เนื้อหาประกอบแหล่งเรียนรู้ออนไลน์ “หุบป่าตาด” จัดทำขึ้นเพื่อใช้ประกอบชุด VDO  จำนวน 7 ตอน ที่มีเรื่องสอดคล้องกับหลักสูตรแกนกลางขั้นพื้นฐาน 2551 กลุ่มสาระการเรียนรู้วิทยาศาสตร์ ระดับมัธยมต้น ใน 3 สาระดังนี้

สาระ 2:  ชีวิตกับสิ่งแวดล้อม

     มาตรฐาน ว 2.1 ตัวชี้วัด ม. 3-3: อธิบายวัฏจักรน้ำ วัฏจักรคาร์บอน และความสำคัญที่มีต่อระบบนิเวศ

     มาตรฐาน ว 2.2 ตัวชี้วัด ม. 3-1: วิเคราะห์สภาพปัญหา สาเหตุของปัญหาสิ่งแวดล้อม และทรัพยากรธรรมชาติในท้องถิ่น และเสนอแนวทางแก้ปัญหา

สาระ 3: สารและสมบัติของสาร

     มาตรฐาน ว 3.2 ตัวชี้วัด ม. 2-1: สืบค้นข้อมูล และอภิปราย ผลของสารเคมี ปฏิกิริยาเคมี ต่อสิ่งมีชีวิต และสิ่งแวดล้อม

สาระ 6: กระบวนการเปลี่ยนแปลงของโลก

     มาตรฐาน ว 6.1 ตัวชี้วัด ม. 2-4: ทดสอบและสังเกตองค์ประกอบ และสมบัติของหิน เพื่อจำแนกประเภทของหิน และนำความรู้ไปใช้ประโยชน์

     ตัวชี้วัด ม. 2-7: สำรวจ และอธิบายแหล่งน้ำธรรมชาติ การใช้ประโยชน์ และการอนุรักษ์แหล่งน้ำในท้องถิ่น

     ตัวชี้วัด ม. 2-9: กระบวนการผุพังอยู่กับที่ การกร่อน การพัดพา การทับถม การตกผลึก และ ผลของกระบวนการดังกล่าว

วีดิทัศน์เรื่อง สู่หุบป่าตาด

แหล่งเรียนรู้ “หุบป่าตาด” ตั้งอยู่บริเวณ ตำบลทุ่งนางงาม อำเภอลานสัก จังหวัดอุทัยธานี (ระยะทางจากกรุงเทพฯ ประมาณ 240 กิโลเมตร) หุบป่าตาดเป็นลักษณะของหลุมยุบที่เกิดภายในหินปูน ในอดีตไม่มีทางเชื่อมให้เข้าชมหุบป่าตาดดังปัจจุบัน กรมป่าไม้ได้สร้างทางเข้าหุบ และระเบิดหินในช่วงปลายของทางน้ำใต้ดินที่แห้งหมดแล้ว ที่ต่อเข้ากับหุบป่าตาด เพื่อความสะดวกในการเข้าถึงหุบป่าตาด  (ทางเดินเข้าหุบป่าตาดช่วงที่มืด หรือถ้ำ คือทางน้ำใต้ดินโบราณ)

วีดิทัศน์เรื่อง การผุพังอยู่กับที่ของหิน

ด้วยเนื้อหาในแหล่งเรียนรู้หุบป่าตาด เป็นแหล่งเรียนรู้ สำหรับนักเรียนชั้นมัธยมต้น นำความรู้ที่เคยได้เรียนมาแล้วมาต่อยอด ในการเข้ากระบวนการทางธรณีวิทยาที่เกิดขึ้น และลักษณะทางธรณีวิทยาที่พบในบริเวณแหล่งเรียนรู้นี้  ในบทนี้จึงเป็นการสรุปความรู้พื้นฐาน แยกเป็นหัวข้อที่นักเรียนควรเข้าใจก่อนในการศึกษาแหล่งเรียนรู้หุบป่าตาด

1. ธาตุ และสัญลักษณ์

     ธาตุ (element) คือสารที่ประกอบด้วยอะตอมชนิดเดียวกัน ไม่สามารถแยกเป็นสารอื่นได้อีกโดยวิธีทางเคมี สัญลักษณ์ธาตุ (element symbol) คือตัวอักษร 1, 2 หรือ 3 ตัวที่ใช้แทนชื่อธาตุ  สัญลักษณ์ดังกล่าวได้มีการเสนอ ประชุม และตกลงใช้ร่วมกันในระดับนานาประเทศ ตัวอย่างของสัญลักษณ์ธาตุแคลเซียม คาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน แสดงได้ในตาราง 1

ตาราง 1 ชื่อธาตุ ที่มาของชื่อ และสัญลักษณ์ของธาตุ 4 ชนิด

“calx” หมายถึง ขี้เถ้าของโลหะเมื่อเผา หรือเป็นออกไซด์ของโลหะเมื่อเผา (แคลเซียม เป็นธาตุโลหะ)

“carbo”  หมายถึง ไม่ใช่โลหะ (ธาตุคาร์บอนจัดเป็นธาตุอโลหะ)

“hydror” หมายถึง น้ำ และ “gen” หมายถึง ก่อให้เกิด (ชื่อ ไฮโดรเจน หมายถึง ก่อให้เกิดน้ำ)

“oxys” หมายถึง กรด และ “gen” หมายถึง ก่อให้เกิด (ชื่อ ออกซิเจน หมายถึง ก่อให้เกิดกรด)

2. สารประกอบเคมี (Chemical compound) หรือสารประกอบ

     สารประกอบเคมี หมายถึงสารบริสุทธิ์ที่ประกอบด้วยธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป และสามารถที่แยกธาตุดังกล่าวออกจากกันได้โดยปฏิกิริยาเคมีที่ง่าย  สารประกอบเคมี จะมีโครงสร้างทางเคมีเฉพาะ และกำหนดได้ มันประกอบด้วยจำนวนอะตอมของธาตุที่เป็นสัดส่วนที่คงที่  สามารถเขียนเป็นสูตรเคมี ได้ดังตารางที่ 2 

ตารางที่ 2 สารประกอบเคมี สูตรเคมี และสัดส่วนของธาตุในสารประกอบ

การเขียนสูตรเคมีของสารประกอบเคมีต่อไปนี้แสดงเพียงบางส่วนเพื่อให้สอดคล้องกับเนื้อเรื่อง สำหรับเป็นความรู้พื้นฐานประกอบแหล่งเรียนรู้เท่านั้น  (หัวข้อเรื่องการเขียนสูตรเคมี เป็นความรู้พื้นฐานสำหรับนักเรียนระดับมัธยมต้น – ปลาย ควรเข้าใจ)

     สูตรเคมี เป็นระบบสัญลักษณ์ หรือระบบเครื่องหมาย ที่เป็นตัวแทนของสารประกอบ  การเขียนสูตรเคมี จะใช้สัญลักษณ์ทางเคมีของธาตุ และสถานะออกซิเดชั่น  (สถานะออกซิเดชั่น (oxidation numbers) เป็นการบ่งบอกการมีประจุของอะตอมต่างๆ ที่เป็นองค์ประกอบของสารประกอบเคมี)

หลักในการเขียนสูตรเคมี มีดังนี้

     - กรณีที่สารประกอบเคมีประกอบด้วยธาตุ 2 ชนิด เช่น เกลือแกง น้ำ และแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์สารประกอบจะประกอบด้วย ประจุบวก และประจุลบ ให้เขียนองค์ประกอบประจุบวกก่อน และตามหลังด้วยองค์ประกอบประจุบ แสดงในตาราง 3

     - ผลรวมของตัวเลขค่าสถานะออกซิเดชั่น ในสารประกอบเคมี มีค่าเป็นศูนย์  และไม่นิยมเขียน

ตาราง 3 การเขียนสูตรเคมีของสารประกอบที่ประกอบด้วยธาตุ 2 ชนิด

- ค่าตัวเลขสถานะออกซิเดชั่น หลายค่าของอะตอม สามารถอ่านได้จากตารางธาตุ เช่น 

หมู่ I (โลหะแอลคาไล)  มีค่าสถานะออกซิเดชั่น +1 เช่น Li⁺¹, Na⁺¹ และ K⁺¹ 

หมู่ II (โลหะแอลคาไลน์ เอิร์ธ) มีค่าสถานะออกซิเดชั่น +2 เช่น Mg²⁺ และ Ca²⁺ 

หมู่ IV (ธาตุหมู่คาร์บอน) มีค่าสถานะออกซิเดชั่น +4 และ -4  โดยเฉพาะคาร์บอน มีค่าสถานะออกซิเดชั่น ตั้งแต่ +4 ถึง -4 เช่น แก๊สมีเทน CH₄ ค่าสถานะออกซิเดชั่นของ C = -4 และ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ CO₂ ค่าสถานะออกซิเดชั่นของ C = +4 

