นักวิทยาศาสตร์มีความรู้เกี่ยวกับดินและหินเป็นอย่างดี เฉพาะส่วนที่เป็นผิวเปลือกของโลกเท่านั้น คือ ที่ระดับลึกไม่เกิน 15 กิโลเมตร แต่ถ้าหินและดินอยู่ลึกเกินกว่านั้น เราก็แทบไม่มีความรู้มากเลย หากจะเปรียบกับผลแอปเปิ้ล คนเราก็มีความรู้ส่วนที่เป็นเปลือกแอปเปิ้ลเท่านั้นเอง ถึงแม้ว่าเราสามารถจะส่งยานกับดาวเทียมไปสำรวจดาวและเดือนในอวกาศได้อย่างไม่ยากลำบากมาก แต่การจะขุดเจาะหลุมลงไปในโลกได้ลึกเกิน 15 กิโลเมตร นักเทคโนโลยีก็ยังทำไม่ได้เลย
ด้วยเหตุนี้เราจึงยังไม่รู้ธรรมชาติที่แท้จริงของดินและหินในชั้นต่างๆ ของโลกว่า มีการเคลื่อนที่อย่างไร เกิดขึ้นได้เพราะเหตุใด การไม่หยั่งรู้สมบัติเหล่านี้ จึงทำให้เรายังไม่สามารถจะทำนายได้ว่า ปรากฏการณ์แผ่นดินไหวจะเกิดขึ้น ณ ที่ใด เมื่อไร และจะรุนแรงเพียงใด เรายังไม่รู้แม้แต่ว่า ใต้โลกมีธาตุหรือสารประกอบอะไรบ้าง และเวลาสสารเหล่านี้ตกอยู่ภายใต้ความดันที่มากมหาศาลและอุณหภูมิที่สูงยิ่ง มันจะมีสมบัติเช่นใด นอกจากนี้เราก็ยังต้องการจะรู้อีกด้วยว่า แร่ธาตุและสารประกอบที่เราขุดใช้ไป ๆ ตลอดเวลานั้นจะหมดสิ้นไปจากโลกเมื่อใด และเราจะนำพลังงานความร้อนใต้พิภพมาใช้ให้เป็นประโยชน์ได้อย่างเต็มที่ เมื่อใด
สำหรับนักชีววิทยาก็มีความประสงค์จะรู้ด้วยว่า ในชั้นดินและหินที่ระดับลึกมากๆ นั้น มีซากฟอสซิลของสัตว์และพืชดึกดำบรรพ์ที่สูญพันธุ์ไปแล้วบ้างหรือไม่ เพื่อจะได้ศึกษาวิถีชีวิตของสัตว์และพืชโบราณเหล่านั้น และจะต้องการล่วงรู้ธรรมชาติในอดีตตลอดจนถึงสภาพแวดล้อมของสิ่งที่มีชีวิตในเวลานั้นด้วย การรู้ข้อมูลเหล่านี้ จะช่วยให้เราเข้าใจวิวัฒนาการของสภาพภูมิอากาศและภูมิศาสตร์ ซึ่งจะทำให้เรารู้ประวัติความเป็นมาของโลกตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน และแนวโน้มที่สภาพภูมิประเทศของโลกจะเป็นไปได้ในอนาคต
ดังนั้นเมื่อวันที่ 30 พฤษภาคมที่เพิ่งผ่านมานี้ สำนักข่าว Xinhua ของจีน จึงได้ออกแถลงการณ์ว่า นักวิทยาศาสตร์จีนกำลังจะขุดหลุมลึก 11,000 เมตร ที่บริเวณทะเลทราย Taklamakan ซึ่งตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือของมณฑล Xinjiang โดยหลุมนี้จะลึกประมาณ 37 เท่าของความสูงตึกใบหยกของไทย
