแร่มาฝนลงบนกระเบื้องสีขาว เช่น สีผงละเอียดของแร่ฮีมาไทต์ (Hematite) ที่เป็นสีแดงและแมกนีไทต์ (Magnetite) ที่เป็นสีดำ ทั้งที่ทั้งคู่ต่างเป็นสินแร่เหล็กเช่นเดียวกัน
ความวาว (Luster) คือ คุณสมบัติในการสะท้อนแสงของผิวแร่ ซึ่งสามารถจำแนกออกเป็น 3 ลักษณะ คือ วาวแบบโลหะ วาวแบบอโลหะ และวาวแบบกึ่งโลหะ

ประเภทของแร่

1. แร่ประกอบหิน (Rock Forming Minerals) คือ แร่ที่เป็นส่วนประกอบสำคัญของหินชนิดต่าง ๆ ซึ่งแร่ประกอบหิน ประกอบด้วยธาตุหลักจำนวน 8 ธาตุ ได้แก่ ออกซิเจน ซิลิคอน อะลูมิเนียม เหล็ก แคลเซียม โพแทสเซียม โซเดียม และแมกนีเซียม โดยมีอัตราส่วนแตกต่างกันออกไปในหินแต่ละก้อน

2. แร่เศรษฐกิจ (Economic Minerals) คือ แร่ที่มีคุณค่าทางเศรษฐกิจ ซึ่งมนุษย์สามารถนำมาใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมด้านต่าง ๆ โดยแร่เศรษฐกิจสามารถจำแนกออกเป็น 2 กลุ่มหลัก คือ

แร่โลหะ (Metallic Minerals) หรือแร่ที่มีความคงทนแข็งแรง สามารถทนความร้อนและนำไฟฟ้าได้ดี เช่น ดีบุก เหล็ก แมงกานีส ทองแดง และตะกั่ว รวมไปถึงทองคำ เงิน และทองคำขาวที่เรียกรวมกันว่า “แร่โลหะมีค่า”
แร่อโลหะ (Non-metallic Minerals) คือ แร่ที่ไม่สามารถนำความร้อน มีลักษณะโปร่งแสง เปราะบางและแตกหักง่าย เช่น ฟลูออไรท์ ยิปซัม หินทราย ดินขาว ควอตซ์ และโดโลไมต์

หินและแร่, หิน, แร่, สินแร่, ทรัพยากรธรรมชาติ, ทรัพยากร — สินแร่

3. นอกจากนี้ ยังมี “สินแร่” (Ore) หรือแร่ประกอบหินที่มีแร่เศรษฐกิจเจือปนอยู่ในปริมาณมาก ซึ่งมนุษย์พิจารณาแล้วว่าคุ้มค่าต่อการนำมาใช้ประโยชน์ เช่น แร่รัตนาชาติ (Gemstone) และแร่เชื้อเพลิง ไม่ว่าจะเป็นถ่านหิน น้ำมันดิบ หรือก๊าซธรรมชาติ

หินและประเภทของหิน

หิน (Rocks) คือ มวลของแข็งที่ประกอบขึ้นจากแร่ ทั้งจากแร่ชนิดเดียวกันหรือแร่หลายชนิดในธรรมชาติ ซึ่งรวมตัวกันอยู่บริเวณเปลือกโลก โดยเปลือกโลกส่วนใหญ่ ประกอบขึ้นจากแร่ตระกูลซิลิเกต (Silicate) และคาร์บอเนต (Carbonate) จากการที่บรรยากาศของโลกในอดีตนั้น มีคาร์บอนไดออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งส่งผลให้ฝนหรือหยาดน้ำฟ้าที่ตกลงสู่ผืนดินได้ทำการละลายและนำคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นบรรยากาศลงมาสะสมอยู่บนเปลือกโลกและมหาสมุทร และยังทำให้คาร์บอนกลายเป็นธาตุหลักที่สิ่งมีชีวิตบนโลกนำมาใช้ในการสร้างธาตุอาหาร อวัยวะต่าง ๆ และร่างกาย

เนื่องจากเปลือกโลกมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา หินจึงมีการแปรสภาพ ผุพังลง และเกิดการทับถม เพื่อสร้างตัวขึ้นใหม่ กลายเป็นวงจรการกำเนิดและการเปลี่ยนแปลงของหินที่เรียกว่า “วัฏจักรหิน” (Rock Cycle) ซึ่งทำให้เราสามารถจำแนกหินตามลักษณะการเกิดได้ 3 ประเภท ดังนี้

1. หินอัคนี (Igneous Rocks) คือ หินที่เกิดจากการแข็งตัวของหินหนืด (Magma) จากชั้นแมนเทิลที่โผล่ขึ้นมาบนพื้นผิวโลก หินอัคนีสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

