การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาล

การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาล (Magnetostratigraphy หรือ Magnetic stratigraphy) เป็นสาขาใหม่ของวิชาธรณีวิทยาที่ว่าด้วยลำดับชั้นโดยวิธีทางสนามแม่เหล็กและอายุของหิน ซึ่งมีการศึกษาค้นคว้ามากมายตั้งแต่กลางปี ค.ศ. 1960 หลักการเริ่มต้นของการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลก็เพื่อนำไปประยุกต์ในการศึกษาหินภูเขาไฟและตะกอนที่มีอายุน้อยกว่าหรือประมาณ 5 ล้านปี เทคนิคของการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาล เพิ่งจะถูกประยุกต์ใช้กับหินที่มีอายุเก่าแก่กว่านั้นและช่วงการวัดระยะเวลาของขั้วแม่เหล็กก็ได้ขยายย้อนไปจนถึงยุคจูราสสิกและบางส่วนของยุคที่เก่าแก่กว่านั้นแล้ว การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลได้เริ่มต้นจากการค้นพบว่าแร่เหล็กจำนวนมากในหินภูเขาไฟและหินตะกอนสามารถบ่งบอกทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วยเวลาที่หินกำเนิดขึ้นมาในช่วงเวลาเย็นตัวของหินหลอมเหลว แร่ธาตุจะถูกถ่ายทอดความเป็นแม่เหล็กตามทิศทางของสนามแม่เหล็กโลกในช่วงเวลานั้นและทำให้เกิดการแข็งตัวภายใต้อุณหภูมิช่วง 500-600 องศาเซลเซียส สำหรับเหล็กออกไซด์ซึ่งเรียกว่า Curie point คือเมื่อหินอยู่ในช่วงอุณหภูมิดังกล่าวอิทธิพลของสนามแม่เหล็กจะส่งแรงกระทำต่อมันและอะตอมในสนามแม่เหล็กที่อยู่ใน crystal lattices ของแร่จะเริ่มเรียงตัวขนานกับของอีกอันหนึ่งและขนานกับทิศทางของสนามแม่เหล็กโลก เมื่อหินเย็นตัวต่อไปอีกอะตอมเหล่านี้ก็จะยังอยู่ในแนวการเรียงตัวเช่นนี้ทำให้แร่ที่อยู่ในธรรมชาติเหล่านี้ก็จะกลายเป็นแม่เหล็ก โดยจะมีขั้วขนานกับสนามแม่เหล็กโลกระหว่างการตกตะกอนของหินตะกอน แร่ขนาดเล็กที่มีสมบัติเป็นแม่เหล็กสามารถที่จะหมุนตัวไปตามช่องว่างในขณะที่เป็นตะกอนอ่อนอยู่บริเวณผิวหน้าและจะมีกลไกการเรียงตัวไปตามทิศของสนามแม่เหล็กโลก นี่คือการจัดเรียงตัวของแร่แม่เหล็กในหินภูเขาไฟและหินตะกอนที่ทำให้ทราบคุณสมบัติสำคัญทางแม่เหล็กของหิน คุณสมบัติเหล่านี้ถูกเก็บเอาไว้เป็นระยะเวลานานเว้นแต่ว่าหินนั้นจะได้รับความร้อนในระดับ Curie point อีกครั้ง ดังนั้น อำนาจแม่เหล็กที่ยังตกค้างอยู่จะเรียกว่า remanent magnetism เนื่องมาจากหินตะกอนขนาดเล็กอาจถูกรบกวนจาก bioturbating organism หรือจากกระบวนการทางเคมีและกายภาพในระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและเคมีในชั้นหินนั้น ในช่วงเวลาสลายตัวและแข็งตัวกระบวนการถ่ายทอดความเป็นแม่เหล็กของหินตะกอนก็จะมีความเสถียรน้องลงกว่าที่เคยเป็น และจะทำให้แม่เหล็กอ่อนลงกว่า Canic lavas การศึกษา remanent magnetism ในหินที่มีอายุต่างกันออกไป เพื่อที่จะหาความหนาแน่นและทิศทางของสนามแม่เหล็กในยุคต่างๆของธรณีวิทยาเรียกว่า paleomagnetism

