คลื่นไหวสะเทือน กุญแจไขปริศนาใต้โลก ตอนที่ 1

(ภาพจาก https://blog.frontiersin.org/2017/12/08/new-launch-in-frontiers-in-earth-science-solid-earth-geophysics/)

ผู้อ่านทุกท่านคงเคยอ่านตำนานของนักภูมิศาสตร์ชาวกรีกโบราณนามว่า เอราทอสเทนีส(Eratosthenes) ที่ได้ทำการคำนวณขนาดของโลกโดยใช้ความรู้ด้านเรขาคณิต ตำแหน่งของดวงอาทิตย์ และความยาวของเงาเสาหินที่เมืองอะเล็กซานเดรีย(Alexandria) กับเมืองไซอีน(Syene) จนรู้ว่าโลกมีเส้นรอบวงประมาณ 40,000 กิโลเมตรมาบ้างใช่ไหมครับ อัจฉริยภาพของเขาทำให้นักวิทยาศาสตร์มีตัวเลขที่น่าเชื่อถือว่าโลกของเรากว้างใหญ่ขนาดไหน ทั้งยังกระตุ้นต่อมช่างสงสัยของพวกเขาด้วยว่าระหว่างพื้นโลกด้านหนึ่งที่พวกเขายืนอยู่กับพื้นโลกด้านตรงข้ามมีอะไรคั่นอยู่ตรงกลางกันแน่ แล้วท่านผู้อ่านเคยสงสัยไหมว่าภาพจำลองของโลกในหนังสือเรียนที่แบ่งโลกออกเป็นชั้น ๆ ได้แก่ เปลือกโลก(Crust) แมนเทิล(Mantle) แก่นโลกชั้นนอก(Outer Core) และแก่นโลกชั้นใน(Inner Core) นั้นมีที่มาอย่างไร?


นักธรณีวิทยารู้มานานหลายศตวรรษแล้วว่าโลกไม่ได้ประกอบขึ้นจากดินและหินเพียงเท่านั้น ลึกลงไปใต้โลกน่าจะมีหินแข็งและธาตุหนักอย่างโลหะเกาะกลุ่มกันเป็นก้อนกลม ๆ ด้วยแรงโน้มถ่วง แต่คำถามของพวกเขาก็คือจะรู้โครงสร้างภายในของโลกอย่างถูกต้องและเป็นรูปธรรมได้อย่างไร เพราะพวกเขาไม่สามารถขุดหลุมสำรวจที่ลึกลงไปถึงแก่นโลกได้

หลุม Kola Superdeep เป็นหลุมเจาะที่ลึกที่สุดในโลกที่ประเทศรัสเซีย มีความลึกประมาณ 12 กิโลเมตร
(ภาพจาก https://www.atlasobscura.com/places/kola-superdeep-borehole)

ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 ซึ่งเป็นยุคที่ธุรกิจปิโตรเลียมกำลังเฟื่องฟูไปทั่วโลก บริษัทน้ำมันในยุคนั้นจึงต้องแข่งขันกันค้นหาและลงทุนขุดเจาะแหล่งน้ำมัน ส่งผลให้นักธรณีวิทยา นักฟิสิกส์ และวิศวกรต้องร่วมมือกันพัฒนาเทคโนโลยีสำรวจโครงสร้างใต้พิภพจนเกิดเป็นเสาหลักของวิชาธรณีฟิสิกส์ที่มีชื่อว่า การสำรวจด้วยคลื่นไหวสะเทือน(Seismic Exploration) นั่นเอง


ทฤษฎีการสำรวจด้วยคลื่นไหวสะเทือนอาศัยหลักการของสมการคลื่น(Wave Equation) ซึ่งมีพื้นฐานมาจากกฎข้อที่สองของนิวตัน เมื่อนักธรณีฟิสิกส์ต้องการสำรวจโครงสร้างใต้ดิน พวกเขาต้องมีแหล่งกำเนิดคลื่นไหวสะเทือน(Seismic Source) ซึ่งคลื่นดังกล่าวอาจถูกสร้างขึ้นโดยมนุษย์หรือเป็นคลื่นที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติอย่างคลื่นแผ่นดินไหวก็ได้ ในกรณีที่นักธรณีฟิสิกส์ต้องการสร้างคลื่นด้วยตัวเอง พวกเขาอาจใช้ค้อน รถสร้างคลื่น ปืนอัดอากาศ หรือจุดระเบิดเพื่อสร้างคลื่นขึ้นมา เพราะยิ่งแหล่งกำเนิดคลื่นมีพลังงานมาก คลื่นก็ยิ่งเดินทางได้ลึก คลื่นเหล่านี้จะเดินทางเข้าสู่ตัวรับสัญญาณ(Receiver) และเครื่องบันทึกสัญญาณ(Recorder) เพื่อใช้ในการวิเคราะห์และแปลผลต่อไป


นักธรณีฟิสิกส์แบ่งคลื่นไหวสะเทือนออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่
1. คลื่นตัวกลาง(Body Waves) หมายถึงคลื่นที่เคลื่อนที่ผ่านเนื้อของตัวกลาง ซึ่งตัวกลางในที่นี้คือเนื้อโลกนั่นเอง คลื่นประเภทนี้แบ่งได้อีก 2 ชนิด คือ

