การศึกษาธรรมชาติของ "ผลึกแร่" ที่อยู่ลึกใต้โลก

ในนวนิยายเรื่อง “Journey to the Center of the Earth” ที่เรียบเรียงโดย Jules Verne (1828-1905) เมื่อปี 1884 มีเนื้อหาที่กล่าวถึงการเดินทางสู่จุดศูนย์กลางของโลกโดย Trevor Anderson ซึ่งพยายามตามหาน้องชายที่ได้หายสาบสูญไป ขณะสำรวจภูเขาไฟในประเทศ Iceland

Anderson กับหลานชายและคนนำทางจึงได้ลงไปในปล่องภูเขาไฟที่ดับแล้ว และได้พบเห็นสิ่งประหลาด และสัตว์มหัศจรรย์มากมาย รวมถึงได้พบเห็นถ้ำใต้ดินที่มีผลึกแก้วแวววาวส่งแสงสว่างไสวไปทั่ว


นวนิยาย Sci-fi เรื่องนี้ได้สร้างความตื่นเต้นและความสนุกสนานให้คนอ่านมาก ทั้งๆ ที่ในเวลานั้นไม่มีใครรู้ว่า จินตนาการของ Verne เป็นเรื่องจริงหรือเรื่องโกหก จนอีกหนึ่งศตวรรษต่อมา โลกจึงเริ่มสามารถตรวจสอบความเป็นไปได้ในการเกิดผลึกของแร่ที่อยู่ลึกใต้โลก


เมื่อ William Henry Bragg (1862-1942) กับบุตรชายชื่อ William Lawrence Bragg (1890-1971) ได้ใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์วิเคราะห์หาโครงสร้างของผลึกจนรู้โครงสร้างของ diamond, calcite, fluorite และ halite การพบเทคโนโลยีชนิดนี้ทำให้สองพ่อลูกได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1915 ร่วมกัน

ในเวลาต่อมา การประยุกต์เทคโนโลยีการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์โดยผลึกก็ถูกนำไปใช้หาโครงสร้างของแร่และสารประกอบต่าง ๆ ในสสารใต้ดินที่ระดับลึกและมีอุณหภูมิสูงมาก เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจธรรมชาติของสรรพสิ่งที่อยู่ลึกใต้โลก ซึ่งเป็นบริเวณที่มีความดันมากมหาศาล และในเวลาเดียวกันอุณหภูมิก็สูงด้วย


ความจริงการศึกษาธรรมชาติของสสารภายใต้ความดันสูงได้เกิดขึ้นเมื่อนานมากแล้ว คือ เมื่อ 420 ปีก่อน โดย Francis Bacon (1561-1626) ซึ่งเป็นนักปรัชญาและรัฐบุรุษชาวอังกฤษผู้ได้ตั้งคำถามว่า ถ้าน้ำถูกอัดด้วยความดันที่สูงมาก ๆ ปริมาตรของน้ำจะลดหรือไม่

เพื่อจะตอบคำถามนี้ Bacon กับทีมนักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาเลียน ในสังกัด สถาบันวิทยาศาสตร์ Accademia del Cimento แห่งเมือง Florence ได้สร้างภาชนะทรงกลมกลวงที่ทำด้วยโลหะ เพื่อบรรจุน้ำจนเต็ม แล้วใช้ค้อนกระหน่ำที่ผิวภาชนะ แต่ก็ได้พบว่าไม่ว่าจะใช้ค้อนกระหน่ำแรงและนานเพียงใด น้ำก็ยังมีปริมาตรเท่าเดิม

Bacon จึงสรุปว่าน้ำแตกต่างจากแก๊สมาก เพราะเวลาแก๊สถูกอัด ปริมาตรของแก๊สจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด แต่น้ำกลับตรงกันข้าม เพราะปริมาตรของน้ำแทบไม่มีการเปลี่ยนแปลงอะไรเลย