Remanent magnetism วัดได้โดยเครื่องมือที่เรียกว่า magnetometers เครื่องนี้รุ่นแรกๆ สามารถวัดความหนาแน่นและทิศทางของสนามแม่เหล็กได้เฉพาะหินภูเขาไฟและ highly magnetized iron-bearing red sediments magnetometers รุ่นที่ดีที่สุดในขณะนี้ สามารถวัดได้แม้จะมีความเป็นแม่เหล็กน้อยรวมทั้งหินคาร์บอเนต Remanent magnetism มีความซับซ้อนและสามารถรวมเข้าไปอยู่ใน secondary magnetism ที่เกิดจากผลกระทบที่ยาวนานของสนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบันหรือจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของธาตุแม่เหล็กอันหนึ่งไปสู่อีกอันหนึ่งเทคนิคการขจัดแม่เหล็กสามารถทำได้เมื่อต้องการทำลายผลกระทบที่เกิดจาก secondary magnetic ในห้องทดลอง ดังนั้นก็จะสามารถวัด primary magnetization ได้ นี่คือส่วนประกอบของ primary magnetic ซึ่งบันทึกลักษณะของสนามแม่เหล็กโลกในขณะที่มันก่อตัวขึ้นและเป็นสิ่งที่น่าสนใจในการศึกษาวิชาธรณีวิทยา สิ่งสำคัญของ primary remanent magnetism สำหรับการศึกษาธรณีวิทยามีเหตุมาจาก ความจริงที่ว่าสนามแม่เหล็กโลกไม่คงสภาพเดิมตลอดช่วงเวลาเก่าแก่ในธรณีวิทยา แต่กลับถูกค้นพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงอยู่บ่อยๆ อำนาจแรงดึงดูดของสนามแม่เหล็กบนพื้นโลกเกิดจากความเข้าใจผิดๆ บางประการว่าเกิดจากการเคลื่อนที่ของของเหลวที่มีนิกเกิดและเหล็กในปริมาณสูงในบริเวณรอบๆ แกนโลก การเคลื่อนที่นี้ถูกสันนิษฐานว่าได้รับการควบคุมจากการพาความร้อนโดยอุณหภูมิและจากแรง Coriolis ที่เกิดจากการหมุนของโลก การศึกษาเกี่ยวกับ remanent magnetism ในหินภูเขาไฟและหินตะกอน แสดงให้เห็นว่า ส่วนประกอบหลักของขั้วแม่เหล็ก 2 ขั้วในสนามแม่เหล็กโลก ที่มุ่งไปข้างหน้าจะถูกพลิกกลับขั้วในช่วงเวลาที่ไม่แน่นอนจาก Precambrian time เห็นได้ชัดจากการพาความร้อนที่ไม่คงที่บริเวณรอบแกนโลก เมื่อสนามแม่เหล็กโลกมีสภาพขั้วในทิศทางหนึ่งแล้ว จะกล่าวได้ว่ามีขั้วที่ปกติเมื่อเปลี่ยนขั้วไป 180 องศาก็จะถูกเรียกว่ากลับขั้ว การกลับตัวของขั้วสนามแม่เหล็กโลกถูกบันทึกไว้ในหินตะกอนและหินภูเขาไฟในรูปแบบขั้วที่ปกติและเมื่อกลับขั้วแล้ว ทิศทางของสนามแม่เหล็กในหินถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจนโดย north-seeking magnetization ถ้า north-seeking magnetization ของก้อนหินชี้ไปที่ขั้วเหนือของสนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบัน แสดงว่าหินนั้นมีขั้วปกติ แต่ถ้า north-seeking magnetization ชี้ไปที่ขั้วแม่เหล็กใต้ ก็แสดงว่าหินนั้นกลับขั้วหรือมีขั้วกลับกัน ดังนั้น หินตะกอนและหินภูเขาไฟที่แสดงขั้วตรงกับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกในปัจจุบันก็จะเรียกว่าขั้วปกติ ในขณะที่หินที่มีขั้วตรงกันข้ามจะเรียกว่าขั้วกลับ reverse polarity การกลับขั้วของแรงดึงดูดของสนามแม่เหล็กโลกบนพื้นโลกเหล่านี้เกิดขึ้นในระยะเวลาเดียวกันกับมหันตภัยบนพื้นโลก ดังนั้นมันจะมีสัญลักษณ์ทางธรณีวิทยาในหินภูเขาไฟหรือหินตะกอน กระบวนการการกลับขั้วนั้นใช้เวลา 1,000-10,000 ปี (Clement, Kent and Opdyke, 1982) ความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กโลกจะลดลง 60-80 % ก่อนที่จะเกิดการกลับขั้วประมาณ 10,000 ปี การกลับขั้วจะใช้เวลาประมาณ 1,000-2,000 ปี ตามด้วยการเพิ่มของความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กของอีก 10,000 ปี ข้างหน้า ( Cox, 1969) แม้ว่าจะมีการกลับขั้วครั้งล่าสุดเมื่อประมาณ 20,000 ปีที่ผ่านมาก็ตาม แต่การกลับตัวของสนามแม่เหล็กที่ไร้ซึ่งข้อสงสัยครั้งล่าสุดเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 70,0000 ปีที่ผ่านมา ในปีแรกๆ ของ Paleomagnetic เชื่อว่า ช่วงของขั้วหนึ่งๆ ที่กินเวลาตั้งแต่ 100,000 ปีขึ้นไปเรียกว่า epochs แต่ช่วงที่ใช้เวลาประมาณ 10,000-100,000 ปี จะเรียกกันว่า events ปัจจุบันทราบกันดีว่า การกลับขั้วจะเกิดขึ้นได้หลากหลาย ช่วงเวลาเริ่มต้นน้อยที่สุดจาก 10,000 ปี จนถึง 10 ล้านปี อย่างไรก็ตาม นักธรณีวิทยายังคงใช้คำว่า epochs กับ events ในความหมายเดียวกัน ทั้งๆ ที่ความหมายแตกต่างกัน(epochs ในปัจจุบันมีความหมายเดียวกับ chrons) การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลในหิน pre-Pleistocene ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงขั้วในหินตะกอนหรือหินภูเขาไฟที่ทำให้เกิดลวดลายที่จดจำได้ง่าย ใช้ในจุดประสงค์เพื่อลำดับเหตุการณ์และหาความสัมพันธ์

การคัดเลือกตัวอย่าง การวัด และการแสดง remanent magnetism

เพื่อพิจารณา remanent magmetism ในหินตะกอนนักธรณีวิทยาจะต้องนำตัวอย่างมาจากภาคสนาม เพื่อการวิเคราะห์ในห้องปฏิบัติการในภายหลัง แม้ว่าจะมีเทคนิคในการวัด remanent magnetism ที่โล่งก็ตาม ซึ่งวิธีการนำตัวอย่างมี 3 ข้อดังนี้