     - ค่าตัวเลขสถานะออกซิเดชั่น ของอนุภาค จะมีค่าเท่ากับประจุของอนุภาค เช่น ในสารละลาย อนุภาค H⁺ (ไฮโดรเจนประจุบวก 1)  และอนุภาค (HCO₃)^- (อนุภาคไบคาร์บอเนตประจุลบ 1) มีค่าตัวเลขสถานะออกซิเดชั่น เป็น +1 และ -1 ตามลำดับ 

     - ผลรวมของค่าตัวเลขสถานะออกซิเดชั่น ในอนุภาคที่ประกอบด้วยหลายอะตอมจะมีค่าเท่ากับประจุของมัน เช่น ในสารละลาย อนุภาคคาร์บอเนต (CO₃)^2- ค่าตัวเลขสถานะออกซิเดชั่นมีดังนี้

ค่าออกซิเดชั่นของ C = +4, O = -2; ผลรวมของค่าออกซิเดชั่น (CO₃)^2- = +4 + (3 x -2) = -2    

     - โดยทั่วไปการหาค่าตัวเลขสถานะออกซิเดชั่น ของสารประกอบเคมี ที่มี H และ O ใช้หลัก 3 ดังนี้ 

          1) ธาตุ มีค่าสถานะออกซิเดชั่น = 0 เสมอ 

          2) H มีค่าสถานะออกซิเดชั่น +1 เสมอ และ 

          3) O มีค่าสถานะออกซิเดชั่น -2 เสมอ 

ดังนั้นค่าสถานะของออกซิเดชั่นขององค์ประกอบอื่นๆ หาได้จากการพิจารณาหลัก 3 ข้อก่อนจะง่าย 

3. สารละลาย (solution) 

สารละลายเป็นสารผสมเนื้อเดียวที่มีสถานะเดียว ในสารผสมแบ่งเป็น ตัวทำละลาย คือส่วนที่มีปริมาณมาก และตัวถูกละลาย คือส่วนที่มีปริมาณน้อย  ชนิดของสารละลายสามารถแบ่งตามสถานะ ได้เป็นสารละลายแก๊ส สารละลายของเหลว และสารละลายของแข็ง

 สารละลายแก๊ส

      อากาศเป็นตัวอย่างสารละลายแก๊สที่ดี และอากาศประกอบด้วยออกซิเจน และแก๊สอื่นๆ ละลายในแก๊สไนโตรเจน  แต่ส่วนมากนักวิทยาศาสตร์จะกล่าวถึงอากาศเป็นสารผสม  ตัวอย่างของสารละลายแก๊สที่พบในชีวิตประจำวันคือ ถังออกซิเจนที่ใช้ในการแพทย์ และใช้ในการดำน้ำระดับลึก สำหรับถังออกซิเจนที่ใช้ในการดำน้ำ จะประกอบด้วยแก๊สไนโตรเจน และแก๊สออกซิเจนเป็นองค์ประกอบหลัก และมีการผสมแก๊สฮีเลียม (แก๊สที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารอื่นๆ) เข้าไปด้วย เพื่อช่วยเจือจางแก๊สไนโตรเจน และแก๊สออกซิเจน เพื่อลดการเป็นพิษของแก๊สทั้งสอง และป้องกันไม่ให้เกิดฟองอากาศในเส้นเลือดและเนื้อเยื่อ แก่นักดำน้ำที่อยู่ใต้น้ำที่อยู่ในสภาพที่มีแรงกดดันมาก 

สารละลายของเหลว

     สารละลายของเหลว ตัวทำละลายจะต้องมีสถานะเป็นของเหลว แต่ตัวถูกละลายอาจมีสถานะเป็น แก๊ส ของเหลว และของแข็งดังตัวอย่าง

แก๊สในของเหลว

      - แก๊สออกซิเจนในน้ำ

      - แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในน้ำ เป็นตัวอย่างที่ซับซ้อน (แต่ควรทราบ) เนื่องจากการละลายจะเกิดปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น (ทำให้เกิดอนุภาค, ions)  หมายเหตุ ฟองแก๊สที่พบในน้ำโซดา หรือน้ำอัดลม ไม่ได้เป็นแก๊สที่ละลายในน้ำ มันเป็นฟองของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ออกมาจากสารละลาย ส่วนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่ละลายอยู่ในน้ำ จะมองไม่เห็นเนื่องจากมีขนาดเล็กมาก (ระดับโมเลกุล)

 ของเหลวในของเหลว 

     - กรดเกลือในน้ำ เป็นกรดเกลือเจือจาง น้ำมะนาวในน้ำ  น้ำผสมเหล้า และอื่นๆ 

ของแข็งในน้ำ 

     - น้ำตาลในน้ำ และเกลือแกงในน้ำ

สารละลายของแข็ง

     สารละลายของแข็งมีตัวทำละลายเป็นของแข็ง และมีตัวถูกละลาย ซึ่งมีได้ทั้งสถานะแก๊ส ของเหลว และของแข็ง ดังตัวอย่างต่อไปนี้ 

แก๊สละลายในของแข็ง เช่น

      - แก๊สไฮโดรเจน ละลายได้ดีในโลหะหลายชนิด โดยเฉพาะ พาลลาเดียม (Palladium) 

ของเหลวละลายในของแข็ง

      - ปรอทละลายในทองทำให้เกิดอะมัลกัม (Amalgam)

      - เฮกเซน (Hexane) ละลายในขี้ผึ้งพาราฟิน 

ของแข็งละลายในของแข็ง 

     - เหล็กกล้า (Steel) คือคาร์บอนอะตอม ที่ละลายในอะตอมของเหล็ก 

     - อัลลอยด์ ต่างๆ เช่น ทองที่ใช้ในชีวิตประจำวัน นาค และทองเหลือง  

   4. สมการเคมี 

     สมการเคมี เป็นการเขียนแสดงแทนปฏิกิริยาเคมี บอกให้รู้ถึงสารที่เข้าทำปฏิกิริยากัน (สารตั้งต้น) และชนิดของสารที่เป็นผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยา (สารในที่นี้อาจหมายถึงธาตุ และสารประกอบ) 

     ในสมการเคมี นิยมเขียนสารตั้งต้นไว้ซ้ายมือ ใช้ลูกศรชี้ทิศทางของการเกิดปฏิกิริยา และเขียนผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาไว้ด้านขวามือ  ดังนี้ 

     เมื่อเราหยดกรดเกลือเจือจางลงปนผิวหินปูน จะเกิดฟองแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ให้เห็น เขียนเป็นสมการเคมีได้ดังนี้ 

        CaCO₃ +  HCl            --------->     CaCl₂        + H₂O + CO₂ 

หินปูน + กรดเกลือ  ---------> เกลือแคลเซียมคลอไรด์ + น้ำ + แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

     สมดุลเคมีไม่ขอกล่าวถึง แม้ว่าการอธิบายการเกิดหินตะกอนคาร์บอเนตในถ้ำ ใช้สมดุลเคมีอธิบายการเกิดได้ดี แต่สามารถอธิบายได้ด้วยหลักการเดียวกัน 

5. การผุพัง และหินตะกอน 

     แร่ และหินที่พบบริเวณผิวโลก เช่นเดียวกับวัสดุต่างๆที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น ถนนลาดยาง ถนนคอนกรีต สะพาน และอาคารบ้านเรือน จะผุพังเมื่อเวลาผ่านไป  ในความหมายที่สั้นๆ  แร่ หิน และวัสดุเหล่านั้น จะมีกระบวนการผุพังเกิดขึ้น 

     การผุพัง (Weathering*) เป็นกระบวนการแตกสลายทางกายภาพ และกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ของวัสดุที่เกิดขึ้นบนผิวโลก ที่สัมผัสกับ อากาศ น้ำ และสิ่งมีชีวิต  การผุพัง เป็นกลุ่มของกระบวนการทางกายภาพ และกระบวนการทางเคมีที่เปลี่ยนลักษณะของวัสดุบนผิวโลก ทำให้วัสดุบนผิวโลกอยู่ในสภาพสมดุลย์ใหม่กับสิ่งแวดล้อม 