อีกหนึ่งศตวรรษต่อมา คือ ในปี 1764 John Canton (1718-1772) ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษได้ล้มล้างความเชื่อนี้ โดยได้ทดลองใช้ของเหลวหลายชนิด เช่น เหล้าองุ่น น้ำมันมะกอก น้ำทะเล น้ำเหลว ฯลฯ และพบว่า ถ้าใช้ทรงกลมแก้วกลวงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 4 เซนติเมตร และมีหลอดแก้วรูแคบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 0.4 มิลลิเมตรเสียบอยู่ โดยให้ปลายข้างหนึ่งของหลอดรูแคบเปิด จากนั้นเติมน้ำในทรงกลมกลวงและหลอดแก้วรูแคบ จนน้ำในรูได้ขึ้นไปถึงระดับหนึ่ง เมื่อให้ความดันกระทำต่อน้ำในทรงกลมกลวง Canton ได้เห็นระดับน้ำในหลอดแก้วรูแคบลดลง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเวลาน้ำถูกอัด ปริมาตรจะลด ระดับน้ำในหลอดรูแคบจึงลดตาม ตลอดการทดลองนี้ เขาได้ควบคุมให้อุณหภูมิของน้ำไม่เปลี่ยนแปลง และพบว่าปริมาตรของน้ำได้เปลี่ยนไปประมาณ 1 ส่วนใน 10,870 ส่วน

ถึงวันนี้เรารู้แล้วว่า สสารทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส เวลาได้รับความดัน ปริมาตรจะลด


ในปี 2004 ทีมวิจัยภายใต้การนำของ M. Murakami แห่ง Tokyo Institute of Technology ได้สำรวจพบว่า เนื้อโลกส่วนล่าง (lower mantle) (เนื้อโลกมี 2 ส่วน คือ ส่วนบน (upper mantle) กับส่วนล่าง (lower mantle)) เป็นแร่ perovskite แบบ magnesium silicate (MgSiO3) ที่โครงสร้างอาจจะมีอะตอมของเหล็กแทนที่อะตอมแมกนีเซียมบ้างในบางเวลา เราจึงเขียนสูตรโครงสร้างเป็น (Mg,Fe)SiO3 ซึ่งเวลาตกอยู่ภายใต้ความดันที่สูงมาก จะมีโครงสร้างที่กะทัดรัดขึ้นเป็น post- perovskite และจะมีพบมากในบริเวณรอยต่อระหว่างเนื้อโลก (mantle) กับแก่นโลก (core)
การที่โลกมีโครงสร้างที่เปลี่ยนไปเช่นนี้ ทำให้นักธรณีวิทยาสามารถอธิบายสมบัติที่ไม่ธรรมดาของคลื่นแผ่นดินไหวในบริเวณที่หนา 200 กิโลเมตรในเนื้อโลกส่วนล่างได้ ซึ่งเนื้อโลกส่วนนี้มีบทบาทและความสำคัญในการถือกำเนิดของโลกตั้งแต่ในอดีตด้วย

ตราบจนวันนี้ ความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของหินที่อยู่ใต้โลกก็ยังไม่สมบูรณ์ เพราะนักธรณีวิทยายังไม่เข้าใจบทบาทและความสำคัญของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของผลึกแร่ ความไม่คงตัวขององค์ประกอบทางเคมีในแร่ต่าง ๆ ที่อยู่ใต้ดิน ตลอดจนยังไม่รู้เรื่องอิทธิพลของอุณหภูมิต่อแร่เหล่านี้ด้วย เพื่อจะได้รู้ขั้นตอนการถือกำเนิดของโลก รู้โครงสร้างและองค์ประกอบทั้งหมด รวมถึงการรู้อนาคตของธรรมชาติใต้โลกด้วย

ความจริงนักวิทยาศาสตร์ได้รู้มานานพอสมควรแล้วว่า เนื้อโลก (mantle) ที่วัดจากผิวมีความหนา 2,900 กิโลเมตร และเนื้อโลกที่ระยะลึก ¼ ของทั้งหมดคือประมาณ 660 กิโลเมตรได้ถูกแบ่งออกเป็น 2 ชั้นย่อย คือ เนื้อโลกส่วนบนกับเนื้อโลกส่วนล่าง ซึ่งเนื้อทั้งสองส่วนมีความหนาแน่นแตกต่างกัน ดังนั้นจึงมีบริเวณรอยต่อระหว่างเนื้อโลกทั้งสองส่วน ทำให้คลื่นแผ่นดินไหวที่เดินทางผ่านเนื้อโลก มีการหักเหที่ผิวรอยต่อตามที่ Francis Birch (1903–1992) แห่งมหาวิทยาลัย Harvard ได้เสนอไว้ตั้งแต่ปี 1962