1. ตัวอย่างที่ใช้สว่านเจาะแกนกลาง ของตัวอย่างที่ถูกนำมาโดยวิธีนี้จะต้องมีเส้นผ่าศูนย์กลางโดยปกติ 2.5 cm. และยาวประมาณ 6 – 12 cm. ก่อนที่แกนกลางจะแตกออกจากหินที่อยู่บนผิวดิน ต้องพิจารณาและทำเครื่องหมายทิศทางของแกนไว้บนตัวอย่าง วัดความเอียงของแกน และทิศทางการหมุน (การเบนออกจากทิศเหนือของทางธรณี) โดยใช้แม่เหล็กหรือขอบเขตของพระอาทิตย์ 2. ตัวอย่างที่ใช้มือบล็อกทิศทางขั้ว ตัวอย่างเหล่านี้ได้จากการเอาค้อนทุบให้แกนออกจากชั้นหินที่โผล่พ้นผิวดิน ซึ่งง่ายกว่าตัวอย่างแบบแรก 3. ตัวอย่างที่ได้จากก้นทะเลสาบหรือมหาสมุทร แกนของหินตะกอนที่ได้จากการใช้เครื่องมือสูบแกน ถูกตั้งสันนิษฐานว่าเจาะแกนของหินตะกอนตามแนวตั้ง แต่ไม่สามารถบ่งชี้ทิศทางการโคจรได้ในห้องทดลอง remanent magnetism ของหินตัวอย่างจะวัดได้โดยใช้ค่าเฉลี่ยของเครื่อง magnetometer โดยใช้ magnetometers บางชนิด โดยทั่วไปจะวัดส่วนประกอบที่เป็นเส้นตั้งฉาก 3 อันของอำนาจแม่เหล็ก ส่วนประกอบ 3 อย่างนี้เมื่อรวมกันแล้วจะบอกถึงทิศทางและความหนาแน่นของแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาต่างๆ ลวดลายของ secondary magnetism จะถูกย้ายเพื่อเปิดเผย primary remanent magnetism การเคลื่อนย้ายนี้สำเร็จได้โดย การขจัดแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับ alternation field demagnetization thermal demagnetization และ chemical demagnetization

การวัด primary remanent magnetism ในครั้งหนึ่งๆ เส้นเวกเตอร์ใน paleomagnetism จะออกมาในรูปแบบดังต่อไปนี้

1.inclination

2.declination

Inclination จะเป็นบวกถ้ามีทิศลงและจะเป็นลบถ้ามีทิศขึ้น positive inclination ใน Northern Hemisphere จะบ่งชี้ขั้วปกติส่วน negative inclination จะหมายถึงขั้วกลับ ทิศทางของ Inclination จะเป็นส่วนกลับกับขั้วใน Southern Hemisphere ซึ่งทั้ง Inclination และ Declination จะเป็นเวกเตอร์ที่บอกทิศทาง geomagnetic field ซึ่ง inclination เป็นฟังก์ชันของเส้นละติจูด ที่หินตัวอย่างถือกำเนิดขึ้นและ declination จะแสดงการโน้มเอียงของ ancient paleomagnetic pole จาก geographic pole

