ธรณีภาค – หินชนิดต่าง ๆ ที่มีอยู่ทั่วไปในโลก ถือเป็นวัตถุที่พบได้ยากบนดาวเคราะห์เพื่อนบ้านในระบบสุริยะ เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น และอะไรคือสิ่งที่ทำให้หินบนโลกมีลักษณะเฉพาะตัว
เมื่อไม่นานมานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบสิ่งน่าประหลาดใจบนด้านไกลของดวงจันทร์ นั่นคือ จุดร้อน (Hotspot) บริเวณปล่องภูเขาไฟที่พังทลายลงเมื่อหลายพันล้านปีก่อน โดยอุณหภูมิที่สูงขึ้นในบริเวณนั้นมีสาเหตุมาจากกัมมันตรังสีในหินแกรนิตบนผิวของดวงจันทร์ ซึ่งเกิดจากแมกมาที่เย็นตัวลงตามรอยแตกบนพื้นผิวของดาว
อย่างไรก็ดี สิ่งที่น่าประหลาดใจนั้นไม่ใช่กัมมันตภาพรังสีในหินแกรนิต เพราะแม้แต่หินแกรนิตบนโลกที่ถูกนำไปทำเคาน์เตอร์ครัวยังมีกัมมันตรังสีปะปนอยู่เล็กน้อย แต่สิ่งที่น่าประหลาดใจจริง ๆ สำหรับนักวิทยาศาสตร์คือ “การพบว่ามีหินแกรนิตอยู่บนดวงจันทร์” แม้เราสามารถพบหินชนิดนี้ได้ทั่วไป เพราะแผ่นเปลือกโลกของเราเคลื่อนอยู่ตัวตลอดเวลาและบนดาวเคราะห์ของเราก็มีน้ำ แต่บนดวงจันทร์ไม่มีทั้งสองปัจจัยที่จะทำให้เกิดหินแกรนิตขึ้นได้
เมื่อนำข้อมูลทางธรณีวิทยาของหินบนดาวโลกและดาวเคราะห์ดวงอื่นในระบบสุริยะของเรามาเปรียบเทียบกันจะพบว่า นอกจากหินแกรนิตแล้ว ยังมีหินอัคนี หินตะกอน และหินแปรบางชนิดที่มีอยู่ทั่วไปบนโลก แต่กลับพบได้ยากบนดาวดวงอื่น ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ภูมิทัศน์บนโลก เช่น เกาะหินปูนน้อยใหญ่ที่ตั้งเรียงรายอยู่ในอ่าวฮาลองเบย์ หินลาวาและหินตะกอนภูเขาไฟที่แทรกสลับชั้นจนเกิดเป็นภูเขาไฟฟูจิ หรือแม้แต่ตะกอนควอตซ์ที่ทับถมกันจนเกิดเป็นเนินทราย ไม่ปรากฎบนดาวเคราะห์ดวงอื่นเลย
กล่าวคือ ลักษณะทางธรณีวิทยาของหินบนโลกนั้นมีลักษณะที่เฉพาะตัวมาก จึงทำให้ประเภทของหินแตกต่างจากดาวเคราะห์อื่นโดยสิ้นเชิง
ในปัจจุบันนี้ บรรดานักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาและอภิปรายข้อมูลเกี่ยวกับหินบนโลกซึ่งเป็นหินชนิดพิเศษ หายาก หรือเป็นหินที่ไม่สามารถพบได้บนดาวเคราะห์ดวงอื่นโดยอาศัยความรู้ที่มีอยู่ในปัจจุบันเท่านั้น หากการสำรวจดวงจันทร์ยังสามารถสร้างความประหลาดใจให้แก่นักวิทยาศาสตร์ด้านธรณีวิทยาได้อย่างต่อเนื่อง ธรณีวิทยาของดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ที่มนุษย์เคยสำรวจโดยหุ่นยนต์และยานอวกาศไร้คนขับ หรือสำรวจผ่านการสังเกตวงโคจรและกล้องโทรทรรศน์อวกาศก็คงจะมีเรื่องให้ประหลาดใจไม่ต่างจากการสำรวจดวงจันทร์เช่นกัน