พยากรณ์ของ Birch ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริง เมื่อนักธรณีวิทยาสามารถพิสูจน์โดยการทดลองให้เห็นได้ว่า เวลาแร่ถูกความดันสูงกระทำ และแร่นั้นมีอุณหภูมิสูง โครงสร้างของแร่จะมีการเปลี่ยนแปลง และความดันที่จะทำให้เห็นปรากฏการณ์นี้จะต้องมีค่าสูงตั้งแต่ 24 gigapascal (GPa) ณ ที่ลึก 660 กิโลเมตร จนถึง 135 GPa ณ ที่ลึก 2,890 กิโลเมตร

เพราะเหตุว่า 100 GPa คือ ความดันที่มีค่าประมาณ 1 ล้านบรรยากาศ ดังนั้นการสร้างสถานการณ์ในห้องทดลองที่มีความดันเป็นหลายล้านเท่าของบรรยากาศ และในเวลาเดียวกันก็มีอุณหภูมิสูงประมาณ 2,000 kelvin จึงเป็นเรื่องไม่ง่ายเลย (ที่ใจกลางของโลก) ซึ่งอยู่ลึกจากผิวโลกเป็นระยะทาง 6,370 กิโลเมตร มีความดันประมาณ 364 GPa และมีอุณหภูมิสูงประมาณ 5,200 องศาเซลเซียส และนี่ก็คือจุดมุ่งหมายที่นักธรณีฟิสิกส์จะต้องสร้างให้เกิดขึ้นได้ เพื่อจะได้เห็นธรรมชาติของสสารที่ใจกลางโลกด้วยตา


โดยการใช้ทั่ง (anvil) เป็นอุปกรณ์หลัก ซึ่งมีปลายแหลมที่ทำด้วยเพชร เพื่อใช้ในการอัด นักธรณีฟิสิกส์ที่สนใจธรรมชาติของสารที่ความดันสูงและอุณหภูมิสูง จำเป็นต้องมีผลึกแร่ที่ใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้างนั้น ซึ่งมีขนาดเล็กระดับ 50 ไมโครเมตร (0.05 มิลลิเมตร) โดยการนำผลึกมาวางระหว่างปลายแหลมของเข็มเพชร จากนั้นนักธรณีฟิสิกส์ก็จะยิงแสงเลเซอร์หรือรังสีเอกซ์จากเครื่อง synchrotron ผ่านเข็มเพชรทั้งสองข้าง เพื่อให้รวมกันที่แร่ ซึ่งจะทำให้แร่ร้อน และในเวลาเดียวกันก็ให้รังสีเอกซ์แสดงปรากฏการณ์เลี้ยวเบนด้วย เพื่อจะได้บอกลักษณะโครงสร้างของผลึกที่เปลี่ยนไป

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า ในชั้นที่เป็นเนื้อโลกส่วนบน (upper mantle) แร่ที่มักพบเป็นแร่ olivine, pyroxene และ garnet ซึ่งในบริเวณที่ยิ่งลึกจะมีความหนาแน่นยิ่งมาก ส่วนในชั้นที่เป็นเนื้อโลกส่วนล่าง (lower mantle) แร่ส่วนมากจะคงสภาพเสถียร และมีความหนาแน่นมาก ไม่ว่าความดันและอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงเช่นไร

ตามปกติแร่ pyroxene ชนิด MgSiO3 มีโครงสร้างที่ประกอบด้วยโมเลกุล SiO3 ซึ่งเป็นรูปแปดด้าน (octahedron) วางเรียงกัน โดยมีอะตอมของ magnesium แฝงอยู่ระหว่างกลาง แร่ชนิดนี้มีประโยชน์มาก เพราะสามารถใช้เป็นตัวนำยวดยิ่งได้ หรือนำไปใช้ทำเป็นองค์ประกอบของ fuel cell ก็ได้ หรือใช้ทำหน่วยความจำก็ได้ นอกจาก perovskite แล้ว ในเนื้อโลกส่วนล่างก็ยังมีแร่ ferropericlase (Mg,Fe)O3 ด้วย