Development of the magnetic time scale

หลักของการพัฒนาแสดงไว้ในแผนภาพที่รูปที่ 1 ซึ่งแสดง ลาวา 3 แบบ การระเบิดครั้งแรกสุดเมื่อประมาณ 1.9 ล้านปีมาแล้ว เมื่อครั้งนั้นสนามแม่เหล็กโลกยังเป็นขั้วปกติ ดังนั้นเมื่อลาวาเย็นตัวมันจะมีขั้วปกติ ชนิดที่ 2 เกิดจากการระเบิดเมื่อ 1.5 ล้านปี ผ่านมาแล้วซึ่งอยูในช่วงที่โลกกลับขั้วและครั้งล่าสุดระเบิดเมื่อ 0.5 ล้านปีหลังจากที่เกิดการสับขั้วเข้าสู่ขั้วปกติ แม้ว่าลาวาจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิและการระเบิด แต่มีบางส่วนที่ยังคงขั้วเดิมของมันไว้จนถึงปัจจุบัน นักธรณีวิทยาสามารถสร้าง polarity time scale ของลาวาเหล่านี้โดยการวัด remanent dating โดยแสดงผลในตารางด้านซ้าย ความคิดหลักของ remanent magnetism เป็นที่รู้กันดีของบรรดานักธรณีวิทยา อย่างไรก็ตามก็มีผู้ศึกษาที่ศึกษาเกี่ยวกับความเป็นแม่เหล็กของหินเพียงจำนวนน้อยที่จะค้นคว้า ก่อนปี 1960 หลักฐานพื้นฐานของ การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลพัฒนาขึ้นเมื่อต้นปีและกลางปี 1960 ในช่วงเวลาสั้น ๆ ประมาณ 5 ปีของนักวิทยาศาสตร์ 2 กลุ่ม ที่ทำงานอย่างอิสระและแข่งขันกันอย่างมากกลุ่มหนึ่งอยู่ทางตอนเหนือของ California ในออสเตรเลีย นักวิทยาศาสตร์ได้จัดลำดับการพัฒนาของขั้วแม่เหล็กแต่ละช่วงอายุไว้โดย Cox (1973), Glen (1982), Mc Dougall (1977), and Watkin (1972) การกลับทิศทางขั้วแม่เหล็กเป็นเครื่องมือในการลำดับชั้นหิน โดยบรรยายตามลักษณะการกลับขั้ว เราต้องทราบเวลาที่แม่เหล็กใช้ในการกลับขั้วแต่ละครั้ง เริ่มแรกเราจะหาอายุของขั้วแม่เหล็กในช่วงแรกในหินอัคนีภูเขาไฟบนพื้นโลกโดย K-Ar techniques เราสามารถประมาณอายุเป็นล้านปีได้ อาจมีค่าผิดพลาด 2% ซึ่งในเวลา 5 ล้านปีก็จะผิดพลาดไม่เกิน 0.1 ล้านปีPolarity time scale ในช่วง 7 ล้านปี เราหาได้จากความสัมพันธ์ของ Icelandic lavas ดังรูปที่ 2 ซึ่งเป็น original plate time scale แบ่งย่อยได้เป็น epochs แต่ละชื่อตั้งตามผู้ที่ค้นพบ และยังสามารถแบ่งเป็นช่วงสั้นๆตามแต่ละพื้นที่ ที่เราศึกษาสภาพความเป็นแม่เหล็กโบราณ ในการศึกษาขั้วแม่เหล็กของหินอัคนีภูเขาไฟบนบก แหล่งที่สำคัญเป็นอันดับที่2ของข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับเหตุการณ์การกลับขั้วแม่เหล็ก คือ รูปแบบของ linear anomaly ซึ่งค้นพบจากพื้นมหาสมุทรไปตาม mid-ocean ridges และได้เคยถูกตีความครั้งแรกโดย Vine และ Matthews (1963) ความผิดปกติทางแม่เหล็กส่งผลต่อการเบนทิศภูมิหลังของความเป็นแม่เหล็กของโลกทั้งในระดับท้องถิ่นและระดับไพศาล เส้นของขั้วแม่เหล็กบวกและลบของหิน(รูปที่ 3)รูปร่างเมื่อมองหยาบๆแล้วจะขนานกับยอดสันซึ่งกว้าง5-50กิโลเมตรและยาวหลายร้อยกิโลเมตร ซึ่งเป็นผลมาจากการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกในรูปแบบของลาวาไหลซึ่งระเบิดแล้วไหลไปตามยอดสัน แล้วเย็นตัวลงใต้ Curie point แล้วถูกดึงจากสันออกทางด้านข้าง ในขณะที่หินอัคนีภูเขาไฟใหม่เริ่มก่อตัวขึ้นและกลายเป็นแม่เหล็ก Vine และ Matthews(1963) สันนิษฐานว่ารูปแบบของ liner magnetic anomaly บนพื้นสมุทรเกี่ยวข้องกับช่วง normal, reverse polarity ในgeomagnetic time scale จากความจริงที่ว่า ความผิดปกติทางแม่เหล็กเมื่อมองหยาบๆแล้วจะขนานกับยอดสันนั้นเป็นหลักฐานอย่างดีที่ใช้ในการพัฒนาความคิดของ seafloor spreading การค้นพบ linear magnetic anomalies บนพื้นทวีปทำให้ geomagnetic time scale มีความเที่ยงตรง นักธรณีฟิสิกส์กำหนดหมายเลขเพื่อแสดงลักษณะเฉพาะทางความผิดปกติของแม่เหล็ก เริ่มตั้งแต่หมายเลข1ที่แกนของสัน ดังรูปที่ 4 ความผิดปกติของแม่เหล็กบนพื้นทวีปเองไม่ได้กำหนด reversal time scale เพราะโดยปกติแล้วไม่มีใครรู้อายุของหินอัคนีภูเขาไฟ อย่างไรก็ตามเราสามารถหาอายุได้โดยวิธีทางกัมมันตรังสีหรือทางชีวภาพได้ Polarity time scale สำหรับ Mesozoic และ Cenozoic oceanic events เราสามารถประเมินเวลาตาม mafic volcanic rock ในพื้นสมุทร (Heirtzler et al 1968) คาดว่าบริเวณใกล้พื้นสมุทรจะเป็นหินที่อ่อนที่สุดเป็นการกลับขั้วซึ่งบอกสนามแม่เหล็กโลก จากการสันนิษฐานจะมีการแผ่ออกประมาณ 1.7 เมตรต่อปี ตั้งแต่ยุค Cetaceous เป็นต้นมาในทางใต้ของแอตแลนติก รวมทั้งกำหนดของอายุการกลับขั้วแม่เหล็กในแต่ละครั้งประมาณ 3.5 ล้านปี อย่างไรก็ตามการสันนิษฐานการกลับขั้วนี้ช้าไป 7% ในช่วง Late Cretaceous ถึง Cenozoic ตาม Heirtzler et al’s scale และการไหลของลาวาเชื่อว่าที่จริงแล้วไหล 70 มิลลิเมตรต่อปี ในช่วง Late Cretaceous จนถึงปัจจุบันไหล 32 มิลลิเมตรต่อปี อีกวิธีหนึ่งคือ เราหาข้อมูลของขั้วแม่เหล็กตามการบันทึกของขั้วแม่เหล็กในแต่ละพื้นที่ของหินตะกอนและบริเวณกลางมหาสมุทร ขนาดของสนามแม่เหล็กในตะกอนใช้การเรียงตัวของเหล็ก ระหว่างการสะสมเป็นตัวบอก ศึกษาการรวมขั้วของแม่เหล็กในตะกอนทำให้ชะงักตามปัจจัยต่างๆ ประกอบด้วยช่วงการสะสมตัว องค์ประกอบทางเคมีของแร่ที่เข้ามาแทรก ซึ่งจัดเป็นการเป็นแม่เหล็กทุติยภูมิ และตะกอนมากมายหรือหินตะกอนมักมีสนามแม่เหล็กน้อยในช่วงแรกเครื่องตรวจวัดสนามแม่เหล็กอาจไม่สามารถตรวจวัดได้ แต่ปัจจุบันจาก Superconducting magnetrometer และการพัฒนาค้นคว้าทางแม่เหล็กมากขึ้นทำให้มีเครื่องมือที่สามารถพอตรวจวัดได้ในหินตะกอน