จุดประสงค์หลักของโครงการ คือ จะลงไปให้ถึงชั้นหินในยุค Cretaceous ซึ่งเป็นหินในยุคเมื่อ 145 ล้านปีก่อน เพื่อจะได้เห็นเหตุการณ์สำคัญๆ ทางธรณีวิทยา เช่น การระเบิดของภูเขาไฟขนาดใหญ่ การเลื่อนตัวของเปลือกทวีป การกลับทิศของสนามแม่เหล็กโลก วิถีการดำรงชีพของสัตว์และพืชดึกดำบรรพ์ ตลอดเวลาตั้งแต่เมื่อ 145 ล้านปีก่อน จนถึงปัจจุบัน และจะแสวงหาแหล่งทรัพยากร อันได้แก่ น้ำมัน ถ่านหิน แร่ และแก๊สธรรมชาติด้วย
แม้ว่ามนุษย์ตัวเป็น ๆ ยังไม่สามารถจะลงไปสำรวจใต้ดินได้ลึกมากก็ตาม เพราะเรายังไม่มีเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงมากพอ ในการจะสามารถดำรงชีพอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 200 องศาเซลเซียสได้ แต่จินตนาการและความฝันของมนุษย์ก็ได้ลงไปลึกถึงจุดศูนย์กลางของโลกเรียบร้อยแล้ว
ดังในปี 1864 Jules Verne (1828-1905) ซึ่งเป็นนักประพันธ์นวนิยาย Sci-fi ชาวฝรั่งเศสได้เรียบเรียงนวนิยายเรื่อง “Journey to the Center of the Earth” โดยให้ตัวละครเอกของเรื่อง คือ Lidenbrock ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ทางธรณีวิทยากับหลานชาย และไกด์นำทางคนหนึ่งเดินทางสู่จุดศูนย์กลางของโลก โดยลงไปทางปากปล่องภูเขาไฟที่ดับแล้ว ตั้งอยู่ใน Iceland ตามคำแนะนำของผู้เชี่ยวชาญเรื่อง เล่นแร่แปรธาตุที่เชื่อว่า ใต้โลกของเรามีอัญมณีมีค่าในปริมาณมากและมีสัตว์ร้ายอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่แปลกและแตกต่างไปจากโลกเบื้องบนมาก
อีก 64 ปีต่อมา Sir Arthur Conan Doyle (1859–1930) ซึ่งเป็นเจ้าของบทประพันธ์สืบสวน ที่มีนักสืบ Sherlock Holmes เป็นตัวเอกก็ได้เรียบเรียงนวนิยาย Sci-fi เรื่อง "When the World Screamed" ที่มีตัวละครเอก คือ ศาสตราจารย์ Challenger กับศิษย์ชื่อ Edward Malone ซึ่งได้เดินทางลงไปใต้โลกถึงระดับลึก 15 กิโลเมตร และพบว่าในบริเวณนั้นมีสัตว์นรกพวกเม่นทะเล (echinus) ที่ดุร้ายมาก เพราะเวลามันถูกรบกวนโดยเหตุการณ์แผ่นดินไหว สัตว์ร้ายตัวนี้ก็จะโผล่ขึ้นจากใต้ดิน เพื่อเข่นฆ่าและสังหารชีวิตผู้คนบนโลก
การมีความรู้ทางธรณีวิทยาค่อนข้างน้อยได้ทำให้คนที่อ่านนวนิยายทำนองนี้รู้สึกหวาดกลัวเหตุการณ์ใต้โลกมาก ดังนั้นจึงไม่มีใครสนใจจะศึกษาวิชาธรณีวิทยามาก และมีผลทำให้วิชาธรณีวิทยาเป็นวิชาที่ล้าหลัง เมื่อเปรียบเทียบกับวิทยาศาสตร์สาขาอื่น เช่น ดาราศาสตร์ กลศาสตร์ แม่เหล็กไฟฟ้า และนิวเคลียร์ ฯลฯ ผลที่ตามมาก็คือ เราไม่มีนักธรณีวิทยาที่มีชื่อเสียงโด่งดังระดับ Isaac Newton, James Clerk Maxwell และ Albert Einstein
