ลิ่มเนื้อโลก กลไกการเกิดแมกมาในเขตมุดตัวของเปลือกโลก

ลิ่มเนื้อโลก (Mantle wedge) คือ ส่วนของเนื้อโลกที่มีลักษณะเป็นรูปสามเหลี่ยม ซึ่งตั้งอยู่เหนือแผ่นเปลือกโลกที่กำลังมุดตัว (Subducting plate) และอยู่ใต้แผ่นเปลือกโลกที่ครอบทับ (Overriding plate) บริเวณนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในทางธรณีวิทยา เนื่องจากเป็นจุดกำเนิดของแมกมาที่ทำให้เกิดแนวภูเขาไฟตามแนวรอยต่อของแผ่นเปลือกโลก

ลักษณะทางโครงสร้างและสมบัติทางกายภาพ

การระบุตำแหน่งและลักษณะของลิ่มเนื้อโลกทำได้โดยการใช้การสร้างภาพความเร็วคลื่นไหวสะเทือน (Seismic velocity imaging) และแผนที่การเกิดแผ่นดินไหว ซึ่งสามารถแบ่งลักษณะเด่นได้ดังนี้:

บริเวณหน้าส่วนโค้ง (Forearc Mantle)

เนื้อโลกบริเวณหน้าส่วนโค้งจะแผ่ขยายจากจุดที่แผ่นเปลือกโลกมุดตัวมาบรรจบกับส่วนปลายที่เย็นของลิ่มเนื้อโลก (Cold nose) ที่ระดับความลึกประมาณ 10 ถึง 40 กิโลเมตร บริเวณนี้จะมีลักษณะเด่นคือมีการลดทอนของคลื่นไหวสะเทือนต่ำ (Low seismic attenuation) และมีความเร็วคลื่นไหวสะเทือนสูง

บริเวณใต้แนวภูเขาไฟ (Volcanic Arc Region)

ในบริเวณที่เกิดแนวภูเขาไฟ จะพบพื้นที่ที่มีความเร็วคลื่นต่ำและการลดทอนของคลื่นสูง ซึ่งเป็นผลมาจากการมีแมกมาหรือของเหลวปนอยู่ โดยความเร็วที่ต่ำที่สุดที่ตรวจพบในบริเวณนี้คือ ความเร็วคลื่น P (Vp) ประมาณ 7.4 กม./วินาที และความเร็วคลื่น S (Vs) ประมาณ 4 กม./วินาที ในขณะที่ลิ่มเนื้อโลกในบริเวณที่ไม่มีภูเขาไฟจะไม่มีลักษณะความเร็วคลื่นที่ต่ำเช่นนี้

กระบวนการเกิดแมกมาและการหลอมละลาย

การเกิดแมกมาในลิ่มเนื้อโลกไม่ได้เกิดจากความร้อนที่เพิ่มขึ้นเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจากกระบวนการทางเคมีและฟิสิกส์ที่ซับซ้อน:

• การลดจุดหลอมเหลวด้วยน้ำ (Flux Melting): แผ่นเปลือกโลกมหาสมุทรที่มุดตัวลงไปจะนำพาน้ำและสารระเหย (Volatiles) ปริมาณมหาศาลลงไปด้วย น้ำเหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาจากการสลายตัวของแร่ไฮดรัส (Hydrous minerals) และการซึมของน้ำทะเลในแผ่นเปลือกโลก เมื่อน้ำเคลื่อนที่ขึ้นสู่ลิ่มเนื้อโลก จะทำให้จุดหลอมเหลวของหินเนื้อโลกลดลง ส่งผลให้เกิดการหลอมละลายบางส่วน (Partial melting) กลายเป็นแมกมา
• การลดความดัน (Depressurization): การไหลเวียนของเนื้อโลกภายในลิ่มเนื้อโลกอาจส่งผลให้เกิดการลดความดัน ซึ่งช่วยส่งเสริมให้เกิดการหลอมละลายได้มากขึ้น
• สถานะออกซิเดชัน: แมกมาที่เกิดในแนวเกาะภูเขาไฟ (Island arcs) มักมีสถานะออกซิเดชันสูงกว่าแมกมาที่เกิดบริเวณสันเขากลางมหาสมุทร ซึ่งสัมพันธ์กับปริมาณน้ำและไอออนที่ถูกนำพามาโดยแผ่นเปลือกโลกที่มุดตัว

การไหลเวียนของเนื้อโลก (Mantle Flow)

การไหลของเนื้อโลกภายในลิ่มมีผลกระทบสำคัญต่อโครงสร้างทางความร้อนและการหมุนเวียนของแมกมา โดยมีลักษณะดังนี้:

• การจัดเรียงตัวของแร่ (Mineral Alignment): แร่ธาตุ เช่น ไพโรซีน (Pyroxene) และโอลิวีน (Olivine) มีสมบัติไม่เหมือนกันในทุกทิศทาง (Anisotropic) เมื่อได้รับแรงเค้นจากการไหล แร่เหล่านี้จะจัดเรียงตัวตามทิศทางการไหล ซึ่งสามารถตรวจวัดได้ด้วยการสร้างภาพคลื่นไหวสะเทือน
• ทิศทางการไหล: โดยทั่วไป เนื้อโลกจะไหลขนานกับเปลือกโลกจนกระทั่งถึงส่วนปลายที่เย็น (Nose) ของลิ่มเนื้อโลก จากนั้นจะถูกผลักให้ไหลย้อนกลับขนานไปกับแผ่นเปลือกโลกที่มุดตัว โดยที่บริเวณส่วนปลายของลิ่มมักจะถูกแยกออกจากการไหลเวียนหลักของเนื้อโลก