ประโยชน์หลักที่ได้รับจาการศึกษาขั้วแม่เหล็กโบราณในตะกอนหรือหินตะกอนที่ศึกษาความแตกต่างกันในตะกอนที่ถูกบันทึกไว้ได้ลำดับช่วงกว้างกว่าหินอัคนีภูเขาไฟ นอกจากนี้ความผิดปกติของขั้วแม่เหล็กสามารถประมาณอายุได้ตาม fossils ตามข้อตกลงวิธี Piston-coring สามารถใช้ลำดับในยุค Miocene โดยใช้วิธีเจาะแบบ DSDP และ ODP แต่ยุค Cretaceous อาจได้ข้อมูลที่ผิดพลาดได้เนื่องจากความผิดปกติของหลุมและการรบกวนของสนามแม่เหล็กเนื่องจากการขุดซึ่งบางพื้นที่ก็ไม่เหมาะที่จะทำข้อมูลขั้วแม่เหล็กในหินตะกอน

อย่างไรก็ตามบางพื้นที่ก็ควรใช้วิธีนี้ในยุค Tertiary และ Mesozoic จนถึง Paleozoic เช่น Middle Cretaceous – Paleocene calcareous, pelagic sediment ใน Umbrian A pennines ประเทศอิตาลี พื้นที่การทำการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลสามารถทำการเทียบเคียงได้จากค่าความผิดปกติในช่วงนั้นได้จากข้อมูลทางโบราณวิทยา วิธีนี้ได้รับการยอมรับและสามารถคำนวณจุดและค่าคงที่ของการไหลของลาวา(sea floor spreading)มีประมาณ 11จุดที่ทำการคำนวณในช่วง Late Cretaceous- Cenozoic ข้อมูลนี้ได้ทำการศึกษาการกลับขั้วแม่เหล็กถึงยุค Jurassic รายละเอียดของตารางเวลาของแม่เหล็กในหินที่แก่กว่ายุค Jurassic ยังไม่มีการกำหนดเพราะเราไม่ทราบข้อมูลแม่เหล็กโลกที่แน่นอน อย่างไรก็ตามการกลับขั้วแม่เหล็กมักทำในช่วงอายุไม่เกิน 1.5 ล้านปี

Nommenclature and Classification of Magnetostratigraphic Units

การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลเป็นการศึกษาเกี่ยวกับความเป็นแม่เหล็กที่หลงเหลืออยู่ในตะกอนและพวกหินภูเขาไฟ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวิชาลำดับชั้นหินที่ว่าด้วยคุณสมบัติทางแม่เหล็กในหิน ดังนั้นเป็นการรวมถึงการศึกษาเกี่ยวกับ magnetic susceptibility ( อัตราระหว่างความเป็นแม่เหล็กที่มีผลต่อความแรงของสนามแม่เหล็ก); dipole- field position ( ความแปรปรวนของความเข้มสนามแม่เหล็กโลกและตำแหน่งของขั้วแม่เหล็ก); nondipole components และ magnetic inclination (เป็นมุมที่สนามแม่เหล็กเกิดการเอียงเท) ซึ่งดีพอๆกับการศึกษาที่เกี่ยวกับการพลิกกลับของสนามแม่เหล็ก ซึ่งสิ่งนี้เป็นสิ่งที่น่าสนใจอย่างยิ่งเพราะว่า การพลิกกลับของขั้วแม่เหล็กนั้นถูกพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์หลายอย่างสำหรับชั้นหินที่ถูกแบ่งออกอย่างมีระบบซึ่งพิจารณาบนพื้นฐานของคุณสมบัติการคงอยู่ของความเป็นแม่เหล็ก

แม้ว่าหน่วยหินนั้นจะมีลักษณะคุณสมบัติทางแม่เหล็กอย่างเป็นแบบแผน เช่น ทิศทางการวางตัวของขั้วแม่เหล็กแต่มันก็ไม่จำเป็นสำหรับ lithostratigraphic units สภาพความเป็นแม่เหล็กที่คงอยู่นั้นเป็นคุณสมบัติทางกายภาพของหินและอาจถูกใช้ในการจำแนกตัวหินจากตัวหินชนิดอื่นๆโดยอาศัยความแตกต่างของคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็กนี้ แต่ก่อนนั้นการศึกษาเกี่ยวกับการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลนั้น ยังไม่เป็นทางการมากนักจึงมีกลุ่มต่างๆพยายามทำให้เป็นทางการมากขึ้นในการจำแนก stratigraphic body และการตั้งชื่อ จนกระทั่งในปี1970 ความพยายามนี้ถูกทำสำเร็จโดย International Subcommission on Stratigraphic Classification (ISSC) ซึ่งอยู่ใน The International Union of Geological Sciences (IUGS) และจากคณะกรรมการอเมริกา ซึ่งสมาคมเหล่านี้ได้พิมพ์บทความเพิ่มเติมชื่อว่า “Magnetostratigraphy Polarity Units” บทความนี้เสนอเกี่ยวกับข้อแนะนำในการจำแนกเกี่ยวกับการลำดับชั้นหินและการตั้งชื่อและให้คำจำกัดความที่เป็นทางการ