     เนื่องจากแร่ และหิน ที่เกิดบนผิวโลก ส่วนมากเกิดใต้ผิวโลกในสภาพที่มีออกซิเจน และน้ำอยู่น้อย หรือไม่มีอยู่เลย  แต่เมื่อแร่ และหินโผล่ยังบริเวณผิวโลก ซึ่งมีทั้งน้ำ และออกซิเจนแล้ว  อุณหภูมิ และความดันบนผิวโลกมีค่าน้อยกว่า สภาพอุณหภูมิ และความดันที่แร่และหินเกิดขึ้น  นอกจากนี้บนผิวโลกยังมีสิ่งมีชีวิต ซึ่งกิจกรรมของมัน จะเป็นตัวช่วยทำให้วัสดุบนโลกเกิดการผุพังได้ง่าย และเร็วขึ้น 

     ในขณะที่เกิดการผุพัง แร่และหิน ซึ่งเป็นวัสดุต้นกำเนิด (parent material) จะเกิดการแตกตัวมีขนาดเล็กลง และมีองค์ประกอบเปลี่ยนแปลง หรือละลายออกไป  บางส่วนของวัสดุของผิวโลกที่ผุพัง อาจจะมีการเคลื่อนที่และสะสมตัว ซึ่งต่อไปจะเปลี่ยนแปลงเป็นดิน  ในกรณีที่วัสดุบนผิวโลกที่ผุพังไม่เคลื่อนที่ออกจากวัสดุต้นกำเนิด เรียกการผุพังดังกล่าวว่า การผุพังอยู่กับที่ แต่กระบงนการผุพังโดยทั่วไปวัสดุบนผิวโลกจะเคลื่อนที่จากวัสดุต้นกำเนิดเล็กน้อย และมีกระบวนการกร่อน (erosion) ด้วยตัวกลางต่างๆ เช่น ทางน้ำ ลม ธารน้ำแข็ง และกระแสน้ำในมหาสมุทร ภายใต้แรงโน้มถ่วง นำเศษวัสดุเคลื่อนที่จากวัสดุต้นกำเนิด  และในที่สุดก็จะสะสมตัวเป็นชั้นตะกอน ซึ่งกระบวนการต่างๆ ที่กล่าวมาเป็นส่วนหนึ่งของการเกิดหินตะกอน (ดูภาพ 1)

     *Weathering ตามศัพท์พจนานุกรมศัพท์ธรณีวิทยา ฉบับราชบัณฑิตสถาน (2544) บัญญัติศัพท์ภาษาไทยว่า “การผุพังอยู่กับที่”  สำหรับเอกสารฉบับนี้ จะใช้คำว่า “การผุพัง” แทนเนื่องจากสื่อความหมายได้ถูกต้องมากกว่า  สำหรับคำว่าการผุพังอยู่กับที่ ควรจะแปลจากคำว่า in-situ weathering ซึ่งเป็นชนิดหนึ่งของการผุพังที่เกิดขึ้นกับแร่ และหิน แต่ไม่มีการเคลื่อนที่เกิดขึ้น

ภาพ 1: กระบวนการผุพัง กระบวนการกร่อน และการตกตะกอนที่เกิดขึ้นกับหินตะกอนที่โผล่บริเวณผิวโลก  ภาพถ่ายแม่น้ำโขง บริเวณสามพันโบก จังหวัดอุบลราชธานี

หินที่โผล่บนผิวโลกเปลี่ยนลักษณะได้อย่างไร

     กระบวนการผุพังที่เกิดกับหิน บริเวณผิวโลก และใต้ผิวโลกในระดับความลึกไม่มากนัก อาจแบ่งได้เป็น 3* ประเภทหลัก คือ กระบวนการผุพังทางกายภาพ กระบวนการผุพังทางเคมี และกระบวนการผุพังทางชีวะ  ซึ่งทั้ง 3 กระบวนการมักจะเกิดร่วมกัน  ซึ่งแต่ละกระบวนการมีลักษณะเด่นดังนี้ คือ 

     การผุพังทางกายภาพ เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางกลที่ทำให้วัตถุต้นกำเนิดมีขนาดเล็กลง 

     การผุพังทางเคมี เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงทางเคมี และ/หรือการละลาย-ทำปฏิกิริยาทางเคมีที่ทำให้แร่และหินที่โผล่บนผิวโลก มีสมบัติทางเคมี เปลี่ยนไป และเป็นผลให้มีสมบัติทางทางกายภาพเปลี่ยนแปลง

     กระบวนการผุพังทางชีวะ เป็นกระบวนการเปลี่ยนแปลงของวัสดุต้นกำเนิด จากกิจกรรมของสิ่งมีชีวิต ที่ทำให้เกิดการแตกหัก และ/หรือ เปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของแร่ และหิน

          *ในการจัดแบ่งประเภทของกระบวนการผุพัง บางครั้ง จัดแบ่งเป็น 2 ประเภทหลัก คือ การผุพังทางกล และการผุพังทางเคมี ซึ่งทั้ง 2 กระบวนการสามารถเกิดร่วมกัน โดยกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตสามารถร่วมกับทั้ง 2 กระบวนการได้ 

กระบวนการผุพังทางกายภาพ 

ประเด็นสำคัญ 

• กระบวนการผุพังทางกายภาพ เป็นกระบวนการที่ทำให้ แร่ และหิน มีขนาดเล็กลง เกิดบริเวณผิวโลก และใกล้ผิวโลก
• การยกตัวของเปลือกโลก และการกร่อน ทำให้หินที่หินโผล่บริเวณผิวโลก หรืออยู่ใต้ผิวโลกในระดับความลึกที่ไม่มากนัก  หินที่โผล่จะมีการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมใหม่ ที่มีความดันลดลง ทำให้หินเกิดรอยแตก
• การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ในช่วงอุณหภูมิที่สูงและต่ำกว่า 0 องศาเซเซียส เป็นปัจจัยที่สำคัญในการผุพังทางกายภาพ  โดยอาศัย น้ำ และแร่บางชนิด ปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการผุพังทางกายภาพ 

การผุพังทางกายภาพ สามารถสังเกตุได้จากการแยกตัวของหิน ทำให้หินมีขนาดเล็กลง  ประกอบด้วยกระบวนการหลักๆ คือการแตกที่เป็นผลมาจากน้ำหนักที่กดทับหายไป และการแตกที่เป็นผลมาจากลิ่มน้ำแข็ง 

     (1) การแตกที่เป็นผลมาจากน้ำหนักที่กดทับหายไป

     เมื่อเราเดินข้ามสะพานไม้ข้ามลำธารเล็กๆ น้ำหนักของเราทำให้สะพานไม้งอโค้งลง และเมื่อเราก้าวผ่านสะพานไม้ สะพานไม้จะดีดตัวกลับ เนื่องมาจากน้ำหนักที่กดทับแผ่นไม้จากตัวเราหายไป  ทำนองเดียวกับหินที่เกิดอยู่ใต้ผิวโลกในสภาพแวดล้อมที่มีความดันสูง จากน้ำหนักหินด้านบน เมื่อหินยกตัว และมีการกร่อนเกิดขึ้น ทำให้โผล่ยังบริเวณผิวโลก หินจะแสดงลักษณะการขยายตัวสู่ด้านบน และเกิดแนวแตก(เกิดขึ้นอย่างช้าๆ) อันเป็นการตอบสนองของหินต่อความดันที่หายไป  ดูคำอธิบายเพิ่มเติมในภาพ 2

ภาพ 2: เมื่อเปลือกโลกมีการยกตัว และมีการกร่อนเกิดขึ้น น้ำหนักที่กดทับหินอัคนีมวลไพศาลหายไป ทำให้หินเกิดการขยายตัวและมีแนวแตกเกิดขึ้น (ก) หินอัคนีมวลไพศาลเกิดใต้ผิวโลก ในสภาพที่มีความดันสูง (ข) เมื่อเกิดการยกตัว และการกร่อน หินอัคนีมวลไพศาลจะปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมใหม่บริเวณผิวโลก โดยการขยายตัว และเกิดแนวแตก และ (ค) หินแกรนิต แสดงแนวแตกที่เกิดเป็นแผ่นขนานกัน เป็นผลมาจากน้ำหนักที่เคยกดทับหายไป (ภาพกำลังอยู่ในระหว่างการปรับปรุง)

(ที่มาของภาพ: McConnell, D., Steer, D., Knight, C., Owens, K., and Park, L., 2008.  The Good Earth, Introduction to Earth Science, McGraw-Hill International Edition, 536 p.) 

