EARTH STRUCTURE

EEAARRTTHH SSTTRRUUCCTTUURREE โโคครรงงสสรร้้าางงโโลลกก นนาายยณณััฏฏฐฐ์์ปปพพนน ลลุุขขะะรรัังง 441133 66 สสววนนกกุุหหลลาาบบววิิททยยาาลลััยยรรัังงสสิิตต

ก คำนำ หนังสืออิเล็กทรอนิกฉบับนี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา วิทยาศาสตร์ รหัสวิชา ว30161 ซึ่งผู้จัดทำได้รับผิดชอบในเนื้อหา โครงสร้างของโลก ผู้จัดทำหวังว่าผู้อ่านจะได้รับความรู้จากหนังสือเล่มอิเล็กทรอนิก ฉบับนี้ ขอบคุณ นายณัฏฐ์ปพน ลุขะรัง

ข สารบัญ หน้า บทนำ 1 ข้อมูลในการศึกษาและแบ่งชั้นโครงสร้างโลก 4 คลื่นไหวสะเทือน 7 การแบ่งชั้นโครงสร้างโลก 11 บรรณานุกรม 22

1 โครงสร้างโลก (Earth's Structure) บทนำ โลกเป็นดาวเคราะห์หิน ดวงหนึ่งที่เกิดขึ้นเมื่อประมาณ 4500 ล้านปีก่อนในระบบสุริยะ โลกเริ่มกำเนิดโดยการพอกพูนมวลจาก การปะทะและหลอมรวมกันของวัตถุที่เหลือจากการก่อตัวของดวง อาทิตย์ จนทำให้โลกมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีมวลมากขึ้น ซึ่งในช่วง ต้นของการกำเนิดโลกนั้น โลกมีอุณหภูมิสูงทำให้สสารต่างๆ หลอมเข้าด้วยกัน ต่อมาอุณหภูมิค้อยๆ ลกลงสสารจึงแยกชั้นจาก กันตามความหนาแน่น โดยสสารที่เป็นธาตุหนัก มีความหนา แน่นมาก เช่น เหล็ก นิกเกิลจะรวมตัวกันอยู่บริเวณใจกลางโลก ส่วนธาตุที่น้ำหนักเบากว่า มีความหน้าแน่นน้อยกว่า เช่น ซิลิ กอน อะลูมิเนียม แมกนีเซียม มีการรวมตัวกันอยู่รอบนอก ขณะ เดียวกันอุณหภูมิของโลกมีการลดลงอย่างช้าๆ โดยที่ส่วนนอกสุด ของโลกมีอุณหภูมิลดลงและแข็งตัวเร็วกว่าส่วนอื่นๆ กระบวนการ ที่กล่าวมาทั ้งหมดนี้ทำให้โลกเกิดการแบ่งชั้น

2 ช่วงต้นของการกำเนิดโลกที่เกิดจากการปะทะและหลอมรวม กันของวัตถุที่เหลืออยู่จากการก่อตัวของดวงอาทิตย์ ช่วงที่อุณหภูมิของโลกเริ่มต่ำลงทำให้ผิวชั้นนอกสุดเกิดการแข๊งตัว

3 โครงสร้างภายในโลกที่แบ่งชั้นๆ

4 ข้อมูลในการศึกษาและแบ่งชั้นโครงสร้างโลก นักวิทยาศาสตร์สนใจที่จะศึกษาโครงสร้างโลก มาเป็นเวลานาน เซอร์ไอแซค นิวตัน (Sir Isaac Newton) เป็นนักวิทยาศาสตร์ที่ มีบทบาทสำคัญ ในการศึกษาโครงสร้างโลก จากการที่นิวตันศึกษา ความโน้มถ่วงของโลก ในเวลาต่อมานักวิทยาศาสตร์ ใช้กฎแรงโน้ม ถ่วงสากลของนิวตันคำนวณหา ความหนาแน่นเฉลี่ยของโลก พบว่า ความหนาแน่น เฉลี่ยของโลกมีค่าเป็น 2 เท่าของความหนาแน่น ของหินบนผิวโลก จึงสันนิษฐานว่าโลกไม่ได้เป็น เนื้อเดียวกัน ทั้งหมด และส่วนที่อยู่ลึกลงไปภายใน โลกน่าจะมีความหนาแน่น มากกว่าหินบนผิวโลก