นักธรณีฟิสิกส์ยังได้พบชั้น D^'' ซึ่งอยู่ที่ระยะลึกตั้งแต่ 2,700 กิโลเมตร ถึง 2,890 กิโลเมตร ข้อมูลนี้แสดงให้เห็นว่าชั้น D^'' มีความหนาประมาณ 200 กิโลเมตร และเป็นบริเวณที่มีแร่ post-perovskite (pPv) มาก แร่นี้เป็นผลึกของ MgSiO3 ภายใต้ความดันสูง ซึ่งประกอบด้วย SiO2 กับ MgO ปนกัน และชั้น D^'' มีบทบาทมากในการควบคุมอัตราการไหลของความร้อนจากแก่นกลางของโลกไปสู่เนื้อโลก ตลอดจนถึงการพาความร้อนในชั้นเนื้อโลกด้วย


ในวารสาร Nature Geoscience ฉบับวันที่ 13 พฤศจิกายน ปี 2023 นี้ Taehyun Kim จากมหาวิทยาลัย Yonsei ที่ Seoul ในเกาหลี กับคณะได้รายงานเพิ่มเติมเกี่ยวกับการพบโครงสร้างที่อยู่ ณ บริเวณรอยต่อระหว่างผิวของแก่นโลกชั้นบนกับเนื้อโลกชั้นล่าง (core-mantle boundary) เพราะแก่นโลกประกอบด้วยโลหะ เช่น เหล็ก และเนื้อโลกประกอบด้วยแร่ silicate ซึ่งมีธรรมชาติที่แตกต่างกัน และนักธรณีฟิสิกส์แทบไม่มีความรู้เกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีระหว่างวัสดุทั้งสองชนิดที่แตกต่างกันนี้ ภายใต้ความดันที่สูงมหาศาลและอุณหภูมิที่สูงมากเลย ดังนั้นทีมนักวิจัยนี้จึงได้เสนอความเห็นว่า น่าจะมีหินชั้นบาง ๆ ติดอยู่นอกชั้น D^'' จึงเรียกหินชั้นใหม่นี้ว่า ชั้น E^' อันเกิดจากการรวมตัวระหว่าง SiO กับ FeHx โดยที่ hydrogen (H) มาจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างน้ำที่อยู่ในแร่ hydrous กับสารเจือ Fe-S และน้ำ มาจากการแพร่ซึมของน้ำที่ผิวโลกลงจนถึงบริเวณที่เป็นรอยต่อระหว่างแก่นโลกกับเนื้อโลก ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีในชั้นที่มี H มาก และ Si น้อย ชั้นนี้จึงมีความหนาแน่นน้อย แต่ค่อนข้างเสถียร ตลอดเวลาหลายพันล้านปีตั้งแต่โลกได้ถือกำเนิด

ทีมวิจัยนี้ได้ทดลองตรวจสอบข้อเสนอดังกล่าวนี้ และได้พบว่าโลกน่าจะมีหินชั้นพิเศษ คือ ชั้น E^'เกิดขึ้นจริง


เป้าการศึกษาขั้นต่อๆ ไป คือ การศึกษาธรรมชาติของสสารที่แก่นกลางโลก และที่ใจกลางของดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวแคระขาว และดาวนิวตรอน ซึ่งในกรณีของดาวพฤหัสบดี สสารจะอยู่ภายใต้ความดันสูงมากระดับ 10^8 เท่าของความดันบรรยากาศ และในกรณีดาวนิวตรอน ความดันจะมากระดับ 10^23 เท่าของความดันบรรยากาศ

ตามปกติดาวพฤหัสบดีมีมวลมากกว่าโลกประมาณ 400 เท่า และมีไฮโดรเจนเหลวเป็นองค์ประกอบหลัก ณ ที่ลึกใต้ผิวดาว 7,000 กิโลเมตร ความดันจะมีค่าสูงประมาณร้อยล้านเท่าของความดันบรรยากาศ ซึ่งมากพอจะทำให้ไฮโดรเจนเป็นตัวนำยวดยิ่งได้ การไหลวนของไฮโดรเจนเหลวเหนือแก่นกลาง จึงทำให้ดาวพฤหัสบดีมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมาก ตราบถึงวันนี้ก็ยังไม่มีการทดลองใด ๆ ที่ยืนยันว่าธรรมชาติมีโลหะไฮโดรเจนที่เป็นตัวนำยวดยิ่ง
การศึกษาธรรมชาติของสสารภายใต้ความดันสูงมาก จึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจทั้งในทางประยุกต์และทางทฤษฎี