แม้แต่ William Thomson (1824-1907) หรือ Lord Kelvin ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียง จากการตั้งกฎข้อที่สองของวิชา Thermodynamics ก็ยังไม่เชื่อว่า ใต้โลกมีหินเหลวที่ร้อนมาก เพราะ Kelvin คิดว่าที่ระดับลึกมาก ความดันอันเกิดจากชั้นหินหนา จะกดดันจนกระทั่งของเหลวเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งที่มีความหนาแน่นสูงยิ่งกว่าเหล็ก ดังนั้นแก่นกลางของโลกจะต้องเป็นของแข็ง และจะต้องมีอุณหภูมิต่ำด้วย เพราะถ้ามีอุณหภูมิสูง ของแข็งที่แก่นกลางของโลกก็จะละลาย
เหตุผลและวิธีคิดของ Kelvin เช่นนี้มีผิดบ้างและถูกบ้าง ที่ถูก ก็คือ แก่นกลางของโลกเป็นเหล็ก และที่ผิด ก็คือ ที่แก่นกลางของโลกมีอุณหภูมิสูงพอๆ กับอุณหภูมิที่ผิวของดวงอาทิตย์
เมื่อถึงวันนี้ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของโลกได้พัฒนาไปมากแล้ว คือ เรารู้ว่า โลกประกอบด้วย เปลือกโลกชั้นนอก ซึ่งเป็นทวีปและมหาสมุทร เปลือกโลกชั้นนี้มีความหนาไม่สม่ำเสมอ คือ ตั้งแต่ 10 ถึง 64 กิโลเมตร โดยส่วนที่อยู่ที่ก้นมหาสมุทรจะค่อนข้างบาง และส่วนที่หนาที่สุด คือ ส่วนที่เป็นเทือกเขาบนทวีป
และที่ใต้เปลือกโลกชั้นนอกลงไป เป็นเปลือกโลกชั้นใน (mantle) ซึ่งเป็นชั้นที่หินมีความหนาแน่นและชนิดที่แตกต่างไปจากหินที่อยู่ในเปลือกโลกชั้นนอก โดยชั้นนี้จะถูกแบ่งแยกจากเปลือกโลกชั้นในอย่างฉับพลัน ทำให้เกิดพรมแดนที่เป็นรอยต่อซึ่งเรียกว่าเขตตัด Mohorovicic (ตั้งตามชื่อของ Andrija Mohorovičić (1857 –1936) นักธรณีวิทยาชาว Croatia ซึ่งเป็นผู้พบเขตตัดนี้) โดยเปลือกโลกชั้นในได้แบ่งออกเป็นส่วนบน upper mantle กับส่วนล่าง lower mantle
ลึกลงไปจากชั้นนี้เป็นแก่นกลาง (core) ของโลก ซึ่งถูกแบ่งออกเป็นแก่นกลางนอก (outer core) ที่เป็นเหล็กเหลวร้อนกับแก่นกลางใน (inner core) ที่เป็นของแข็ง
ความรู้ธรณีวิทยา ณ วันนี้ คือ อุณหภูมิที่แก่นกลางส่วนในของโลกจะสูงประมาณอุณหภูมิที่ผิวของดวงอาทิตย์ (คือ ตั้งแต่ 5,000 ถึง 6,000องศาเคลวิน) มีความดันสูง 3.3 ถึง 3.6 ล้านบรรยากาศ และอยู่ลึก 5,150 ถึง 6,371 กิโลเมตรจากผิวโลก
ส่วนอุณหภูมิที่แก่นกลางส่วนนอกของโลก มีค่าตั้งแต่ 4,000 ถึง 5,300 องศาเคลวิน ภายใต้ความดัน 1.3 ถึง 3.3 ล้านบรรยากาศที่ระดับลึกจากผิวโลกตั้งแต่ 2,891 ถึง 5,150 กิโลเมตร