หินอัคนีแทรกซอน (Intrusive Igneous Rocks) คือ หินที่เกิดจากหินหนืด ซึ่งเย็นตัวลงภายในเปลือกโลกอย่างช้า ๆ ทำให้ผลึกแร่มีขนาดใหญ่และมีเนื้อหยาบ เช่น เช่น หินแกรนิต (Granite) หินไดออไรต์ (Diorite) และหินแกบโบร (Gabbro)
หินอัคนีพุ (Extrusive Igneous Rocks) หรือ “หินภูเขาไฟ” คือ หินหนืดที่เกิดจากการเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วของลาวา (Lava) บนผิวโลก ทำให้ผลึกแร่มีขนาดเล็กและมีเนื้อละเอียด เช่น หินบะซอลต์ (Basalt) หินแอนดีไซต์ (Andesite) และหินไรโอไลต์ (Rhyolite)

2. หินตะกอน (Sedimentary Rocks) คือ หินที่เกิดจากการทับถมและการสะสมตัวของตะกอนต่าง ๆ เช่น เศษหิน แร่ กรวด ทราย และดิน ที่ผุพัง สึกกร่อนหรือถูกกัดเซาะมาจากหินดั้งเดิม โดยปัจจัยต่าง ๆ ในธรรมชาติ เช่น การเคลื่อนที่ของธารน้ำแข็ง กระแสลม หรือคลื่นในทะเล

หินตะกอนสามารถแบ่งตามลักษณะเนื้อหินได้ 2 ประเภท คือ

หินชั้นเนื้อประสม (Clastic Sedimentary Rocks) คือ หินชั้นที่เนื้อเดิมของตะกอนยังคงอยู่ในสภาพสมบูรณ์ สามารถพิสูจน์ได้ เช่น หินทราย (Sandstone) หินดินดาน (Shale) และหินกรวดมน (Conglomerate)
หินชั้นเนื้อประสาน (Non-clastic Sedimentary Rocks) คือ หินที่เกิดจากการตกผลึกทางเคมีหรือจากสิ่งมีชีวิต มีเนื้อประสานกันอย่างสมบูรณ์ จนไม่สามารถพิสูจน์สภาพดั้งเดิมของตะกอนต่าง ๆ ได้ เช่น หินปูน (Limestone) หินเชิร์ต (Chert) และถ่านหิน (Coal)

3. หินแปร (Metamorphic Rocks) คือ หินที่เกิดจากการแปรสภาพ โดยความร้อน ความดันและปฏิกิริยาทางเคมี ซึ่งทำให้เนื้อของหิน แร่ประกอบต่าง ๆ และโครงสร้างดั้งเดิมเปลี่ยนแปลงไป

การแปรสภาพแบบภูมิภาคหรือบริเวณไพศาล (Regional Metamorphism) คือ การแปรสภาพของหินที่ส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่ของเปลือกโลก โดยอาศัยทั้งความร้อนและความดันสูงลึกลงไปใต้ผิวโลกที่ทำให้แร่ดั้งเดิม เกิดการแปรสภาพเป็นแร่ชนิดใหม่ เกิดการเปลี่ยนแปลงของรูปร่างและการจัดเรียงตัวของแร่ที่แสดงริ้วขนาน (Foliation) อันเนื่องมาจากแร่เดิมถูกบีบอัดจนเรียงตัวเป็นแนวหรือแถบขนานกัน เช่น หินไนส์ (Gneiss) หินชีสต์ (Schist) และหินชนวน (Slate)
การแปรสภาพแบบสัมผัส (Contact Metamorphism) คือ การแปรสภาพของหินที่เกิดจากสัมผัสกับความร้อนและเกิดปฏิกิริยาทางเคมีจากสารละลายที่ขึ้นมาพร้อมกับหินหนืด โดยไม่มีปัจจัยของความดันมาเกี่ยวข้องมากนัก อาจทำให้เกิดแร่ชนิดใหม่บางส่วนหรือเกิดแร่ใหม่แทนที่แร่ในหินดั้งเดิมเฉพาะบริเวณที่มีการสัมผัสเท่านั้น ไม่แสดงริ้วขนาน เช่น หินอ่อน (Marble) และหินควอตไซต์ (Quartzite)

สืบค้นและเรียบเรียง คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ และณภัทรดนัย

ข้อมูลอ้างอิง

National Geographic – https://www.nationalgeographic.com/science/earth/inside-the-earth/rocks/
กรมทรัพยากรธรณี – http://www.dmr.go.th/ewtadmin/ewt/minerals/ewt_news.php?nid=74
ศูนย์การเรียนรู้วิทยาศาสตร์โลกและดาราศาสตร์ – http://www.lesa.biz/earth/lithosphere/rocks
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7187-2017-06-08-14-16-10
โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ – http://www.mwit.ac.th/~weerawut/ppt/Earth06_Mineral.pdf
มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ – http://www.geol.science.cmu.ac.th/

เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : การกำเนิดดินและทรัพยากรดิน