5 ต่อมานักวิทยาศาสตร์ได้มีการสำรวจหิน บนเปลือกโลกและศึกษาหิน ที่เกิดจากการระเบิด ของภูเขาไฟ พบว่าสมบัติทางกายภาพและ องค์ ประกอบทางเคมีของหินบนเปลือกโลกคล้าย กับหินที่เกิดจากการ ระเบิดของภูเขาไฟ แต่เมื่อ เทียบกับหินแปลกปลอม (xenolith) ที่ ถูกพาขึ้น มาพร้อมลาวา พบว่ามีสมบัติทางกายภาพและ องค์ประกอบ ทางเคมีแตกต่างออกไป นอกจากนี้ จากการเจาะสำรวจทำให้ทราบว่า โลกมีอุณหภูมิ และความดันเพิ่มขึ้นตามระดับความลึก และจาก การ ระเบิดของภูเขาไฟทำให้ทราบว่าภายใต้ ผิวโลกลงไปบางส่วนมีหิน หลอมเหลว โดยทั่วไปหินแปลกปลอม หมายถึง เศษของหินท้องที่ที่เข้าไปอยู่ในแมกมา หรือลาวา แต่ข้อมูลที่ใช้ในการศึกษา โครงสร้างโลกนั้น หินแปลกปลอมนี้ เป็นเศษหินแข็งที่มีต้นกำเนิดอยู่ใน ระดับลึกใต้เปลือกโลก ซึ่งพบปนอยู่ใน เนื้อของมวลหินอัคนีที่เกิดจากการปะทุ ของลาวาขึ้นมาบนผิวโลก และประกอบ ด้วยแร่ที่มีธาตุเหล็กและแมกนีเซียม ปริมาณมากกว่าหินบนเปลือกโลก

6 จากการศึกษาองค์ประกอบทางเคมีและความหนาแน่น ของ อุกกาบาตเหล็ก (iron meteorite) ที่พบในระบบสุริยะ ดังรูป พบว่ามีองค์ประกอบหลักทางเคมีเป็นเหล็ก และนิกเกิล เมื่อนำค่า ความหนาแน่นของอุกกาบาตเหล็ก และหินบนเปลือกโลกไป คำนวณและเปรียบเทียบกับ ค่าความหนาแน่นของโลกที่ได้คำนวณ ไว้ พบว่ามีค่าใกล้เคียงกันและเมื่อเชื่อมโยงทฤษฎีกำเนิดระบบ สุริยะ ที่กล่าวว่าอุกกาบาตเป็นวัตถุที่เหลือจากการกำเนิดระบบสุริยะ จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่า ส่วนหนึ่ง ของวัสดุก่อกำเนิด โลกจะมีองค์ประกอบเป็นเหล็ก และนักเกิด จึงนำมาสู่ข้อสรุปว่า ส่วนหนึ่งภายในโลกมีองค์ประกอบหลักทางเคมีเป็นเหล็กและ นิกเกิล

คลื่นไหวสะเทือน 7 นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ได้นำสมบัติของ คลื่นไหวสะเทือนมาศึกษา สมบัติเชิงกลของ โครงสร้างโลก คลื่นไหวสะเทือนเป็นคลื่นกล ที่เกิดจาก แรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวหรือ คลื่นกลที่มนุษย์สร้างขึ้น คลื่นไหว สะเทือนแบ่งออก เป็น 2 ประเภท คือ คลื่นในตัวกลาง (body wave) และคลื่นพื้นผิว (Surface wave) ทั้งนี้ในการศึกษา โครงสร้างโลกนั้น ใช้สมบัติของคลื่นในตัวกลาง เป็นหลักซึ่งแบ่งออกเป็น คลื่นปฐมภูมิ (primary wave, P-wave) และ คลื่นทุติยภูมิ (Secondary wave, S- wave) โดยคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิ มีสมบัติ ดังนี้ คลื่นปฐมภูมิ เป็นคลื่นตามยาว สามารถ เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางได้ทุก สถานะ เมื่อเคลื่อนที่ ผ่านตัวกลางทำให้อนุภาคของตัวกลางเกิดการอัด และขยายในทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่ของ คลื่นเทียบได้กับลักษณะ การอัดและขยายของขดลวดสปริงไปตามแนวยาว ดังรูป 1 นอกจากนี้ คลื่นปฐมภูมิยังเป็นคลื่นไหวสะเทือนที่มีความเร็วมากที่สุด และเดินทาง มาถึงเครื่องตรวจวัดเป็นอันดับแรก