     หินบางชนิดที่เกิดใต้ผิวโลก เช่น หินแกรนิต ที่เย็นตัวจากแมกมาในสภาพที่มีความดันสูง เมื่อเปลือกโลกมีการยกตัว และเกิดการกร่อนเกิดขึ้น หินแกรนิตจะโผล่บริเวณผิวโลก และปรับตัวให้เข้ากันสภาวะแวดล้อมใหม่ ทำให้เกิดการขยายตัวออกรอบด้าน ปรากฎการดังกล่าวเกิดขึ้นอย่างช้าๆ เป็นผลจากการที่แกรนิตพยายามลดความดันที่เคยกดทับหิน ทำให้เกิดแนวแตกที่เป็นแผ่นๆ ขนานกัน ในหินแกรนิต  หินแกรนิตที่พบบนผิวโลก จะมีลักษณะเป็นมวลที่กลม และมักมีรอยแตกที่เป็นแผ่นขนานกัน เรียกรอยแตกดังกล่าวว่า การแยกเป็นกาบมน

     ลักษณะการแตกเป็นกาบมน เป็นผลมาจากการผุพังทางกายภาพ ที่มักพบเกิดขึ้นกับหินอัคนีที่เย็นตัวใต้ผิวโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หินแกรนิต (ภาพ 3) ซึ่งโดยทั่วไปเป็นหินที่มีเนื้อเดียวกันสม่ำเสมอ และมักไม่พบการเรียงตัวของแร่  สำหรับหินแปร ที่แสดงริ้วขาน และหินตะกอน ที่มีการเกิดเป็นชั้น ซึ่งหินทั้งสองประเภทต่างเกิดใต้ผิวโลก และเมื่อหินทั้งสองประเภทโผล่ยังผิวโลก จะเกิดการขยายตัวตามแนวระนาบการเรียงตัวที่เกิดในหิน มากกว่าจะเกิดรอยแตกขึ้นมาใหม่เมื่อน้ำหนักที่กดทับหายไป

ภาพ 3: หินแกรนิต แสดงลักษณะการผุพัง เป็นก้อนกลมมน (แกรนิต บริเวณ ตำบลห้วยทราย อำเภอเมือง จังหวัดประจวบคีรีขันธ์)

     (2) การแตกที่เกิดจากลิ่มน้ำแข็ง

     หินที่โผล่บริเวณผิวโลกมักจะมีรอยแตก และช่องว่างเกิดขึ้น และในบางพื้นที่น้ำฝนสามารถซึมผ่านเข้าไปในรอยแตกดังกล่าว ในบางช่วงเวลาเมื่ออุณหภูมิลดลง น้ำในรอยแตกจะเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง  การเปลี่ยนสถานะจากน้ำไปเป็นน้ำแข็ง ทำให้น้ำขยายตัวจากเดิม 9 % ทำให้เกิดแรงดันบริเวณผนังรอยแตก (ภาพ 4)  การเกิดการแข็งตัวของน้ำ และหลอมตัวของน้ำแข็งเกิดซ้ำไปมา ทำให้หินบริเวณผิวโลกแตกหลุดออกจากหินต้นกำเนิด

ภาพ 4: กระบวนการผุพังทางกายภาพ ที่ทำให้หินแตกจากลิ่มน้ำแข็ง เป็นกระบวนการที่เกิดซ้ำ กันเมื่อน้ำไหลซึมเข้าไปในรอยแตกของหิน และเมื่ออุณหภูมิลดลงจะเกิดการขยายตัวเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง  เมื่อเวลาผ่านไปเศษหินที่เป็นเหลี่ยมจะหลุดออกจากหินต้นกำเนิด (ภาพอยู่ในระหว่างการปรับปรุง)

(ที่มาของภาพ: Wicander, R. and Monroe, J.S. 2009. Essential of Physical Geology, Brooks/Cole Cengage Learning, 5^th ed., Australia, 469 p.)

     สภาพสิ่งแวดล้อมที่จะเกิดลิ่มน้ำแข็งได้ อุณหภูมิในตอนกลางวัน และกลางคืน จะเปลี่ยนแปลงในช่วงที่มากและน้อยกว่า จุดหลอมตัวของน้ำ   ในช่วงฤดูร้อนของภูเขาสูงในเขตหนาว ที่มีหิมะปกคลุมมักจะพบว่าเกิดกระบวนการดังกล่าว และมักพบว่าบริเวณตีนเขาจะเกิดลานหินเชิงผา ซึ่งเป็นเศษหินที่หลุดร่วงมาจากยอดเขาด้านบน (ภาพ 5)

ภาพ 5: การเกิดลิ่มน้ำแข็ง และลานหินเชิงผา  ที่เกิดในภูเขาสูงที่มีการอากาศหนาวเย็น

     การแตกที่เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของน้ำแข็งสามารถเกิดโดยสารชนิดอื่น ในสภาพแวดล้อมอื่นๆได้เช่นกัน กล่าวคือ เป็นกระขบวนการที่ทำให้เกิดการขยายตัวตามรอยแตก หรือช่องว่างในหิน คล้ายคลึงกับการเกิดลิ่มน้ำแข็ง แต่เป็นผลมาจากการตกผลึกของแร่ ประเภทยิบซัม และเฮไลต์   ผลึกเกลือสามารถตกผลึกได้ในบริเวณที่มีอัตราการระเหยที่มาก เช่น บริเวณทะเลทราย และบริเวณพื้นที่ชายฝั่ง  เมื่อน้ำทะเลซึมเข้าไปในรอยแตก และช่องว่างในหิน และเกิดการตกผลึกของเกลือ  เมื่อผลึกเกลือเกิดขึ้นมันจะดันรอยแตก และช่องว่างให้มีขนาดใหญ่ขึ้น  ในบางครั้งการผุพังดังกล่าวทำให้หินเกิดเป็นรูพรุนคล้ายรังผึ้ง และในบางครั้งอาจทำให้เกิดเป็นรูขนาดเล็กต่อกัน มีชื่อเรียกเฉพาะว่า ทาโฟนิ

ภาพ 6: รูที่มีลักษณะคล้ายรังผึ้ง เกิดจากผลึกเกลือที่ตกผลึกบริเวณช่องว่างในหิน และค่อยๆขยายตัวทำให้หินมีลักษณะเป็นรู (จาก http://en.wikipedia.org/wiki/Tafoni)

     ผลของกระบวนการผุพังทางกายภาพ ทำให้แร่ และหินแตกออก และมีขนาดเล็กลง กระบวนการดังกล่าวทำให้เกิดพื้นที่ผิวมากขึ้น และช่วยทำให้แร่และหิน สามารถเกิดการผุพังได้ง่ายขึ้นจากกระบวนการผุพังประเภทอื่นๆ ต่อไป  ภาพ 7 แสดงการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวของหิน จากกระบวนการผุพังทางกายภาพ  ผลก็คือ จะทำให้พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่า เมื่อหินแตกเป็นก้อนเล็กลงโดยมีปริมาตรลดลงครึ่งหนึ่งจากเดิม แต่ปริมาตรโดยรวมไม่เปลี่ยนแปลง

ภาพ 7: ภาพวาดแสดงความสัมพันธ์ของการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ผิวของหินเมื่อหินแตก (ก) หินมีปริมาตร 1 ลูกบาศก์เมตร และมีพื้นที่ผิวทั้งหมด 6 ตารางเมตร (ข) กำหนดให้หินแตกเป็นก้อนขนาดเล็กลง โดยความกว้าง ยาว และสูง น้อยลงครึ่งหนึ่งจากเดิม ผลก็คือพื้นที่ผิวจะเพิ่มขึ้นเป็น 2 เท่าจากเดิม (จาก 6 เป็น 6 x 2 = 12 ตารางเมตร แต่ปริมาตรจะคงที่ และ (ค) หินแตกเพิ่มขึ้นเป็นก้อนเล็กลงจาก ข้อ (ข) ผลคือพื้นที่ผิวจะเพิ่มขึ้นเป็น 24 ตารางเมตร (12 x 2) แต่ปริมาตรคงเดิม (ภาพอยู่ในระหว่างการปรับปรุง)

 (ที่มาของภาพ: Wicander, R. and Monroe, J.S. 2009. Essential of Physical Geology, Brooks/Cole Cengage Learning, 5^th ed., Australia, 469 p.) 