หน่วยหินนั้นถูกกำหนดภายใต้คุณสมบัติทางแม่เหล็กหลายอย่างเช่น magnetic susceptibility, magnetic field intensity, direction of natural remanent magnetism และถูกจำแนกภายใต้หัวเรื่องที่ว่า magnetostratigraphic polarity unit หรือ magnetozone ซึ่งเป็นชั้นหินที่ถูกทำให้สอดคล้องกันโดยใช้ความคล้ายกันของสมบัติทางแม่เหล็ก ซึ่งสิ่งนี้ในการลำดับชั้นหินนั้นจะถูกสนใจเป็นอันดับแรก และหน่วยย่อยของหน่วยนี้ได้แบ่งออกเป็น polarity super-zone, polarity zone, polarity subzone ซึ่ง polarity zone นั้นเป็นหน่วยพื้นฐานซึ่งอาจจะประกอบด้วยชั้นหินที่มีการวางตัวเพียงทิศทางเดียวหรือหลายทิศทางก็ได้ polarity super-zone นั้นประกอบด้วย polarity zone 2 โซนหรือมากกว่านั้นและ polarity subzone นั้นเป็นส่วนย่อยของ polarity zone ส่วนการตั้งชื่ออันดับแรกของ polarity zone นั้นจะใช่ชื่อที่เป็นที่ยอมรับกันดี เช่น Brunhes, Gilbert ซึ่งจะใช้สำหรับหน่วยหินที่มีอายุประมาณ 5 ล้านปี หน่วยเหล่านี้ถูกเรียกว่า epochs และถ้าเราจะกล่าวถึงเวลาเราจะใช้คำว่า chron แทนคำว่า polarity zone

จากการศึกษาแล้วทำให้สามารถแบ่ง magnetostratigrphy unit ได้เป็นขอบเขตบนและล่างของ unit ซึ่งจะแยกได้โดยพิจารณาจากความไม่ต่อเนื่องของการสะสมตัว(polarity-reversal horizon) หรือการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก(polarity transition-zone) คำว่า polarity-reversal horizon ใช้อธิบายช่วงที่มีการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เกิน 1 เมตร และถ้าเกิน1เมตรจะใช้แทนด้วยคำว่า polarity transition-zone ที่กล่าวมานี้ก็เปรียบเสมือนตัวช่วยในการที่เราจะใช้หาขอบเขตสำหรับ polarity zoneโดยองค์กรต่างๆที่กล่าวถึงนี้ได้พิจารณาว่า polarity zone นั้นเป็นหน่วยพื้นฐานของการจำแนกในทางการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลและได้จำกัดความของ polarity zone ว่าเป็นหน่วยของหินที่แสดงออกโดยขั้วของสนามแม่เหล็กของมัน

Applications of Magnetostratigraphy and Paleomagnetism Correlation

การประยุกต์ใช้ขั้นแรกของการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลนั้นจะใช้เป็นตัวช่วยในการลำดับความสัมพันธ์ระดับกว้างของชั้นหินในทะเล การใช้วิธีนี้เป็นสิ่งที่สำคัญถ้าเกิดว่าการใช้บรรพชีวินหรือลักษณะเนื้อหินนั้นทำได้ยาก และวิธีนี้เป็นวิธีที่สำคัญและจำเป็นเพราะว่าการพลิกกลับของความเป็นแม่เหล็กจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน การกลับขั้วของสนามแม่เหล็กโลกจะมีผลต่อสนามแม่เหล็กทุกๆที่บนโลก เทคนิคในทางนี้นั้นจะเป็นการเปรียบเทียบจากความเป็นแม่เหล็กที่ผิดปกติของพื้นมหาสมุทรจนถึงบนแผ่นดินของชั้นหินภูเขาไฟซึ่งได้อายุมาจากวิธีทางกัมมันตรังสี เทคนิคนี้ต่อมาได้มีการศึกษาถึงตะกอนของมหาสมุทร ซึ่งเป็นที่นิยมและสำคัญที่สุดสำหรับตะกอนทะเลที่มีอายุประมาณ 6-7 ล้านปี โดยแต่ก่อนนั้นจะถูกจำกัดในหินที่มีอายุอ่อนมากๆเพราะความเป็นแม่เหล็กจะไม่เกิดการพัฒนาเกินไปกว่า7ล้านปี core ของตะกอนทะเลนั้นไม่สามารถที่จะแทรกเข้าไปในตะกอนที่แก่กว่าได้ ดังนั้นที่กล่าวถึงนี้รายละเอียดของช่วงเวลาทางธรณีแม่เหล็กภายหลังได้ขยายออกไปถึง150-160 ล้านปี และ การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลนี้ได้เป็นที่แพร่หลายและสำคัญในการลำดับเปรียบเทียบที่เป็นสากลสำหรับหน่วยหินที่แก่ที่ช่วงเวลาของการเป็นแม่เหล็กนั้นกว้างและยาวนานในธรณีกาล

ในภาพนี้เป็นการทำให้เห็นภาพอย่างง่ายๆของ paleomagnetic correlation ใน core ของตะกอนมหาสมุทรที่มีอายุน้อยเริ่มโดยมี Brunhes Normal Epoch (polarity zone) อยู่ด้านบนสุดของ core ใน core ที่เจาะนั้นถ้ามีความยาวมากและในตะกอนที่แก่กว่าจะทำการ correlate ได้ยากกว่าเพราะการรวมกันของการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลนั้นมีช่วงของการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กหลายชุด