8 คลื่นทุติยภูมิ เป็นคลื่นตามขวาง เคลื่อนที่ผ่านได้เฉพาะตัวกลางที่มี สถานะเป็นของแข็ง เมื่อเคลื่อนที่ผ่านตัวกลางทำให้อนุภาคของ ตัวกลางสั่นตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เทียบได้กับ ลักษณะการสะบัดขดลวดสปริงไปทางซ้ายและขวาสลับกัน ดังรูป 2 คลื่นทุติยภูมิเคลื่อนที่ได้ ช้ากว่าคลื่นปฐมภูมิ จึงเป็นคลื่นที่เดินทาง มาถึงเครื่องตรวจวัดได้เป็นอันดับสอง 1คลื่นปฐมภูมิ

9 2คลื่นทุติยภูมิ

10 เมื่อคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิ เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิด กัน หรือตัวกลางที่มีความหนาแน่นไม่ เท่ากัน คลื่นจะมีความเร็ว เปลี่ยนไป รวมทั้งเกิดการหักเหและ/หรือสะท้อน ที่บริเวณรอยต่อ ของตัวกลางนั้น คลื่นไหวสะเทือนที่เคลื่อนที่ผ่านภายใน โลกจึงมี ทิศทางที่เปลี่ยนแปลงไป ดังรูป 3 ทำให้ทราบว่าภายในโลก มีการ แบ่งเป็นชั้น ๆ ตามสถานะและ ความหนาแน่นที่แตกต่างกัน ศูนย์เกิดแผ่นดินไหว ภไ3าหยนกใาสนระโเเคลทลืกือ่อนนเทมีื่่ขออผ่งาคนลื่ืน

11 การแบ่งชั้นโครงสร้างโลก เมื่อนักวิทยาศาสตร์นำข้อมูลทั้งองค์ประกอบทางเคมีของหินบนผิวโลก หินแปลกปลอมในระดับลึก ใต้เปลือกโลกที่ลาวาน้าขึ้นมา และ อุกกาบาตเหล็ก ร่วมกับข้อมูลที่ได้จากการตรวจวัดคลื่นไหวสะเทือน ทำให้นักวิทยาศาสตร์แบ่งขั้นโครงสร้างโลกโดยใช้เกณฑ์องค์ประกอบ ทางเคมี และสมบัติเชิงกล การแบ่งโครงสร้างโลกตามองค์ประกอบทางเคมี โลกประกอบไปด้วยธาตุหลายชนิด โดยประมาณร้อยละ 90 เป็น เหล็ก ออกซิเจน ซิลิกอนและ แมกนีเซียม นอกจากนี้ยังมีธาตุอื่น ๆ อีก ดังรูป

12 ในขณะที่เกิดการแบ่งขั้นของโลก ธาตุเหล่านี้เกิดเป็นสารประกอบ แล้วแยกตัวกันอยู่เป็นชั้น ๆ ตาม ความหนาแน่นที่แตกต่างกัน นัก วิทยาศาสตร์จึงแบ่งโครงสร้างโลกเป็น 3 ชั้น ได้แก่ เปลือกโลก (crust) เนื้อโลก (mantle) และแก่นโลก (core) ตามองค์ ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกัน ดังรูป

13 เปลือกโลก เป็นชั้นนอกสุดที่ห่อหุ้มโลก มีความหนาระหว่าง 5 - 70 กิโลเมตรเปลือกโลก ประกอบด้วยเปลือกโลกทวีป (continental crust) และเปลือกโลกมหาสมุทร (Oceanic crust) ดังรูป เปลือกโลกทวีปมีทั้งที่เป็นพื้นทวีปและ ไหล่ทวีป (continental shelf) ประกอบด้วย หินจำพวกหินแกรนิตเป็นส่วนใหญ่ โดยมี องค์ประกอบหลักเป็นสารประกอบของซิลิกอน และอะลูมิเนียม

14 เปลือกโลกมหาสมุทร เป็นส่วนที่รองรับ ทะเลหรือมหาสมุทร ส่วน ใหญ่ประกอบด้วย หินบะซอลต์ ซึ่งมีองค์ประกอบหลักเป็น สารประกอบของซิลิกอนและแมกนีเซียม ดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เปลือกโลก ทวีปมีความหนาแน่น น้อยกว่าเปลือกโลก มหาสมุทร แต่เปลือกโลกทวีปมีความหนา มากกว่าเปลือกโลกมหาสมุทร ไหล่ทวีป คือ ส่วนหนึ่งของขอบทวีป อยู่ระหว่างแนว ชายฝั่งทะเลกับลาดทวีป (continental slope)