กระบวนการผุพังทางเคมี 

ประเด็นสำคัญ 

• การผุพังทางเคมี คือกระบวนการย่อยสลายหิน จากปฎิกิริยาเคมี ที่เกิดขึ้นในแร่ประกอบหิน
• การละลายเป็นส่วนหนึ่งของการผุพังทางเคมี เกิดขึ้นโดยมีน้ำเป็นตัวทำละลายแร่ และหิน
• ไฮโดรไลซิส เกิดขึ้นเมื่อน้ำทำปฎิกิริยากับแร่ประกอบหิน ทำให้เกิดเป็นแร่ใหม่ เช่น กลุ่มแร่เฟลด์สปาร์ (แร่ประกอบหิน) ทำปฎิกิริยากับน้ำ เกิดเป็นแร่เคลย์ (clay minerals)
• ออกซิเดชั่น เกิดขึ้นเมื่อส่วนประกอบทางเคมีของแร่เปลี่ยนแปลง อันเป็นผลมาจากการได้รับอะตอมของออกซิเจนเพิ่มขึ้น

     เมื่อกระบวนการผุพังทางกายภาพทำให้เกิดพื้นที่ผิวของหินเพิ่มมากขึ้น  กระบวนการผุพังทางเคมีที่เกิดกับหินสามารถเกิดได้ง่าย รวดเร็ว และมากขึ้น  การผุพังทางเคมีนอกจากจะเกิดขึ้นกับแร่ และหินแล้ว เราสามารถสังเกตกระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นในชีวิตประจำวันอีกด้วย  สนิมที่เกิดขึ้นกับใบมีดคัตเตอร์ แผ่นสังกะสี ท่อน้ำ ตะปู และรถยนต์  เขาหินปูน-ถ้ำต่างๆ ที่เป็นสถานที่ท่องเที่ยว และกระดาษที่เราใช้ ต่างเกี่ยวข้องกับการผุพังทางเคมีทั้งสิ้น  กระบวนการผุพังทางเคมี คือ กระบวนการย่อยสลายหิน ที่เป็นผลมาจากการสลายตัว และการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของแร่ประกอบหิน  ปฎิกิริยาทางเคมีที่ทำให้หินมีการเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบทางเคมี ที่พบได้ทั่วไป คือ การละลาย ไฮโดรไลซิส และออกซิเดชั่น  ปฎิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นกับหิน ทำให้แร่สามารถหลุดออกจากหินได้ง่ายขึ้น หรือเปลี่ยนแปลงส่วนประกอบของแร่  และโดยทั่วไปแร่เดิมก่อนที่จะเกิดการผุพังทางเคมีจะมีความแข็งแรง แต่เมื่อเกิดการผุพังทางเคมีเกิดขึ้นแร่ใหม่จะมีความแข็งแรงน้อยลง 

การละลาย (หมายถึงปฎิกิริยาการละลาย)

     ถ้าเรานำน้ำตาล หรือเกลือแกง ใส่ลงไปในแก้วที่มีน้ำอุ่น  น้ำตาล หรือเกลือแกงจะละลายหมดไปในไม่ช้า และถ้าเราปล่อยให้น้ำในแก้วน้ำระเหยจนแห้ง เราจะได้ผลึกน้ำตาล หรือผลึกเกลือกลับคืนมา  กระบวนการละลาย และกระบวนการตกผลึก เป็นกระบวนการที่เกิดตรงข้ามกัน  ในธรรมชาติการละลายเกิดขึ้นเมื่อแร่ประกอบหินละลายโดยมีน้ำเป็นตัวทำละลาย  ผลของการละลายสามารถสังเกตเห็นได้ในหิน เช่นหินปูน และหินทราย ที่มีส่วนประกอบที่คงทนต่อการละลายแตกต่างกัน ดูภาพ 8 (ก) และ (ข)

ภาพ 8: องค์ประกอบของหินที่มีส่วนประกอบที่คงทนต่อการละลายต่างกัน (ก) แคลเซียมคาร์บอเนต ที่เกิดในซากบรรพชีวิน มีความคงทนต่อการผุพังทางเคมีมากกว่าแคลเซียมคาร์บอเนตขนาดเล็กที่เกิดในหิน ผลคือ เราจะเห็นซากบรรพชีวินนูนเด่นขึ้นมาจากผิวหินปูนที่มีซากบรรพชีวิน (ถ่ายจากบริเวณทางเข้าวัดรัตนญานสังวร อำเภอมวกเหล็ก จังหวัดสระบุรี) และ (ข) ควอตซ์ ที่เกิดเป็นตะกอนขนาดทราย มีความคงทนต่อการผุพังทางเคมีมากกว่าสารเชื่อมประสาน ทำให้เห็นการเรียงตัวของเม็ดตะกอนควอตซ์ ชัดเจนบนผิวหินทราย (ถ่ายจากบริเวณแหล่งหินตัดโบราณ ตำบลมิตรภาพ อำเภอสีคิ้ว จังหวัดนครราชสีมา)

     จากภาพซากบรรพชีวิน (ไครนอยด์) ในหินปูน และเม็ดตะกอนในหินทรายที่เรียงตัวเป็นชั้น คงทนต่อการผุพังทางเคมี (การละลาย) ได้ดีกว่าส่วนอื่นๆในหิน  โดยทั่วไปความสามารถในการคงทนต่อการละลาย ขึ้นกับปัจจัยดังต่อไปนี้

(1) ลักษณะของแร่ประกอบหิน

     แร่ประกอบหินแต่ละชนิดมีความสามารถในการละลายน้ำได้มากน้อยต่างกัน เช่น แร่เฮไลต์ ยิปซั่ม แคลไซต์ และโดโลไมต์ เป็นแร่ที่สามารถละลายน้ำได้ ในขณะที่เฟลด์สปาร์ และควอตซ์ เป็นแร่ที่มีความสามารถละลายน้ำได้น้อย ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1: ความคงทนต่อการผุพังแบบเปรียบเทียบ ของแร่ที่พบโดยทั่วไปบนผิวโลก

(2) พื้นที่ผิวของหินที่สัมผัสกับน้ำ และ

(3) ปริมาณน้ำฝน

     เนื่องจากในอากาศประกอบด้วยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์อยู่เล็กน้อย (0.035 % โดยปริมาตร) และเมื่อขณะที่หยดน้ำขนาดเล็กลอยอยู่ในอากาศ-รวมกันเป็นเมฆ และตกมาเป็นฝน  แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์สามารถรวมตัวกับน้ำ ทำให้เกิดกรดคาร์บอนิกในน้ำฝน ดังสมการ

     น้ำฝนที่มีสมบัติเป็นกรดอ่อน สามารถที่จะละลายหินบางประเภทได้ดี เช่น หินปูน และหินอ่อนเป็นต้น  ในสภาพแวดล้อมในปัจจุบัน มลพิษทางอากาศจากท่อไอเสียรถยนต์ และโรงงานอุตสาหกรรม ทำให้น้ำฝนมีความเป็นกรดเพิ่มขึ้นทำให้เกิดการผุพังทางเคมีแบบการละลายเพิ่มมากขึ้น ในบริเวณเมือง และพื้นที่ใกล้เคียงกับโรงงานอุตสาหกรรม

     หินปูน เป็นหินตะกอนที่พบมากบริเวณผิวโลก ประกอบด้วยแคลเซียมคาร์บอเนต เป็นส่วนใหญ่

 และเป็นหินที่สามารถละลายได้อย่างช้าๆ กับน้ำฝนที่มีสมบัติเป็นกรดอ่อนดังสมการ

     ด้วยเหตุนี้เราจึงสามารถพบเห็นผลจากกระบวนการผุพังทางเคมี จากหินปูนได้มากกว่าหินประเภทอื่นๆ ดังตัวอย่างในภาพ 9

ภาพ 9 : การละลาย เป็นกระบวนการผุพังทางเคมีที่พบบ่อยในหินปูน  (ก) ผิวของหินปูนแสดงผลของการผุพังทางเคมี เกิดเป็นหลุมเนื่องจากการตกของน้ำฝนเป็นเวลานาน และ (ข) ตัวอย่างผลของการผุพังทางเคมี ทำให้เกิดภูเขาหินปูน มีผิวที่เป็นร่องเล็กๆ ในแนวดิ่ง จำนวนมากบริเวณหน้าผาชัน

     ผลของการละลายที่เกิดขึ้นกับหินปูน นอกจากจะทำให้เกิดการผุพังทางเคมีที่สามารถสังเกตได้บริเวณผิวของหินปูนแล้ว ยังเป็นหนึ่งในกระบวนการสำคัญทำให้เกิดลักษณะภูมิลักษณ์ รูปแบบต่างๆ เช่น ลักษณะภูเขาที่มีหน้าผาชัน หลุมยุบ ถ้ำ ธารน้ำใต้ดิน ซึ่งเป็นลักษณะของภูมิประเทศแบบคาสต์ (ภาพ 10)