หินอัคนีซึ่งเกิดจากลาวา (หรือแมกมาที่ปะทุออกมาจากรอยแตกของเปลือกดาวเคราะห์) เป็นเพียงหินธรรมดาที่ไม่มีความพิเศษใด ๆ ในระบบสุริยะของเรา เพราะบนพื้นผิวของดวงจันทร์ ดาวอังคาร ดาวพุธ ดาวศุกร์ หรือแม้แต่ดวงจันทร์ไอโอ (Io) ของดาวพฤหัสบดีต่างก็มีภูเขาไฟอยู่เป็นจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม แมกมาที่อยู่ใต้พื้นผิวของดาวเคราะห์ไม่ใช่ต้นกำเนิดของหินแกรนิต เพราะก่อนที่หินชนิดนี้จะเกิดขึ้นได้ แมกมาจะต้องผ่านกระบวนการรีไซเคิลก่อน
แฮร์รี แม็กสวีน (Harry McSween) นักวิทยาศาสตร์ด้านธรณีวิทยาดาวเคราะห์จากมหาวิทยาลัยเทนเนสซีกล่าวว่า “ปกติแล้วแมกมาที่เพิ่งปะทุขึ้นมาและเย็นตัวบนเปลือกดาวเคราะห์จะเกิดเป็นหินก้อนสีดำ ๆ ที่เราเรียกว่า บะซอลต์ ไม่ใช่หินแกรนิต” โดยปกติแล้ว หินแกรนิตจะเกิดจากแมกมาที่หลอมละลายซ้ำไปมาโดยมีเปลือกดาวเคราะห์บางส่วนละลายปะปนลงไปด้วย ในขณะที่แมกมากำลังหลอมละลาย แร่ธาตุต่าง ๆ ที่เป็นส่วนประกอบของแมกมาและเปลือกดาวเคราะห์ เช่น แร่ควอตซ์ซึ่งหลอมละลายได้ง่าย จะแปรสภาพเป็นของเหลวและไหลแยกออกจากชั้นแมกมา แร่ธาตุเหลวเหล่านั้นคือผลผลิตจากการรีไซเคิลแมกมา เมื่อเย็นตัวลงแล้วจะแข็งตัวจนกลายเป็นหินแกรนิตชนิดต่าง ๆ ซึ่งเป็นหินที่พบมากที่สุดในแผ่นเปลือกโลก4
กระบวนการรีไซเคิลของแมกมามักจะเกิดขึ้นบริเวณเขตมุดตัวของเปลือกโลก (Subduction zone) หรือบริเวณที่เปลือกโลกภาคพื้นสมุทรจมตัวลงใต้แผ่นเปลือกโลกทวีป สาเหตุเป็นเพราะขณะที่แผ่นเปลือกโลกทั้งสองประเภทเคลื่อนตัวสวนกันจะเกิดการเสียดสีจนทำให้บริเวณนั้นมีอุณหภูมิสูงขึ้น นอกจากนั้น หินที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบยังเกิดการหลอมละลายได้ง่าย เมื่อเปลือกโลกภาคพื้นสมุทรเคลื่อนตัวลง น้ำที่เป็นส่วนประกอบในแผ่นเปลือกโลกจะกลายเป็นสิ่งที่ช่วยให้แผ่นเปลือกโลกหลอมเหลวกลายเป็นแมกมาได้ง่ายขึ้น
แมทธิว ซิกเลอร์ (Matthew Siegler) นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จากสถาบันวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ในเมืองทูซอน รัฐแอริโซนา ผู้ทำหน้าที่ช่วยระบุตำแหน่งหินแกรนิตบนดวงจันทร์กล่าวว่า “โลกที่มีทั้งแผ่นเปลือกโลกและแผ่นเปลือกมหาสมุทรมีปรากฎการณ์ที่จะทำให้เกิดหินแกรนิตขึ้นอย่างง่ายดายได้ตลอดเวลา แต่ดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ ไม่มีสิ่งเหล่านี้”
ทั้งหมดที่กล่าวมานั้นเป็นเหตุผลว่าทำไมดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร หรือดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีซึ่งเต็มไปด้วยภูเขาไฟจึงมีหินบะซอลต์เป็นจำนวนมาก แต่กลับมีหินแกรนิตเพียงเล็กน้อยเท่านั้น และสาเหตุที่ทำหินแกรนิตพบได้ยากบนดาวเคราะห์เพื่อนบ้านยังเป็นเหตุผลว่าทำไมภูเขาไฟบนดาวเคราะห์ดวงอื่นจึงมีลักษณะคล้ายกับแพนเค้กแบน ๆ มากกว่าภูเขาไฟฟูจิ คำตอบคือ นั่นเป็นเพราะหินบะซอลต์ที่หลอมละลายมีลักษณะเหลวกว่าแมกมารีไซเคิลจึงไหลแผ่ออกจนมีรูปทรงคล้ายโล่ขนาดยักษ์ เช่นเดียวกับภูเขาไฟโอลิมปัส (Olympus Mons) บนดาวอังคาร