เพราะเวลาอะตอมและโมเลกุลในสสารถูกความดันกระทำระดับ 10^12 ปาสกัล
(terapascal) อะตอมจะถูกบีบอัดให้เข้ามาอยู่ใกล้กัน จนโครงสร้างอะตอม ซึ่งเคยเป็นเอกลักษณ์เฉพาะของอะตอมนั้น ถูกเปลี่ยนแปลง และเมื่อสมบัติของสสารถูกกำหนดด้วยการกระจายตัวของอิเล็กตรอนในอะตอมกับอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส ซึ่งขึ้นกับระยะห่าง ดังนั้นอันตรกิริยาเหล่านี้จะทำให้สมบัติของสสารเปลี่ยนไปด้วย

ด้วยเหตุนี้ เราจึงสามารถเปลี่ยนสมบัติของสสารได้ โดยใช้ความดันกระทำ และก็ได้พบว่า โลหะ alkali เช่น sodium, potassium, rubidium, cesium สามารถมีสมบัติของโลหะ transition เช่น copper, chromium, vanadium และ titanium ได้ นั่นคือ ธาตุเบาอาจจะมีสมบัติบางประการของธาตุหนักได้

และโลหะมีตระกูล (noble metal) ซึ่งทำปฏิกิริยาเคมีกับโลหะอื่นยากก็สามารถทำปฏิกิริยาเคมีได้ดีขึ้นเวลาตกอยู่ภายใต้ความดันสูง (โลหะมีตระกูล ได้แก่ gold, platinum, iridium, osmium, silver, palladium, rhodium และ ruthenium

ความดันยังสามารถเปลี่ยนฉนวนให้เป็นตัวนำไฟฟ้าก็ได้ด้วย


ในส่วนของความรู้บริสุทธิ์นั้นก็เป็นเรื่องน่าสนใจนั้นก็มี เช่น ในอดีตเมื่อ 120 ปีก่อน เรารู้ว่าน้ำแข็งมีโครงสร้างของผลึก 3 รูปแบบ แต่ในปัจจุบัน เมื่อความดันเปลี่ยนและอุณหภูมิเปลี่ยน โครงสร้างของผลึกน้ำแข็งมีร่วมร้อยชนิด เพราะเรามีแม่คะนิ้ง (frost), snowflake, ice crystal ฯลฯ ที่มีโครงสร้างไม่เหมือนกัน ดังกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันของน้ำกับอุณหภูมิของน้ำจึงมีความซับซ้อนมาก

ดังจะเห็นได้ว่าเส้นโค้งหลอมเหลว (melting curve) ของน้ำแข็งธรรมดา มีความชันเป็นลบที่อุณหภูมิหนึ่ง ซึ่งเป็นเหตุผลที่ใช้อธิบายได้ว่า เหตุใดน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเหลว และสาเหตุนี้ทำให้มันสามารถลอยในน้ำได้ ในขณะเดียวกันน้ำแข็งที่อยู่ในภายใต้ความดันสูงมาก ๆ จะมีเส้นโค้งหลอมเหลวที่มีความชันเป็นบวก น้ำที่รู้จักดีจึงมีหลากหลายรูปแบบ คือ เป็นแบบ non molecular, แบบ ionic, แบบ supercool และ low-density และ high-density, แบบ low-density amorphous ice (LDA) และ high-density amorphous ice (HDA) และที่ความดันกับอุณหภูมิสูงมากนั้น อนุภาค proton ในน้ำแข็ง X จะเคลื่อนที่ได้ ทำให้มันกลายเป็น superionic solid

อ่านเพิ่มเติมจาก “Crystallography's journey to the deep Earth” โดย Thomas Duffy ใน Nature ฉบับที่ 506 ปี 2014


ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์