ภาพ 10: การละลายที่เกิดขึ้นในหินปูน เป็นหนึ่งในกระบวนการสำคัญที่ทำให้ผิวโลกมีการเปลี่ยนแปลง และเกิดภูมิลักษณ์ แบบต่างๆ (ก) ภูเขาที่มีหน้าผาสูงชัน และ (ข) บริเวณเขาหินปูนที่แสดงหลักฐานว่ามีทางน้ำใต้ดินไหลผ่าน 

ไฮโดรไลซิส

     ปฎิกิริยาไฮโดรไลซิส เป็นปฎิกิริยาที่เกิดขึ้นจากประจุไฮโดรเจนจากน้ำ แทนที่ประจุของธาตุอื่นๆ ในแร่ประกอบหิน ทำให้แร่มีส่วนประกอบทางเคมี และสมบัติเปลี่ยนไป หรือเกิดเป็นแร่ใหม่  โดยทั่วไปแร่ที่เกิดใหม่จะมีความแข็งแรงน้อยกว่าแร่เดิม ทำให้ง่ายต่อกระบวนการผุพังชนิดอื่นๆ และการกร่อน

     ประจุของไฮโดรเจนในน้ำ เป็นผลมาจากการแตกตัวของกรดคาร์บอนิก ดังสมการ

     เนื่องจากกลุ่มแร่เฟลด์สปาร์ เป็นแร่ประกอบหินที่พบมากสุดบริเวณเปลือกโลก และแร่โปแตสเซียมเฟลด์สปาร์ เป็นแร่ที่พบได้ทั่วไป และเป็นแร่ประกอบหินแกรนิต และหินทัฟฟ์ที่มีองค์ประกอบเป็นไรโอ-ไรต์  ซึ่งในตัวอย่างต่อไปนี้ เป็นตัวอย่างของปฎิกิริยาไฮโดรไลซิส ที่เกิดขึ้นกับแร่โปแตสเซียมเฟลด์สปาร์ ทำให้เกิดเป็นแร่เคลย์ ดังสมการ ต่อไปนี้

     ตารางที่ 2 เป็นการเปรียบเทียบลักษณะที่สำคัญของแร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ (แร่ก่อนการผุพัง) และแร่เคลย์ ซึ่งเป็นแร่ที่เกิดจากกระบวนการผุพัง  จะเห็นได้ว่าแร่เคลย์ มีความแข็ง ลดลง แต่มีค่าความคงทนต่อการผุพังเพิ่มขึ้น ดูตาราง 1 ประกอบ

     ตาราง 2: การเปรียบเทียบสมบัติของแร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ กับแร่เคลย์

แร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ (ไมโครไคลน์)

ความแข็ง = 6

มักเกิดเป็นผลึกขนาดมองเห็นได้ด้วยตา

KAlSi₃O₈

แร่เคลย์ (เคโอลิไนต์ หรือแร่ดินขาว)

ความแข็ง = 2

เกิดเป็นผลึกขนาดเล็กมากไม่สามารถมองเห็นด้วยตา หรือแว่นขยาย

Al₂Si₂O₅ (OH)₄

(ภาพแร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ นำมาจาก  http://www.pitt.edu/~cejones/GeoImages/1Minerals.html  และ แร่เคลย์ นำมาจาก  http://www.ecu.edu/geology/1501/main17.html)

     ในประเทศไทยพบหินแกรนิตที่เกิดการผุพังกลายเป็นดิน แต่ยังคงรักษาสภาพเนื้อหินแกรนิต มากบริเวณภาคใต้ ภาคกลาง และภาคเหนือของประเทศ ลักษณะการผุพังดังกล่าวเรียกว่า การผุพังอยู่กับที่ (ภาพ 11)

ภาพ 11: แกรนิต และการผุพังอยู่กับที่ (ก) แกรนิต ที่มีแร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ เป็นองค์ประกอบ (แร่เป็นผลึกสีชมพู) และ (ข) แกรนิตผุกลายเป็นดิน (แร่สีขาวขุ่นคือแร่โพแทสเซียมเฟลด์สปาร์ที่เหลือจากการผุพัง)  ภาพถ่ายจาก ตำบลห้วยทราย อำเภอเมือง จังหวัดประจวบคีรีขันธ์)

     แร่เคลย์ หรือแร่ดินขาวที่เกิดขึ้นจากกระบวนการผุพังทางเคมี แบบไฮโดรไลซิส นอกจากเป็นส่วนประกอบของดินเหนียวที่พบทั่วไปแล้ว  แร่ดินขาวที่มีมลทินเจือปนน้อย จะนำไปใช้ในการเป็นตัวเติมในการผลิตกระดาษ ยาง และสี เพื่อเพิ่มน้ำหนักและความข้น  นอกจากนี้เป็นวัตถุดิบสำคัญสำหรับผลิต จาน ชาม เครื่องเคลือบ ในอุตสาหกรรมเซรามิก

ออกซิเดชั่น

     ออกซิเดชั่น มีการใช้กันอย่างหลากหลายในทางเคมี  แต่ในกระบวนการผุพังทางเคมี หมายถึงปฎิกิริยาจากออกซิเจน (O₂) กับธาตุโลหะของแร่ที่อยู่ในหิน ที่ทำให้เกิดกลุ่มแร่ออกไซด์ และโดยทั่วไปจะมีน้ำ-ความชื้น เกิดร่วมอยู่ในระบบ ทำให้เกิดกลุ่มแร่ไฮดรอกไซด์  ตัวอย่างของปฎิกิริยาออกซิเดชั่น แสดงได้ดังสมการ

ปฎิกิริยาออกซิเดชั่น โดยไม่มีน้ำ ในระบบ

  เหล็ก เมื่อทิ้งไว้ในอากาศ เหล็กจะผุ หรือเกิดปฎิกิริยาออกซิเดชั่น กลายเป็นสนิมเหล็ก หรือแร่ฮีมาไทต์ หรือแร่เหล็กแดง ที่มีสีแดง (สีเมื่อเป็นผง หรือสีผงเป็นสีแดง)

     ในกรณีที่เป็น แร่แมกนีไทต์ เมื่อทิ้งไว้ในอากาศ จะเกิดปฎิกิริยาออกซิเดชั่น กลายเป็นแร่ฮีมาไทต์ ดังสมการ

ปฎิกิริยาออกซิเดชั่น โดยมีน้ำ ในระบบ

     แร่ไพไรต์ ที่เมื่อสัมผัสกับอากาศที่มีความชื้น หรือสัมผัสกับฝน จะเกิดการเปลี่ยนแปลง เป็นแร่ไลโมไนต์ ได้จากสมการ (1) ถึง (3)

เนื่องจากเหล็กซัลเฟต จะเกิดในรูปสารละลาย จึงสามารถเขียนสมการได้เป็น

จากสมการที่ 2 เนื่องจากสภาพแวดล้อมมี ออกซิเจน และน้ำมาก ปฎิกิริยาออกซิเดชั่นที่เกิดขึ้นต่อเนื่อง กับ Fe²⁺  เปลี่ยนเป็น Fe³⁺ สามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้

 - จากกรณีของกระบวนการผุพังทางเคมี แบบออกซิเดชั่น ให้ข้อมูลที่น่าสนใจดังนี้ออกไซด์ของเหล็ก ไม่ว่าจะอยู่ในรูปของแร่ฮีมาไทต์ ไลโมไนต์ หรืออื่นๆ จะทำให้เกิดสีน้ำตาลแดง – สีแดง – สีเหลือง บริเวณผิวของหิน และดิน  เนื่องจากสี และสีที่เป็นผง ออกไซด์ของเหล็ก (ภาพ 12 ก และ ข)

     - บริเวณที่มีแร่ไพไรต์ เกิดขึ้นมาก น้ำบริเวณดังกล่าวจะมีสภาพเป็นกรด เนื่องจากปฎิกิริยา ในสมการ(1) และน้ำจะมีสีแดง จากสมการที่ (3)

     - ข้าวตอกพระร่วง เป็นไลโมไนต์ ที่เกิดแทนที่ผลึกไพไรต์ (ภาพ 14)

ภาพ 13: หิน และดินที่มีสีแดง เป็นผลมาจากการออกซิเดชั่น ของเหล็ก (ก) หินทราย และหินทรายปนกรวดบริเวณ สามพันโบก ผิวหินที่ผุมีสีน้ำตาลแดง ซึ่งเนื้อหินที่สดจะเป็นหินทรายสีขาว และ (ข) ดินที่ผุมาจากหินบะซอลต์ มีสีแดง เนื่องจากหินบะซอลต์มีแร่แมกนีไทต์ เป็นส่วนประกอบ ภาพถ่ายจาก บริเวณอำเภอน้ำยืน จังหวัดอุบลราชธานี