ความอุดมสมบูรณ์ของทรัพยากรน้ำเป็นสิ่งที่ทำให้โลกมีลักษณะเฉพาะที่โดดเด่นกว่าดาวเคราะห์อื่นในระบบสุริยะ น้ำในโลกไม่ได้มีหน้าที่ช่วยหลอมเหลวแผ่นเปลือกโลกและหินเพียงอย่างเดียว แต่ยังช่วยให้ตะกอนต่าง ๆ รวมตัวกันและเกิดการแข็งตัวจนกลายเป็นหินชนิดใหม่ขึ้น
หินตะกอนชนิดต่าง ๆ เช่น หินทราย เกิดจากการที่ตะกอนของหินที่ผุผังสะสมและทับถมกันจนจับตัวแข็งเป็นหินก้อนใหม่ ความดันเป็นสิ่งที่ช่วยให้กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปได้ แต่ยังไม่เพียงพอที่จะทำให้ตะกอนจับตัวเป็นก้อน “คุณจำเป็นจะต้องใช้น้ำเป็นตัวช่วยในการประสานอนุภาคต่าง ๆ ให้รวมเข้าด้วยกัน” เคิร์สเตน ซีแบก (Kirsten Siebach) นักธรณีวิทยาดาวอังคารจากมหาวิทยาลัยไรซ์กล่าว
สิ่งที่ซีแบกอธิบายชี้ให้เห็นว่า น้ำคือสาเหตุที่ทำให้หินตะกอนพบได้ยากบนดาวเคราะห์ดวงอื่น เบธานี เอลแมนน์ (Bethany Ehlmann) นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียกล่าวว่า “แม้ว่าจะหายาก แต่นักวิทยาศาสตร์ก็พบว่ามีหินตะกอนซ่อนอยู่ตามดาวเคราะห์น้อยบางกลุ่ม ยกตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์น้อยริวงุ (Ryugu) และดาวเคราะห์น้อยเบ็นนู (Bennu) ซึ่งเกิดขึ้นจากการที่เศษหินต่าง ๆ ในอวกาศรวมไปถึงก้อนกรวดที่เป็นหินตะกอนถูกแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์น้อยทั้งสองดวงบีบอัดจนกลายเป็นก้อน”
นอกจากดาวโลกแล้ว ดาวอังคารยังเป็นดาวเคราะห์อีกหนึ่งดวงที่มีหินตะกอนหลายชนิดอยู่บนพื้นผิว เนื่องจากเมื่อหลายล้านปีก่อนดาวดวงนี้เคยมีน้ำอยู่จำนวนมาก และเคยมีอุณหภูมิที่อบอุ่นกว่าปัจจุบัน หินส่วนใหญ่ที่พบบนดาวอังคารนั้นก่อตัวขึ้นจากตะกอนต่าง ๆ ที่สะสมอยู่ตามแม่น้ำ ทะเลสาบ และเนินทรายเมื่อหลายพันล้านปีที่แล้ว ซีแบกกล่าวเสริมว่า “เช่นเดียวกับหินแกรนิต จริง ๆ แล้วหินตะกอนส่วนใหญ่ที่เราคุ้นเคยก็เป็นหินตะกอนลักษณะเฉพาะที่จะพบได้ในโลกเท่านั้น”
ยกตัวอย่าง เช่น หินทราย ทรายบนโลกมักจะเป็นทรายที่มีสีขาวและมีแร่ควอตซ์เป็นองค์ประกอบหลัก เพราะเป็นแร่ที่พบได้ทั่วไปในหินแกรนิต ด้วยหินแกรนิตย่อยสลายได้ยาก เมื่อผุพังลงจึงกลายเป็นตะกอนทรายที่ทับถมจนเกิดเป็นหินชนิดใหม่ขึ้น ส่วนหินทรายบนดาวอังคารนั้นเกิดจากวัตถุที่แตกต่างจากโลกโดยสิ้นเชิง แม็กสวีนกล่าวว่า “ถ้าไม่นับฟอสซิล หินทรายที่มีองค์ประกอบหลักเป็นแร่ควอตซ์น่าจะเป็นหนึ่งในหินบนโลกที่มีลักษณะเฉพาะเจาะจงที่สุดเท่าที่ผมจะจินตนาการได้ เพราะการที่หินทรายสักก้อนจะก่อตัวขึ้นมาได้ต้องอาศัยทั้งการแปรสัณฐานของเปลือกโลก การกัดเซาะ และน้ำ”