ส่วนเปลือกโลกชั้นบนและชั้นล่าง (upper mantle และ lower mantle) นั้น อยู่ลึก 650 ถึง 2,891 กิโลเมตรจากผิวโลก ภายใต้ความดันตั้งแต่ 0.23 ถึง 1.34 ล้านบรรยากาศ และมีอุณหภูมิตั้งแต่ 285 ถึง 4,000 องศาเคลวิน
ข้อมูลเหล่านี้เป็นข้อมูลทางทฤษฎีที่บรรยายโครงสร้างเชิงกายภาพของโลก ซึ่งยังไม่ได้รับการยืนยัน 100% ด้วยผลการทดลอง อันเป็นเรื่องที่ยาก เพราะจากข้อมูลความดันและอุณหภูมิที่ปรากฏ เราจะเห็นได้ว่าในการสร้างยานนำมนุษย์ลงไปลึกใต้โลก เราจำต้องสร้างยานให้ผนังสามารถต้านความดันเป็นล้านบรรยากาศได้ และผนังยานจะต้องไม่หลอมเหลว เมื่อต้องเผชิญอุณหภูมิที่สูงหลายพันองศาเซลเซียส
กระนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็ได้พยายามจะไปให้ลึกมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เช่น เมื่อเดือนมีนาคม-เมษายน ปี 1961 ทีมนักธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกา ได้เริ่มโครงการ Mohole เพื่อขุดโลกผ่านเปลือกโลกลงไปให้ถึงชั้น mantle โดยทะลุผ่านเขตตัด Mohorovicic (ดังนั้นโครงการนี้จึงมีชื่อว่าโครงการ Mohole) เพื่อแข่งขันกับโครงการไปอวกาศของ NASA โดยโครงการนี้จะขุดหลุมลึกที่ท้องมหาสมุทร Pacific ในบริเวณนอกเกาะ Guadalupe ของ Mexico
แต่การดำเนินการของโครงการได้ผิดพลาดตั้งแต่เริ่มต้น เพราะผู้บริหารโครงการได้ดำเนินการหลายเรื่องอย่างไม่เหมาะสม จึงถูกต่อต้าน โดยบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่ไม่เห็นด้วยกับโครงการ เพราะคิดว่าผลลัพธ์ที่ได้จะไม่คุ้มเสีย คนเหล่านี้จึงได้ชักนำให้รัฐสภาสหรัฐฯ ยุติโครงการในปี 1966 จากนั้นโครงการ Mohole ก็ได้แปรรูปแบบไปเป็นโครงการ Deep Sea Drilling Project ซึ่งมีจุดมุ่งหมายจะค้นหาแร่ใต้ทะเลลึกแทน
ในปี 1970 รัสเซีย ซึ่งเป็นมหาอำนาจทางวิทยาศาสตร์คู่แข่งของอเมริกา ได้เริ่มโครงการ Kola Superdeep Borehole เพื่อจะขุดหลุมลึกใกล้เมือง Pechengky ที่อยู่ใกล้พรมแดนระหว่างรัสเซียกับนอร์เวย์ เพราะหลุมนี้อยู่บนคาบสมุทร Kola โครงการจึงมีชื่อเรียกสั้น ๆ ว่า Kola Project และมีจุดมุ่งหมายจะเป็นหลุมที่ลึกที่สุดในโลก โดยหลุมจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 23 เซนติเมตร และลึก 12,262 เมตร ซึ่งจะเป็นสถิติของหลุมที่ลึกที่สุดในโลก (ลุถึงปี 2008 สถิตินี้ได้ถูกทำลายไปแล้ว โดยการขุดบ่อน้ำมันของบริษัท Al Shakeen ที่ประเทศ Qatar ซึ่งได้ขุดหลุมลงไปลึก 12,289 เมตร)