1.1 คลื่นปฐมภูมิ(Primary Wave หรือ P-Wave) เป็นคลื่นที่ทำให้ตัวกลางที่คลื่นเดินทางผ่านถูกอัดและขยายในทิศทางเดียวกันกับคลื่น อาจเรียกว่า Pressure Wave หรือ Longitudinal Wave ก็ได้

1.2 คลื่นทุติยภูมิ(Secondary Wave หรือ S-Wave) เป็นคลื่นที่ทำให้ตัวกลางเกิดการเคลื่อนที่ตั้งฉากกับทิศทางของคลื่นคล้ายการสะบัดเชือก เป็นผลให้ตัวกลางถูกกระทำด้วยแรงเฉือน อาจเรียกว่า Shear Wave หรือ Traverse Wave ก็ได้

รูปแบบการเคลื่อนที่ของคลื่น P และคลื่น S

2. คลื่นพื้นผิว(Surface Waves) หมายถึงคลื่นที่เคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวของโลก คลื่นชนิดนี้อาจมีผลกระทบต่อสิ่งปลูกสร้างเมื่อเกิดแผ่นดินไหว แต่ในขั้นตอนการสำรวจโครงสร้างใต้ดินจะถือว่าคลื่นชนิดนี้เป็นคลื่นรบกวน(Noise) ที่ต้องถูกกรองออกในภายหลัง คลื่นประเภทนี้แบ่งได้อีก 2 ชนิด คือ

2.1 คลื่นเลิฟ(Love Wave) เป็นคลื่นที่ทำให้พื้นผิวโลกเคลื่อนที่ตั้งฉากกับทิศทางของคลื่นในแนวนอนคล้ายกับงูที่กำลังเลื้อย

2.2 คลื่นเรย์ลีห์(Rayleigh Wave) เป็นคลื่นที่ทำให้พื้นผิวโลกเคลื่อนที่ตั้งฉากกับทิศทางของคลื่นในลักษณะม้วนเป็นเกลียวคล้ายคลื่นทะเล

รูปแบบการเคลื่อนที่ของคลื่น Love และคลื่น Rayleigh
(ภาพจาก http://www.geo.mtu.edu/UPSeis/waves.html)

คลื่นไหวสะเทือนทั้ง 4 ชนิดมีความเร็วไม่เท่ากัน ทำให้พวกมันเดินทางมาถึงสถานีตรวจวัดแผ่นดินไหวเรียงตามลำดับก่อนหลัง ดังนี้ คลื่น P คลื่น S คลื่น Love และคลื่น Rayleigh ซึ่งหากมีข้อมูลของคลื่นไหวสะเทือนมากเพียงพอ นักธรณีฟิสิกส์สามารถนำข้อมูลดังกล่าวมาสร้างแบบจำลองโครงสร้างของโลกในระดับความลึกต่าง ๆ ได้ เรียกเทคนิคนี้ว่า Seismic Tomography
 

รูปแบบของคลื่นแผ่นดินไหวปกติที่ตรวจวัดได้จากสถานี
(ภาพจาก https://www.sms-tsunami-warning.com/pages/seismograph#.XD31zlUzbIU)

ภาพจำลองโครงสร้างใต้ภูเขาไฟ Unzen ด้วย Seismic Tomography
(ภาพจาก https://wiki.seg.org/wiki/Seismic_tomography)

เรื่องราวของการสำรวจโครงสร้างภายในของโลกด้วยคลื่นไหวสะเทือนยังไม่จบ เชิญติดตามอ่านเรื่องราวที่เข้มข้นกว่าเดิมได้ในตอนที่ 2 นะครับ

หมายเหตุ : คำว่า Seismic Waves สามารถแปลว่าคลื่นไหวสะเทือนหรือคลื่นแผ่นดินไหวก็ได้ ขึ้นอยู่กับบริบทของการใช้งาน เช่น นักธรณีฟิสิกส์ทำการสร้างคลื่นขึ้นมาเพื่อหาแหล่งน้ำมัน เราอาจเรียกคลื่นนี้ว่าคลื่นไหวสะเทือน แต่ถ้านักธรณีฟิสิกส์ใช้คลื่นที่เกิดขึ้นจากแผ่นดินไหวในการสำรวจ เราอาจเรียกว่าคลื่นไหวสะเทือนหรือคลื่นแผ่นดินไหวก็ได้ ในทำนองเดียวกัน นักวิทยาแผ่นดินไหว (Seismologist) ที่ศึกษาเรื่องแผ่นดินไหวโดยเฉพาะจะนิยมเรียกว่าคลื่นแผ่นดินไหวมากกว่า

เรียบเรียงโดย

สมาธิ ธรรมศร
ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] https://aoghs.org/technology/exploring-reflection-seismography/
• [2] http://www.geo.mtu.edu/UPSeis/waves.html
• [3] https://www.iris.edu/hq/inclass/fact-sheet/seismic_tomography