การแปรสัณฐานของเปลือกโลกและน้ำไม่ได้เป็นเพียงสองปัจจัยที่ทำให้โลกแตกต่างจากดาวเคราะห์ดวงอื่น เพราะการที่โลกของเราเป็นดาวเคราะห์เพียงดวงเดียวที่มีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ก็เป็นหนึ่งในปัจจัยที่ทำให้หินที่พบมีลักษณะเฉพาะที่ไม่คล้ายกับหินบนดาวดวงอื่น
หินปูนคือหินเนื้อละเอียดที่ก่อตัวขึ้นจากตะกอนคาร์บอเนต (Carbonates) ในท้องทะเล หินปูนเป็นหินชนิดที่สามารถพบได้ทั่วไปในโลกเพราะมีสิ่งชีวิตจำนวนมากสามารถสร้างหินชนิดนี้ขึ้นได้ ยกตัวอย่างเช่น หอยและสัตว์ทะเลต่าง ๆ โดยเฉพาะแนวปะการัง เมื่อสัตว์เหล่านี้ตายแล้วจมลงใต้ท้องทะเล หินปูนจะเริ่มก่อตัวขึ้นตามซากไม่ว่าจะเป็นเปลือกหอย โครงกระดูก หรือซากปะการัง ถ้าหากว่าซากหินปูนใต้ท้องทะเลเหล่านี้ยึดติดเข้าด้วยกัน พวกมันจะกลายเป็นก้อนหินปูนขนาดมหึมา
ซีแบกกล่าวว่า “สิ่งมีชีวิตเร่งให้หินปูนก่อตัวเร็วขึ้นมาก จนในบางครั้งแม้แต่นักธรณีวิทยาก็คิดว่า หินปูนสามารถก่อตัวขึ้นได้โดยอาศัยสิ่งมีชีวิตเท่านั้น” แต่กระบวนการที่ไม่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตก็สามารถสร้างหินที่อุดมไปด้วยคาร์บอเนตเหมือนกับหินปูนได้เช่นกัน โดยสามารถสร้างได้จากองค์ประกอบสองอย่างคือ น้ำตื้นอุณหภูมิอุ่นที่ไม่เป็นกรดเกินไป และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งในอดีตทั้งสองสิ่งนี้เป็นสิ่งที่เคยมีบนดาวอังคาร
สภาพอากาศที่อบอุ่นและเปียกชื้นในอดีตทำให้ดาวอังคารกลายเป็นดาวเคราะห์ที่ดีที่สุดรองจากโลกในการค้นหาแร่คาร์บอเนต ทว่าเอลแมนน์กลับกล่าวว่า “แต่ถ้าไม่มีสิ่งชีวิตที่ผลิตแร่ชนิดนี้ได้เป็นจำนวนมาก เราก็ไม่คิดว่าคาร์บอเนตบนดาวอังคารจะมีเยอะเท่าที่มีในมหาสมุทรของโลก”
นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ยังพบว่ามีแร่คาร์บอเนตในปริมาณที่ไม่มากนักบนดาวเคราะห์น้อยต่าง ๆ รวมไปถึงดาวเคราะห์น้อยเบ็นนู และดาวเคราะห์แคระซีรีส (Ceres) ซึ่งอยู่ใกล้กับโลก
หินอ่อนและหินชนิดอื่น ๆ ที่ถูกความร้อนและความดันแปรสภาพ
การพบหินอ่อนในอวกาศถือเป็นเรื่องที่แปลกมาก ไม่เพียงเพราะมันมีต้นกำเนิดมาจากหินปูน แต่หินอ่อนเป็นหินที่เกิดจากการแปรสภาพด้วยความร้อนและความดันสูงโดยไม่ผ่านกระบวนการหลอมละลายจนเกิดเป็นหินชนิดใหม่ขึ้น
การแปรสภาพของหินบนโลกมักจะเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ ใต้ผืนดินลึก ความร้อนและความดันในระดับความลึกใต้เปลือกโลกจะเปลี่ยนสภาพของหินและแร่ต่าง ๆ จึงทำให้แกรนิตกลายเป็นเพชร และหินปูนกลายเป็นหินอ่อน แต่บนดาวเคราะห์ดวงอื่น การแปรสภาพของหินกลับเกิดขึ้นภายในเสี้ยววินาทีจากแรงกระแทกของอุกกาบาตที่พุ่งเข้าชนดาวเคราะห์นั้น ๆ ด้วยความเร็วสูง