ผลการขุดในโครงการ Kola ได้ข้อมูลที่แสดงให้เห็นว่า ที่ระยะลึก 7 กิโลเมตร เปลือกโลกไม่มีการเปลี่ยนแปลงของชั้นหิน granite ไปเป็นหิน basalt ตามที่นักธรณีวิทยาคิด จากการวิเคราะห์ความเร็วของคลื่นแผ่นดินไหวในหินชั้นต่าง ๆ เพราะได้พบว่าคลื่นแผ่นดินไหวจะเปลี่ยนความเร็วเวลาคลื่นเคลื่อนที่ผ่านชั้นหินที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน นอกจากนี้หิน granite ในบริเวณดังกล่าวนี้ ก็เป็นหินที่แตกละเอียดและอิ่มน้ำ ซึ่งไม่สามารถจะให้น้ำซึมผ่านชั้นหินขึ้นมาถึงผิวโลกได้
โครงการขุด Kola ก็ยังได้พบแร่ เหล็ก ทองคำ สังกะสี และโคบอลต์ด้วย สำหรับตัวเลขของอุณหภูมิใต้โลกนั้น ก็เพิ่มอย่างรวดเร็ว เช่นที่ระยะลึก 10 กิโลเมตร อุณหภูมิจะสูงถึง 189 องศาเซลเซียส และเมื่อหัวเจาะที่ทำด้วยเหล็กจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า 230 องศาเซลเซียส การขุดจึงต้องยุติ
การค้นพบที่น่าประหลาดใจอีกประเด็นหนึ่ง คือ ที่ระยะลึก 6 กิโลเมตรใต้โลก มีการพบฟอสซิลของ plankton และการค้นพบอีกประเด็นหนึ่งที่ไม่คาดฝัน คือ การได้พบแก๊สไฮโดนเจนใต้ดินในปริมาณมากด้วย ซึ่งแก๊สนี้จะผุดผ่านโคลนที่อยู่ในรูขุด
เมื่อโครงการ Kola ยุติในปี 1995 เพราะขาดทุนสนับสนุน ในปี 2007 คณะวิจัยในโครงการนี้ ได้เลิกทำงาน และบริษัทที่ดำเนินการขุดก็ได้ล้มละลาย แต่หลุมขุด Kola ก็ยังเป็นวิทย์สถานให้นักทัศนาจรมาแวะชม ด้วยความอยากรู้อยากเห็นว่ารัสเซียจะมีการขุดต่ออีกหรือไม่
สำหรับโครงการของจีนที่จะขุดหลุมลึกในบริเวณทะเลทราย Taklamakan ซึ่งมีพื้นที่ 337,000 ตารางกิโลเมตรนั้น ทะเลทรายมีอาณาเขตทิศเหนือจรดเทือกเขา Tian Shan ทิศตะวันออกจรดทะเลทราย Gobi ทิศตะวันตกและทิศใต้จรดเทือกเขา Pamir กับเทือกเขา Kunlun ตามลำดับ ในอดีตดินแดนแถบนี้ได้มีการสำรวจพบว่า มีทรัพยากรธรรมชาติที่เป็นน้ำมันและก๊าซอย่างอุดมสมบูรณ์ ดังนั้นการขุดหลุมลึกสำรวจ จึงน่าจะพบทรัพยากรธรรมชาติต่าง ๆ มากมาย ซึ่งจะนำความมั่งคั่งมาสู่ชาวจีน