ภาพ 14:  ไลโมไนต์ ที่ผุพังทางเคมีมาจากแร่ไพไรต์  ไลโมไนต์อาศัยรูปผลึกเดิมของไพไรต์ ที่มีผลึกเป็นรูปลูกบาศก์  เรียกลักษณะของไลโมไนต์ ว่าเกิดอยู่ในสัณฐานเทียม หรือรูปร่างเทียม

ภาพจาก: http://www.johnbetts-fineminerals.com/jhbnyc/collectng/670.htm 

กระบวนการผุพังทางชีวะ

ประเด็นสำคัญ

     - การผุพังทางชีวะ เป็นกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตที่สามารถทำให้แร่-หิน เคลื่อนที่จากวัสดุต้นกำเนิด และหรือทำให้วัสดุต้นกำเนิดผุสลาย

     -ในกรณีที่มีการจำแนกกระบวนการผุพัง ออกเป็น 2 แบบหลัก คือ กระบวนการผุพังทางกล และกระบวนการผุพังทางเคมี กระบวนการผุพังทางชีวะ จะรวมเข้าไว้ในกระบวนการทั้งสองแบบ  และโดยทั่วไปกระบวนการผุพังทางชีวะที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ จะรวมไว้กับการผุพังทางกล  ส่วนกระบวนการผุพังทางชีวะที่เกิดกับสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก ส่วนใหญ่จะรวมไว้กับกระบวนการผุพังทางเคมี

     กระบวนการผุพังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อวัสดุต้นกำเนิดบริเวณผิวโลกอย่างช้าๆ ในช่วงเวลาสั้นๆ เราอาจไม่สามารถที่จะสังเกตกระบวนการดังกล่าวได้  แต่ถ้ากระบวนการผุพังเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและยาวนาน ผลของมันสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นอย่างมาก เช่น ภูเขาหลายแห่งในภาคใต้ของประเทศที่เดิมเป็นหิน แต่ในปัจจุบันผุพังเป็นดินแทบทั้งภูเขา  หรือการสังเกตการเจริญเติบโตของต้นไม้ จะใช้เวลาพอสมควรที่จะเห็นการเปลี่ยนแปลง  จากตัวอย่างเปรียบเทียบดังกล่าว เพื่อโยงเนื้อหาเข้าสู่เรื่องกระบวนการผุพังทางชีวะ ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญโดยเฉพาะกระบวนการเกิดดิน  ถ้าโลกของเราไม่มีสิ่งมีชีวิตโดยเฉพาะสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เช่น แบคทีเรีย และรา โลกของเราอาจจะไม่มีดินสำหรับการดำรงชีวิตของพืช และใช้สำหรับการเพาะปลูก

     เราสามารถแบ่งกระบวนการผุพังทางชีวะ ออกได้เป็น 2 ประเภท คือ กระบวนการผุพังทางชีวะที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดที่เราสามารถมองเห็น และกระบวนการผุพังทางชีวะที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่เราไม่สามารถมองเห็นด้วยตา

กระบวนการผุพังทางชีวะที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดที่เราสามารถมองเห็น

     กระบวนการผุพังทางชีวะดังกล่าว ประกอบด้วย การชอนไชของรากพืชที่แทรกเข้าไปในหิน การขุดรู (งู หนู ปู ไส้เดือน)  การสร้างรัง (ปลวก มด) ที่ทำให้เกิดการเคลื่อนย้ายวัสดุต้นกำเนิด แร่ และหิน  กระบวนการผุพังทางชีวะแบบนี้ อาจจัดได้ว่าเป็นการผุพังทางกล โดยมีสิ่งมีชีวิตมาเกี่ยวข้อง (ภาพ 15)

ภาพ 15: ต้นไม้ที่เจริญเติบโตในหินทราย ทำให้เกิดการผุพังทางกล หรือการผุพังทางชีวะ เมื่อต้นไม้เจริญเติบโตขึ้น มันจะทำให้วัสดุต้นกำเนิดที่เป็นหินทราย แตกออกเป็นเศษก้อนหินหลุดจากหินต้นกำเนิด

กระบวนการผุพังทางชีวะที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดที่เราไม่สามารถมองเห็น

     สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กนอกจากจะมีความสำคัญต่อกระบวนการย่อยสลายซากพืช และซากสัตว์แล้ว ยังมีความสำคัญต่อกระบวนการเกิดดิน และการผุพังทางชีวะที่สำคัญ  เกี่ยวข้องกับกระบวนการผุพังทางชีวะที่เกิดจากสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก หมายถึง กระบวนการย่อยสลายทางชีวเคมี ที่ทำให้วัสดุต้นกำเนิดที่อาจมีหรือไม่มีสารอินทรีย์ เป็นองค์ประกอบ ที่เป็นของแข็งเปลี่ยนสภาพไป

     ในกรณีของวัสดุต้นกำเนิดมีสารอินทรีย์ เป็นองค์ประกอบ ส่วนมากเป็นดิน และตะกอนบริเวณผิวโลก ปฎิกิริยาชีวเคมี แบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือแบบที่อาศัยออกซิเจน และแบบที่ไม่อาศัยออกซิเจน  ส่วนของของแข็งที่แทนด้วยโมเลกุลของน้ำตาล จะเปลี่ยนแปลงด้วยสมการดังต่อไปนี้

ในสภาพที่มีออกซิเจน

(โมเลกุลของน้ำตาล) 

ในสภาพที่ไม่มีออกซิเจน

(โมเลกุลของน้ำตาล)   

     การดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก ในสภาพที่มีออกซิเจน ทำให้เกิดปฏิกิริยาชีวเคมีได้เร็วกว่า ในสภาพที่ไม่มีออกซิเจน  และเกิดขึ้นกับวัสดุต้นกำเนิดประเภทดิน หรือตะกอน  เนื่องมาจากมีสารอินทรีย์เป็นองค์ประกอบ และจะเปลี่ยนสารอินทรีย์ที่อยู่ในรูปของแข็ง ให้เป็นแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ   น้ำหรือความชื้นในดินจะมีสภาพเป็นกรด ซึ่งจะเกิดปฎิกิริยาละลายต่อไป เมื่อน้ำที่เป็นกรดซึมผ่านลงไปในชั้นดิน

       ไลเคน เป็นสิ่งมีชีวิตคล้ายพืช เกิดจากการอยู่ร่วมกันแบบพึ่งพาอาศัยซึ่งกันและกัน ระหว่างเห็ดรา กับสาหร่าย  โดยเห็ดรา ทำหน้าที่กักเก็บน้ำ รักษาความชื้น ตลอดจนถึงย่อยสลายหินทำให้เกิดธาตุอาหารสำหรับสาหร่าย สังเคราะห์แสง และผลิตน้ำตาลให้กับสาหร่ายเอง และเห็ดรา   ไลเคน จึงสามารถทำให้หินผุพังได้ จากเห็ดรา ที่ปล่อยเอนไซน์เพื่อละลายสารอาหารจากแร่ประกอบหิน

      เนื่องจากกระบวนการผุพังทางชีวะที่อาศัยสิ่งมีชีวิตขนาดเล็ก เป็นกระบวนการชีวเคมี และอาศับปฎิกิริยาการละลาย ด้วยเหตุนี้ในการจัดแบ่งชนิดของการผุพัง สามารถรวมการผุพังแบบนี้เข้าไว้กับ การผุพังทางเคมี

วีดิทัศน์เรื่อง ภูมิประเทศหินปูน

หินปูน เป็นหินที่ประกอบด้วยแร่แคลไซต์ เป็นหลัก ในขณะที่หินโดไลไมต์ เป็นหินที่ประกอบด้วยแร่โดไลไมต์ เป็นหลัก ในการตรวจสอบแยกหินปูน ออกจากโดโลไมต์ นอกจากจะใช้เนื้อหินในการจำแนกแล้ว ยังใช้กรดเกลือเจือจางในการทดสอบว่าหินตัวอย่างนั้นมีแร่แคลไซต์ หรือแร่โดโลไมต์หรือไม่ เนื่องจากกรดเกลือทำปฏิกิริยาได้เร็วกับแร่แคลไซต์ ขณะที่ทำปฏิกิริยาได้ช้ากับแร่โดโลไมต์