แม็กสวีนกล่าวว่า “หินบนดาวเคราะห์เหล่านั้นจะได้รับความดันและอุณหภูมิที่สูงมาก แต่จะเกิดขึ้นเพียงชั่วพริบตาเท่านั้น”
การแปรสภาพเนื่องจากการชนของอุกกาบาต (Shock metamorphism) เกิดขึ้นบ่อยบนดาวอังคาร อย่างไรก็ดี นักวิทยาศาสตร์ได้พบหลักฐานเช่นกันว่าบนดาวอังคารมีการแปรสภาพของหินที่รุนแรงน้อยกว่าการแปรสภาพแบบเฉียบพลันจากอุกกาบาต และการแปรสภาพของหินในรูปแบบที่กล่าวมานั้นยังคล้ายคลึงกับกระบวนการที่เกิดบนโลก แต่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่ช้าและค่อยเป็นค่อยไปมากกว่า ก่อนหน้านี้เอลแมนน์และทีมของเธอได้ทำการระบุหินแปรจากดาวอังคารที่เธอมีความเห็นว่า อาจก่อตัวขึ้นจากน้ำใต้ดินอุณหภูมิสูงซึ่งไหลเวียนผ่านหินที่ฝังตัวอยู่ใต้พื้นผิวของดาวจนหินเกิดการแปรสภาพด้วยจากความร้อนและความดันที่ต่ำ
ในขณะที่พื้นผิวของดาวศุกร์นั้นมีอุณหภูมิสูงมากพอที่จะทำให้ตะกั่วละลายได้ อุณหภูมิของดาวดวงนี้สูงมากจนแม็กสวีนคิดว่าหินที่อยู่ตามพื้นผิวของมันควรจะเกิดการแปรสภาพขึ้น อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์กลับพบกว่าความดันบรรยากาศของดาวศุกร์ถือว่าต่ำมากเมื่อเทียบกับความดันใต้ผิวโลกในระดับลึกลงไปเพียงไม่กี่กิโลเมตร กล่าวคือ แม้ความกดอากาศบนดาวศุกร์จะสูงกว่าโลกมากแต่ก็ไม่ได้ใกล้เคียงกับความกดอากาศมหาศาลที่เกิดขึ้นใต้พื้นผิวโลกเพียงไม่กี่กิโลเมตร ดังนั้น แรงที่กระทำโดยน้ำหนักของชั้นหินที่อยู่ลึกลงไปใต้พื้นผิวโลกจึงสูงกว่าดาวศุกร์มาก
แม็กสวีนกล่าวว่า “ท้ายที่สุดแล้วหากเราสามารถขุดเจาะพื้นผิวของดาวเคราะห์ดวงต่าง ๆ ได้ลึกพอ เราอาจจะพบหินแปรบนดาวเคราะห์ทุกดวงในระบบสุริยะ” อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่ทำให้โลกมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวคือ แผ่นเปลือกโลกที่เคลื่อนตัวตลอดเวลา และหินชนิดต่าง ๆ ที่เกิดจากแมกมา สองสิ่งนี้เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้โลกของเรามีความหลากหลายทางธรณีวิทยามากกว่าดาวเคราะห์ดวงอื่น
แม็กสวีนกล่าวอีกว่า “นอกจากนี้แล้ว โลกของเรายังมีกระบวนการการเปลี่ยนลักษณะของหินบนพื้นโลกที่มีประสิทธิภาพ การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นเป็นวัฏจักร เมื่อหินจากใต้พื้นผิวเคลื่อนตัวขึ้นสู่เปลือกโลกแล้ว โลกจะส่งหินที่อยู่บนพื้นผิวกลับลงใต้เปลือกโลกอีกครั้งเพื่อแปรสภาพให้หินเหล่านั้นกลายเป็นหินชนิดใหม่ นี่เป็นกระบวนการที่จะไม่เกิดขึ้นบนดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ อย่างแน่นอน”
แปล พรรณทิพา พรหมเกตุ