Geochronology

แม้ว่าการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลโดยตรงจะไม่สามารถทำให้รู้อายุของ strata ได้แต่การที่เราเทียบเคียงชั้นหินโดยใช้การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลทำให้เราสามารถรู้ถึงอายุได้โดยเทียบไปหาชั้นหินที่รู้อายุอยู่แล้วจากวิธีอื่นๆในพื้นที่อื่นๆต่อไปได้ ในบางทีการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาล สามารถใช้บอกอายุของหินที่ไม่มี index fossils ดังตัวอย่าง เช่น ในปี 1984 Heller และ Tungsheng ใช้การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลในการหาอายุชั้นหินในประเทศจีนที่สะสมตัวในยุค Eolian วิธีการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลสามารถใช้แบ่งโซนอายุคล่าวๆของหินตะกอน เพื่อเตรียมที่จะศึกษาอย่างละเอียดโดยใช้ fossils ต่อไป ตัวอย่างเช่น ในปี 1988 McNeill ใช้ การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลบอกอายุ Pliocene-Pleistocene ของหินปูนน้ำตื้นที่ San Salvadore ในหมู่เกาะ Bahamas ความเป็นแม่เหล็กตกค้างในหินคาร์บอเนตจะถูกบรรจุอยู่ในแร่ magnetite อย่างรวดเร็วโดยการกระทำของพวกจุลินทรีย์ในเวลาที่หินพวกนี้สะสมตัว จากตัวอย่างเล็กๆที่ตัดมานั้นเราสามารถนำมาวัดความเป็นแม่เหล็กตกค้างได้โดย เครื่อง superconducting magnetometer ซึ่งสัญญาณแม่เหล็กที่ปล่อยออกมานั้นจะเบามาก ถึงแม้ว่าสนามแม่เหล็กจะหายไปแต่ความเป็นแม่เหล็กตกค้างจะยังคงปรากฏอยู่ในหินจากทิศทางการวางตัวของแม่เหล็กจะสัมพันธ์กับขั้วแม่เหล็กเหนือ ถ้าขั้วแม่เหล็กเหนือวางตัวในทิศเหนือเรียกว่า normal polarity แต่ถ้าขั้วแม่เหล็กเหนือหันไปทางใต้เรียกว่า reversed polarity

McNeill ได้พยายามที่จะทำให้ polarity zone มาสัมพันธ์กับช่วงเวลาทางธรณีวิทยา โดยเรียกว่า standard geomagnetic polarity time scale โดยใช้ชั้นหินที่มีการลำดับอายุมาเป็นอย่างดีแล้วโดยวิธีทาง biostratigraphy วิธีทาง magnetostratigraphy ยังใช้บอกอายุที่ขาดหายไปของ fossil ในหินจากรูปที่ 7 แสดงช่วงที่ขาดหายไปของ fossil molluses และ the coral Stylophora affinis ซึ่งเริ่มหายไปตั้งแต่ BEA หลังจากนั้นชั้นหินบอกได้ถึง normal zone ถึงบอกได้ว่าเวลานั้นอ่อนกว่า Gauss normal zone จึงได้เวลาประมาณ 2.6-2.7 Ma จาก standard geomagnetic polarity time scale ในการปรับค่าอายุของตัวอย่างให้ตรงกับ standard geomagnetic polarity time scale ยินยอมให้สามารถใช้จุดที่มีค่าเฉลี่ยใกล้เคียงกับอายุใน standard geomagnetic polarity time scale ได้ ซึ่งในการศึกษานี้ทำให้เราสามารถบอกอายุในพื้นที่แคบๆที่ไม่ปรากฏ coral และ molluscan ใน Bahamas เป็น upper late Pliocene (2.6-2.7 Ma) และได้สร้างจุดที่เป็น time-stratigraphic marker ใหม่สำหรับ Pliocene-Pleistocene ในหมู่เกาะ Bahamas ซึ่งในการศึกษานี้แสดงถึงความตกค้างของสภาพแม่เหล็กในหินตะกอนไม่ได้เกิดจากตอนที่ตะกอนเริ่มสะสมตัวแต่เกิดในช่วง verlacement ของขบวนการ diagenesis

การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลสามารถใช้ได้ดีมากหากไม่มีอะไรมาจำกัดจะเป็นเครื่องมือในการบอกเวลา ซึ่งโครงสร้างเวลาที่บวกได้แม่นยำมากๆ สำหรับ 5-7 ล้านปี แต่ในการสร้างจุดของการเทียบเคียงชั้นที่บวกได้แม่นยำๆก็จะขยายออกไปเรื่อยๆ

