เนื้อโลกชั้นบน โครงสร้างและคุณสมบัติทางธรณีวิทยา

เนื้อโลกชั้นบน (Upper Mantle) เป็นชั้นหินที่มีความหนามากซึ่งตั้งอยู่ใต้เปลือกโลกโดยตรง โดยเริ่มต้นจากระดับความลึกประมาณ 10 กิโลเมตรใต้พื้นมหาสมุทร และประมาณ 35 กิโลเมตรใต้ทวีป ไปจนถึงระดับความลึกประมาณ 670 กิโลเมตร ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของเนื้อโลกชั้นล่าง

โครงสร้างทางธรณีฟิสิกส์และคลื่นไหวสะเทือน

การศึกษาโครงสร้างของเนื้อโลกชั้นบนอาศัยการวิเคราะห์ความเร็วของคลื่นไหวสะเทือน (Seismic waves) ซึ่งความหนาแน่นของหินจะเพิ่มขึ้นตามความลึกเนื่องจากแรงกดทับของมวลหินด้านบน การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นอย่างฉับพลันมักบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของวัสดุ

ขอบเขตโมโฮ (Mohorovičić Discontinuity)

จุดเริ่มต้นของเนื้อโลกชั้นบนถูกกำหนดโดยการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความเร็วคลื่นไหวสะเทือน ซึ่งค้นพบโดย Andrija Mohorovičić ในปี ค.ศ. 1909 ขอบเขตนี้เรียกว่า "โมโฮ" (Moho) ซึ่งทำหน้าที่เป็นเส้นแบ่งระหว่างเปลือกโลกและเนื้อโลก โดยมีความลึกแปรผันตั้งแต่ 10 ถึง 70 กิโลเมตร (เปลือกโลกมหาสมุทรจะบางกว่าเปลือกโลกทวีป)

ความแตกต่างระหว่างชั้นหินตามคุณสมบัติทางกล

ในทางธรณีวิทยา มีการแบ่งชั้นโลกโดยใช้เกณฑ์ที่แตกต่างกัน:

• ตามองค์ประกอบทางเคมี: แบ่งเป็น เปลือกโลก (Crust) และ เนื้อโลก (Mantle)
• ตามคุณสมบัติทางกล: แบ่งเป็น ธรณีภาค (Lithosphere) ซึ่งมีความแข็งเกร็ง และ ฐานธรณีภาค (Asthenosphere) ซึ่งมีความยืดหยุ่นและไหลได้ช้าๆ

เขตเปลี่ยนผ่าน (Transition Zone)

เขตเปลี่ยนผ่านตั้งอยู่ระหว่างความลึก 410 ถึง 670 กิโลเมตร เป็นบริเวณที่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกของแร่ธาตุเนื่องจากความดันที่เพิ่มสูงขึ้น

จุดไม่ต่อเนื่องที่ 410 กิโลเมตร

เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของแร่โอลิวีน (Olivine) จากโครงสร้าง $\alpha$ ไปเป็นวาดสลีไอต์ (Wadsleyite หรือ $\beta$-Mg$_2$SiO$_4$) ซึ่งทำให้ความหนาแน่นเพิ่มขึ้น

จุดไม่ต่อเนื่องที่ 670 กิโลเมตร

เป็นขอบเขตที่ซับซ้อนที่สุดและเป็นเส้นแบ่งระหว่างเนื้อโลกชั้นบนและชั้นล่าง เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของแร่ริงวูดไอต์ (Ringwoodite) ไปเป็นบริดจ์มาไนต์ (Bridgmanite) และเพริคลาเซ (Periclase) การเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลต่อความหนืดของเนื้อโลกและมีบทบาทสำคัญในแบบจำลองพลวัตของโลก

อุณหภูมิ ความดัน และสถานะของสสาร

อุณหภูมิในเนื้อโลกชั้นบนเริ่มต้นที่ประมาณ 900 เคลวิน (627 °C) ที่ขอบเขตบน และเพิ่มขึ้นถึงประมาณ 1,200 เคลวิน (930 °C) ที่ขอบเขตล่าง

แม้ว่าอุณหภูมิจะสูงกว่าจุดหลอมเหลวของหินที่ระดับพื้นผิว แต่เนื้อโลกชั้นบนเกือบทั้งหมดมีสถานะเป็น ของแข็ง เนื่องจากความดันลิโทสแตติก (Lithostatic pressure) ที่มหาศาล ซึ่งทำให้จุดหลอมเหลวของหินสูงขึ้นตามความลึก อย่างไรก็ตาม ในระยะเวลาทางธรณีวิทยาที่ยาวนาน เนื้อโลกสามารถเปลี่ยนรูปได้แบบพลาสติกและไหลได้ช้าๆ คล้ายกับของเหลวที่มีความหนืดสูง ซึ่งเป็นกลไกสำคัญที่ทำให้แผ่นเปลือกโลกเคลื่อนที่

องค์ประกอบทางแร่ธาตุ

วัสดุจากเนื้อโลกชั้นบนที่ถูกนำขึ้นมาสู่พื้นผิว (เช่น ผ่านภูเขาไฟหรือหินเซนโนลิธ) พบว่าประกอบด้วย:

• โอลิวีน (Olivine): ประมาณ 55%
• ไพโรซีน (Pyroxene): ประมาณ 35%
• แร่กลุ่มออกไซด์ของแคลเซียมและอะลูมิเนียม: 5–10% เช่น พลาจิโอเคลส (Plagioclase), สปิเนล (Spinel) หรือการ์เนต (Garnet) ขึ้นอยู่กับระดับความลึก