     การจำแนกหินปูน จำแนกตามการเกิดได้เป็น 3 ชนิด คือ

          1) หินปูนที่เกิดจากสะสมตัวของตะกอนคาร์บอเนต  (ภาพ 1 และ 2) ตะกอนคาร์บอเนต คือเศษซากของสิ่งมีชีวิต (เปลือกหอย ก้านไครนอยด์ ฯลฯ) ตะกอนที่เกิดจากการพอกพูน ก้อนตะกอนคาร์บอเนตที่แข็งตัว และตะกอนอื่นๆ จากทั้งภายนอก และภายในแอ่งสะสมตัว หินปูน แบบนี้จะแสดงเนื้อหินแบบเนื้อเศษหิน และหินปูนที่พบในประเทศส่วนมากจะแสดงลักษณะเนื้อหินดังกล่าว  

                                                   
   ภาพ 1 หินปูนที่ประกอบด้วยซากฟอสซิลฟิวซูลินิด                                                                         ภาพ 2 หินปูนเนื้อละเอียดสีเทาเข้มเนื้อหินธรรมชาติและเนื้อหินที่แช่กรดเกลือเจือจาง) เป็นหินปูนที่พบได้ทั่วไปบริเวณ ภาคใต้ของประเทศ

2) หินปูนที่เกิดจากกิจกรรมของสิ่งมีชีวิต (ภาพ 3) เกิดจากสิ่งมีชีวิตเช่น ปะการัง สามารถสร้างโครงสร้างแข็งขึ้นมาเป็นหินปูน

3 ภาพซากปะการังที่ตายและเป็นหิน 

3) หินปูนที่ตกผลึกจากปฏิกิริยาเคมี (ภาพ 4) เกิดจากกระบวนการตกผลึกของแร่แคลเชียมคาร์บอเนต จากน้ำพุร้อน น้ำผิวดิน และน้ำใต้ดิน ที่ไหลผ่านพื้นที่ที่ประกอบด้วยหินปูน เกิดเป็น ทูฟา ทราเวอร์ทีน และหินงอก-หินย้อย เป็นต้น

ภาพ 4 ทูฟา ที่เกิดตามน้ำตกที่ไหลผ่านบริเวณพื้นที่ที่ประกอบด้วยหินปูนเป็นหลัก 

สำหรับหินโดโลไมต์ หรือโดโลสโตน (ภาพ 5) ในปัจจุบันได้รับการยอมรับว่า คือหินปูนเดิม ที่แร่แคลไซต์ ในหินถูกแทนที่เปลี่ยนไปเป็นแร่โดโลไมต์ หรือเป็นหินที่เกิดแบบทุติยภูมิ สำหรับแนวความคิดที่กล่าวว่าหินโดโลไมต์ เป็นหินที่ตกผลึกโดยตรงจากน้ำทะเล หรือแบบปฐมภูมิ ในปัจจุบันแนวคิดดังกล่าวได้รับความนิยมน้อยลง 

สมบัติของหินปูน และหินโดโลไมต์ 

การนำหินปูน และหินโดโลไมต์ ไปใช้ประโยชน์     

  ทั้งหินปูน และหินโดโลไมต์ จัดเป็นแร่อุตสาหกรรม ซึ่งมีการนำไปใช้ประโยชน์หลายด้านดังต่อไปนี้

ปฏิกิริยาที่น่าสนใจ

1. การทำปฏิกิริยากับกรดเกลือ ได้แคลเซียมคลอไรต์ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ

ดังสมการ  CaCO₃ + 2HCl -------------->  CaCl₂ + CO₂ + H₂O

2. เมื่อเผาที่อุณหภูมิ มากกว่า 840 ^oC จะได้ ปูนขาว หรือไลม์ (CaO) กับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์
ดังสมการ  CaCO₃ + ความร้อน -------------->  CaO + CO₂

3. ทำปฎิกิริยากับน้ำที่อิ่มตัวด้วยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ได้แคลเซียมไบคาร์บอเนต ที่ละลายได้ในน้ำ  
ดังสมการ   CaCO₃ + H₂O + CO₂ -----------------> Ca(HCO₃)₂

หินปูน เป็นหินตะกอนที่พบมากทุกภาคในประเทศ โดยเฉพาะบริเวณภาคกลาง ภาคเหนือ และภาคใต้  ลักษณะเขา ภูเขา และเทือกเขา ที่มียอดแหลม แนวสันเขาไม่เรียบ มักมีหน้าผาสูงชัน อาจเห็นโพรง และปากถ้ำ ล้วนเป็นลักษณะของเขา ภูเขา และเทือกเขาที่ประกอบด้วยหินปูน  เขาหินปูนบางลูกอาจจะเห็นโพรงที่เกิดทะลุไปอีกด้านของเขา ซึ่งชาวบ้านจะตั้งชื่อเขาตามลักษณะของมัน เช่น เขาช่องกระจก และเขาทะลุ  เขาหินปูนส่วนมากมีสีในโทนสีเทาจาง ถึงเทาเข้ม มักมีคราบสนิมสีน้ำตาล น้ำตาลเหลือง – ขาว เคลือบเป็นลาย บริเวณผิวของเขาหินปูนทั่วไป จะเกิดร่องและสัน เป็นแนวยาวขนานกันในแนวดิ่ง บางบริเวณจะพบผิวที่เป็นหลุมกลมขนาดเล็ก ติดต่อกันเป็นจำนวนมาก บริเวณขอบหลุมจะบางและคม

     ลักษณะดังกล่าวของภูเขา เป็นผลเนื่องมาจาก หินปูน สามารถละลายได้ในน้ำฝน และประเทศไทยตั้งอยู่ในเขตภูมิอากาศร้อนชื้น-ฝนตกชุก ภาพลักษณะของภูเขาหินปูน สรุปได้ดังนี้

ภาพ 4.1 ภูเขาสันไม่เรียบ มีหน้าผาสูงชัน มีสีเทาและมักมี             คราบที่เกิดเป็นแนวสีเหลืองขน้ำตาล(ส่วนของ             ภูเขา บริเวณหุบป่าตาด จ. อุทัยธานี)	ภาพ 4.2 หน้าผาสูงชัน และรอยแตกในเขาหินปูน             (ภาพ4.1 บริเวณด้านขวาของภาพ ถ่ายซูม)
ภาพ 4.3 ชุดของรอยแตกที่เกิดขึ้นในหินปูนแสดงด้วย             เส้นประ	ภาพ 4.4 แนวร่องและสันในแนวดิ่ง (เส้นประ) เกิดบริเวณ             ผิวหินปูน  ร่องและแนวดังกล่าวเกิดจากน้ำฝนที่             ไหลบริเวณผิวหินปูนจากยอดเขาสู่ตีนเขาเป็น             เวลานาน
ภาพ 4.5 ชุดรอยแตกในหิน ร่องและสันที่เกิดบริเวณผิวหิน	ภาพ 4.6 สันเขาหินปูนที่ไม่เรียบ ชุดรอยแตก หน้าผาชัน             และกองเศษหินปูนบริเวณเชิงเขา
ภาพ 4.7 หน้าผาชันของเขาหินปูนสีเทาจาง ในกรณีนี้เกิด             จากการทำเหมืองหิน (หน้าเหมืองหินที่หยุด             ดำเนินกิจการ, เหมืองหิน บริเวณเขางู จ.ราชบุรี)	ภาพ 4.8 หน้าผาชันของเขาหินปูนสีเทาเข้ม และโพรง ที่เกิดจากการทำเหมืองหิน (หน้าเหมืองหินบริเวณ จังหวัดตรัง)
ภาพ 4.9 เขาหินปูนเกิดเป็นเขาโดด (ภาพมุมสูงของหินปูน             จังหวัดลพบุรี)	ภาพ 4.10 เขาหินปูนที่เกิดเป็นเขาโดด               (หินปูน ที่พบบริเวณจังหวัดสตูล)
ภาพ 4.11 เขาทะลุ พบในภูเขาหินปูน  เขาทะลุ คือส่วน               ของโพรง หรือถ้ำ ที่เหลือจากการผุพัง และ               กร่อนของภูเขาคงเหลือให้เห็น	ภาพ 4.12 เขาหินปูน บางครั้งมียอดมน (โม       โกทส์,mogotes ดูภูมิประเทศแบบคาสต์)        แสดงโพรง ที่เหลือจากการผุพัง
ภาพ 4.13 ผิวหินปูนที่แสดงลักษณะเป็นหลุมติดกันขอบคม	ภาพ 4.14 หลุมบริเวณผิวหินปูน เกิดจากเม็ดฝนที่ตกกระ               ทบหินเป็นเวลานาน
ภาพ 4.15 หลุมที่เกิดจากเม็ดฝนกระทบหินปูน               บริเวณเขาหน่อ นครสวรรค์	ภาพ 4.16 แนวร่อง และสันขนานกันเป็นแนวยาวบนผิวของ               หินปูนเกิดจากน้ำฝนที่ไหลบนผิวหิน