อีกตัวอย่างของการใช้ วิธีการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาล คือการใช้บอกถึงอายุของ volcanic eruption ที่เกิดในทวีปหรือทะเลที่ตกมาสะสมตัวหรือถูกพัดพาสะสมตัวเป็นตะกอนทะเลในการสร้างรูปแบบของ magnetic chronology นักธรณีวิทยาสามารถบอกถึงอายุของเถ้าภูเขาไฟในชั้นหินโดยอ้างอิง paleomagnetic time scale ได้ ดังรูป 8 แสดงวิธีการอายุของหินเถ้าภูเขาไฟในมหาสุมทรแอนตาร์กติก โดยการหาความสัมพันธ์ของชั้นหินเถ้าภูเขาไฟจากการพริกกลับของขั้วแม่เหล็ก ในการตัดสินใจหาความสัมพันธ์ของการเกิดตะกอนสำหรับตะกอนน้ำลึก การหาความสัมพันธ์ด้วยวิธีทางการลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลเราจะต้องรู้อายุหินอย่างคร่าวๆจากวิธีการทาง radiometric ก่อนแล้วจึงมาใช้วิธีการหาความสัมพันธ์ทางแม่เหล็กมาแบ่งขอบเขตของ geomagnetic ต่อไป ความหนาของตะกอนระหว่าง horizon ในชั้นหินนั้นอายุของมัน คือ เกิดจากการคำนวณจากอัตราการตกสะสมตัวของตะกอน ตัวอย่างเช่น ถ้าเราสมมติให้ตะกอนตกสะสมตัว 10 เมตร ในพื้นที่ที่หนึ่งซึ่งหาอายุได้ระหว่าง Matuyama Reversed Polarity (ประมาณ 2.9Ma – 0.7Ma) มีความแตกต่างของเวลาที่ 1.7 ล้านปี อัตราการสะสมตัวของตะกอนในพื้นที่นี้คำนวณได้จาก 10/1.7 ล้านปี ได้เท่ากับ 5.8m/ล้านปี

Paleoclimatology

อายุของตะกอนจากตัวอย่างบอกได้โดยวิธีทาง paleomagnetic สามารถใช้ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของ paleoclimate ระหว่างยุค Quaternary และ late Plioceneได้ ดังตัวอย่าง การลำดับชั้นสนามแม่เหล็กบรรพกาลของตะกอนทะเลลึกจะมีข้อแม้ถ้าเกิดมีแผ่นน้ำแข็งเข้ามาเพราะจะทำให้การศึกษาเวลาจากพวก siliceous deposit ช้าลง แล้วส่งผลถึงพวกสิ่งที่ได้จากสิ่งมีชีวิตจะยังคงตกค้างในมหาสมุทรเพิ่มมากขึ้นในระหว่างยุคน้ำแข็ง จะทำให้มีปริมาณของความหลากหลาย มากขึ้น โดยเฉพาะพวก planktonic furaminiferal ซึ่งสามารถใช้ในการหาความสัมพันธ์ของการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ ซึ่งรามีมากมายในยุคน้ำแข็งและมี fossil อื่นๆ อีกมากในช่วงยุคน้ำแข็งละลาย แล้วยังมีข้อมูลความไม่แน่นอนของ oxygen –isotope ratios ใน carbonate shells ในตะกอนทะเลลึกที่ยังใช้บอกข้อมูลการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศได้ ในการที่เราใช้ข้อมูลทาง paleomagnetic มาใช้อายุในช่วงที่มีการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศโดนร่วมกับการเปลี่ยนแปลงของสิ่งมีชีวิต ข้อมูลทาง oxygen-isotope และข้อมูลของน้ำแข็งที่ตกค้างอยู่ทำให้เราได้ความรู้ใหม่ๆ Applications of Paleomagnetism

ในการศึกษา paleomagnetic เราสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้ในหลายทาง ในการแก้ปัญหาทางธรณีวิทยาอื่นๆ ใช้รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งต่างๆในประวัติศาสตร์ใช้แกะรอยต้นกำเนิด หลังแหล่งกำเนิดของสิ่งนั้น ศึกษาองค์ประกอบทาง magnetic ของหินตะกอน หินอัคนีและหินแปรได้ ใช้ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของขั้วโลกในเวลาต่างๆและยังใช้ศึกษาเกี่ยวกับ paleogeographic และ plate tectonic ยุคใหม่

ตัวอย่าง แนวโน้มของหินที่มีความเป็นแม่เหล็กในยุคต่างๆถูกใช้อย่างกว้างขวางในการตรวจสอบสันนิษฐานของการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลกส่วนท้ายหรือแผ่นเปลือกโลกเล็กๆ ในการวัดแนวโน้มของการตกค้างความเป็นแม่เหล็ก บวกกับศึกษาหินที่เกิดขึ้น นักธรณีวิทยาสามารถใช้ข้อมูลเหล่านี้ในการบอกถึงจุดตำแหน่งเดิมของหินเหล่านี้ในอดีตได้ ในการศึกษานี้ไม่ได้แสดงเฉพาะการเปลี่ยนตำแหน่งของแผ่นทวีปใหญ่ๆเท่านั้น แต่มันยังสามารถแสดงการเปลี่ยนที่อยู่ของแผ่นเล็กๆได้ ซึ่งแผ่นเล็กๆพวกนี้นั้นได้ไปอยู่ใน latitudes ใหม่จากที่มันเกิดขึ้นมา ซึ่งจะแสดงความแตกต่างอย่างชัดเจน ทั้งลักษณะทางกายภาพและการวางตัวของโครงสร้างจากสิ่งที่อยู่ติดกันในพื้นที่ซึ่งแผ่นเล็กๆที่มาจากที่อื่นนี้มีชื่อเรียกว่า Suspect terranes

อ้างอิง แก้

Butller, R .F., 1992, Paleomagnetism. Blackwell, Boston, 319 p.
Hailwood, E. A.,1989, Magnetostratigraphy: Geol.Soc.Spec. Report 19, Blackwell, Oxford, 84 p.
Kennett, J. P. (ed.), 1980, Magnetic stratigraphy of sediments: Benchmark Papers in Geology 54, Dowden, Hutchinson and Ross, Stroudsburg, Pennsylvania., 438 p.