15 เนื้อโลก เป็นชั้นที่อยู่ถัดจากเปลือกโลก มีขอบเขตตั้งแต่ใต้เปลือก โลกจนถึงที่ระดับความลึกประมาณ 2,900 กิโลเมตร ดังรูป 5,10 นักวิทยาศาสตร์ศึกษาหินแข็งใต้เปลือกโลก (หินแปลกปลอม) ที่ ถูกพาขึ้น มาบนผิวโลกพร้อมกับลาวาพบว่ามีองค์ประกอบหลักเป็นซิ ลิกอน แมกนีเซียม และเหล็กเป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์ จึงสรุปว่าเนื้อโลกมีองค์ประกอบหลักเป็นสารประกอบของซิลิกอน แมกนีเซียมและเหล็ก

16 แก่นโลก เป็นโครงสร้างโลกชั้นในสุดอยู่ที่ระดับความลึกตั้งแต่ 2,900 กิโลเมตรจากผิวโลก จนถึง ใจกลางโลก ดังรูป 4 ประกอบด้วยธาตุเหล็กเป็นส่วนใหญ่ และมีธาตุอื่น ๆ ได้แก่ นิกเกิล ออกซิเจน ซิลิกอน และซัลเฟอร์ 4 แก่นโลก

การแบ่งโครงสร้างโลกตามสมบัติเชิงกล 17 การศึกษาโครงสร้างโลกตามสมบัติเชิงกลเป็นการศึกษาโดยใช้คลื่น ไหวสะเทือนเป็นหลัก เมื่อคลื่นปฐมภูมิและคลื่นทุติยภูมิเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างโลกจะมี ลักษณะ ดังรูป

18 จากรูปพบว่ามีบางบริเวณไม่สามารถตรวจวัดคลื่นปฐมภูมิและคลื่น ทุติยภูมิที่เคลื่อนที่จากศูนย์เกิด แผ่นดินไหวได้ เรียกบริเวณเหล่านี้ ว่า เขตอับคลื่น (shadow zone) ซึ่งเป็นผลมาจากการสะท้อน และ/ หรือหักเหของคลื่น จากการตรวจพบเขตอับคลื่นทำให้นักวิทยาศาสตร์ คาดว่าภายในโลก ไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกัน นอกจากนี้การเคลื่อนที่ ของคลื่นไหวสะเทือนมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ที่ระดับลึกต่าง ๆ นักวิทยาศาสตร์จึงนำข้อมูลทั้งหมดข้างต้นมาใช้ในการแบ่งชั้น โครงสร้างโลก

19 ในปี พ.ศ. 2452 แอนดริจา โมโฮโรวิซิก (Andrija Mohorovicle) นักวิทยาศาสตร์ชาวโครเอเชีย ได้ศึกษาข้อมูลการเคลื่อนที่ของคลื่น ไหวสะเทือนเมื่อเกิดแผ่นดินไหว พบว่าความเร็วของคลื่น เมื่อ เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างชนิดกัน มีการหักเห สะท้อนและเคลื่อนที่ ผ่านด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน ต่อมาจึงสรุปได้ว่าโครงสร้างภายใน โลกมีการแบ่งขั้น จากการศึกษาความเร็วของคลื่นไหวสะเทือนที่เปลี่ยนไปในแต่ละ ระดับความลึก ทำให้นักวิทยาศาสตร์ สรุปว่าองค์ประกอบต่าง ๆ ภายในโลกไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกัน และได้แบ่งโครงสร้างโลกออก เป็น 5 ชั้น จากผิวโลกสู่ใจกลางโลก คือ ธรณีภาค (lithosphere) ฐานธรณีภาค (asthenosphere) มัชฌิมภาค (mesosphere) แก่น โลกชั้นนอก (Outer core) และแก่นโลกชั้นใน (inner core) ดัง รูป