นอกเหนือจากการจะได้พบทรัพยากรธรรมชาติแล้ว การพบฟอสซิลของสัตว์และพืชดึกดำบรรพ์ในชั้นหินต่าง ๆ ก็น่าจะนำความรู้ด้านชีววิทยามาสู่วงการวิทยาศาสตร์ด้วย เหมือนดังที่ปราชญ์กรีก Xenophanes แห่งเมือง Colophon (เมื่อ 560-478 ปีก่อนคริสตกาล) ได้รายงานการเห็นกระดูกปลาแทรกอยู่ในก้อนหินบนภูเขาที่อยู่ไกลจากทะเล จึงได้สันนิษฐานว่า เมื่อปลาตายลง ซากปลาได้ตกลงไปที่ท้องทะเล และท้องทะเลได้ยกตัวขึ้นมาเป็นเนินเขา แต่ความคิดนี้ของ Xenophanes ได้ถูกลบเลือนไป เมื่ออารยธรรมกรีกล่มสลาย
ด้าน Leonardo da Vinci (1452-1519) ก็ได้สเก๊ตช์ภาพของร่องรอยที่เป็นหลุมและเป็นรูในหิน แสดงถิ่นอาศัยของหอยและหนอนตัวเล็ก ๆ ลงในหนังสือภาพ Codex Leicester ซึ่งแสดงให้เห็นวิถีชีวิตของหอยเหล่านั้น ในยุคดึกดำบรรพ์
ลุถึงปี 1667 Nicolas Steno (1638-1686) ซึ่งเป็นนักธรณีวิทยาชาวเดนมาร์ก ก็ได้ศึกษาฟอสซิลของสัตว์ที่ตกอยู่ในดินตะกอนชั้นต่าง ๆ และได้มีความเห็นสอดคล้องกับ da Vinci ว่า ซากของสิ่งมีชีวิตที่พบในหินจนกลายเป็นฟอสซิลนั้น มิได้เกิดขึ้นพร้อมกันเหมือนเวลาน้ำท่วมโลก แต่เกิดขึ้นในเวลาที่แตกต่างกัน
วัน เวลา ได้ล่วงเลยมาจนถึงยุคของ Georges Cuvier (1769-1832) ผู้เป็นนักชีววิทยาชาวฝรั่งเศส ซึ่งได้กล่าวถึงการสูญพันธุ์ของสัตว์หลายชนิด เช่น ตัว mosasaur และนกยักษ์ pterodactyl ว่ามีรูปร่างแตกต่างไปจากสัตว์ในยุคปัจจุบันอย่างสิ้นเชิง
ความจริงหนึ่งที่ปรากฏคือ ฟอสซิลต่าง ๆ ที่นักดึกดำบรรพ์วิทยาขุดพบ ตั้งแต่ในอดีต จนถึงปัจจุบัน ล้วนถูกฝังอยู่ใต้ดิน ที่ระดับลึกไม่มาก (คือ น้อยกว่า 5 กิโลเมตร) และเมื่อโลกมีรัศมีที่มีความยาวถึง 6,372 กิโลเมตร การขุดหลุมลึกของจีนในครั้งนี้ แม้จะดู “ตื้น” แต่ก็จะทะลุผ่านหินและดินหลายชั้น จนอาจจะพบฟอสซิลของสัตว์และพืชในยุค Cambrian ที่มีอายุ 542 ล้านปี และอยู่ชั้นล่างสุดหรือยุค Ordovician, Silurian, Devonian, Carboniferous, Permian, Triassic, Jurassic, Cretaceous, Tertiary และยุค Quaternary อายุ 1.6 ล้านปี ซึ่งอยู่ชั้นบนสุด และอาจจะพบฟอสซิลของมนุษย์ Hominin ก็เป็นได้
ดังนั้นการขุดหลุมลึกของจีนในครั้งนี้ จึงเป็นการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่ต้องใช้เทคโนโลยีระดับซูเปอร์ไฮเทค และผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นประโยชน์ต่อมนุษยชาติ ทั้งในทางเศรษฐกิจและทางวิชาการไปพร้อมๆ กัน
อ่านเพิ่มเติมจาก “The Deep Earth Machine Is Coming Together” โดย Richard A. Kerr ในวารสาร Science ฉบับวันที่ 5 เมษายน ปี 2013
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