20 โครงสร้างโลกแต่ละชั้นมีลักษณะแตกต่างกัน ดังนี้ ธรณีภาค เป็นขั้นโครงสร้างภายนอกสุดของโลก ประกอบด้วย เปลือกโลกและเนื้อโลกตอนบนสุด (uppermost mantle) มี สถานะเป็นของแข็งที่มีสภาพแข็งเกร็ง (rigidity) มีความหนาแน่น เฉลี่ย 2.9 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร จึงทำให้คลื่นปฐมภูมิและ คลื่นทุติยภูมิเคลื่อนที่ผ่านด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น อย่างรวดเร็ว ดังรูป

21 ฐานธรณีภาค เป็นโครงสร้างที่อยู่ถัดลงมาจากธรณีภาคโดยเป็นส่วน ของเนื้อโลกตอนบน (upper mantle) มีสถานะเป็นของแข็งที่มี สภาพพลาสติก (plasticity) มีความหนาแน่นเฉลี่ย 3.3 กรัม ต่อ ลูกบาศก์เซนติเมตร โครงสร้างโลกชั้นนี้พบลักษณะการเคลื่อนที่ของ คลื่นไหวสะเทือนที่มี การเปลี่ยนแปลงความเร็วไม่สม่ำเสมออยู่ 2 เขต ดังนี้ 1) เขตความเร็วต่ำ (low velocity Zone) เป็นเขตที่คลื่นปฐมภูมิ และคลื่นทุติยภูมิมีความเร็วลดลง ดังรูป เป็นบริเวณที่มีความดันสูง ไม่พอที่จะทำให้แร่คงสภาพเป็นของแข็ง จึงทำให้สสารบางส่วน ใน เขตนี้หลอมตัวได้ และเป็นแหล่งกำเนิดของแมกมา 2) เขตเปลี่ยนแปลง (transition Zone) เป็นเขตที่คลื่นไหว สะเทือนมีความเร็วเพิ่มขึ้นในอัตราที่ ไม่สม่ำเสมอ ดังรูป เนื่องจาก บริเวณนี้มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแร่

มัชฌิมภาค เป็นขั้นที่อยู่ใต้ฐานธรณีภาค เป็นส่วนของเนื้อโลกตอน2ล2่าง (lower mantle) มีความหนาแน่นเฉลี่ย 5.0 กรัมต่อลูกบาศก์ เซนติเมตร มีสถานะเป็นของแข็ง เป็นบริเวณที่ คลื่นไหวสะเทือน เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอ แก่นโลกชั้นนอก เป็นชั้นที่อยู่ใต้มัชฌิมภาค ประกอบด้วยสสารที่มี สถานะเป็นของเหลว มีความหนาแน่นเฉลี่ย 11.0 กรัมต่อลูกบาศก์ เซนติเมตร เป็นเขตที่คลื่นปฐมภูมิมีความเร็วลดลง อย่างฉับพลัน จาก นั้นความเร็วจึงเพิ่มขึ้น ในขณะที่คลื่นทุติยภูมิไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่าน ชั้นดังกล่าวได้ แก่นโลกชั้นใน เป็นบริเวณใจกลางโลก มีสถานะเป็นของแข็ง มีความ หนาแน่นเฉลี่ย 13.0 กรัม ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร มีเพียงคลื่นปฐมภูมิ จากศูนย์เกิดแผ่นดินไหวเท่านั้นที่เดินทางมาถึงได้ แต่ในทางทฤษฎี เชื่อว่าเมื่อคลื่นปฐมภูมิเคลื่อนที่ผ่านรอยต่อระหว่างแก่นโลกชั้นนอกและ แก่นโลก ชั้นใน สามารถทำให้เกิดคลื่นทุติยภูมิขึ้นใหม่ได้ในชั้นนี้คลื่น ทั้งสองเคลื่อนที่ด้วยความเร็วค่อนข้างคงที่ จากการที่ได้ศึกษามาแล้วว่า โครงสร้างโลกมีการแบ่งชั้นแตกต่างกันตามองค์ประกอบทางเคมี และ สมบัติเชิงกล

บรรณานุกรม 23 ส่งเสริมการสอนวิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, สถาบัน. (2563) หนังสือเรียนวิชาพื้นฐานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีวิทยาศาสตร์ โลกและอวกาศ ตามมาตรฐานการเรียนรู้และตัวชี้วัดกลุ่มสาระการ เรียนรู้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ฉบับปรับปรุง พ.ส. 2560) ตามหลักสูตรแกนกลางการศึกษาขั้นพื้นฐาน พุทธศักราช 2551. กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์ สกสค. ลาดพร้าว.