หินดินดาน

หินตะกอน
หินดินดาน
องค์ประกอบ
แร่ดินเหนียวและควอตซ์

หินดินดาน เป็น หินตะกอนเนื้อ ละเอียดที่เกิดจากโคลนซึ่งเป็นส่วนผสมของ เกล็ด _แร่ดินเหนียว(อะลูมิเนียมฟิลโลซิลิเกตไฮดรัสเช่น_เคโอไลน์Al₂Si₂O₅ ₍ OH ) ₄ )และ_เศษเล็กๆ ( อนุภาคขนาด ตะกอน ) ของแร่ธาตุอื่นๆ โดยเฉพาะควอตซ์และแคลไซต์^{[ 1 ]} หินดินดานมีลักษณะเฉพาะคือมีแนวโน้มที่จะแตกออกเป็นชั้นบางๆ ( ลามินา ) ที่มี ความหนาน้อยกว่าหนึ่งเซนติเมตร คุณสมบัตินี้เรียกว่าความสามารถในการแตก^{[ 1 ]}หินดินดานเป็นหินตะกอนที่พบได้บ่อยที่สุด^{[ 2 ]}

บางครั้ง คำว่าหินดินดานถูกนำมาใช้ในความหมายที่กว้างกว่า โดยโดยพื้นฐานแล้วเป็นคำพ้องความหมายของหินโคลนมากกว่าที่จะใช้ในความหมายที่แคบกว่าของหินโคลนที่มีดินเหนียวเป็นองค์ประกอบ^{[ 3 ]}

โดย ทั่วไปแล้วหินดินดานจะมีลักษณะ การแตกเป็นแผ่นในระดับต่างๆ กันเนื่องจากการวางตัวขนานกันของเกล็ดแร่ดินเหนียวในหินดินดาน ทำให้มันแตกเป็นชั้นบางๆ ซึ่งมักจะเป็นเสี้ยนและมักจะขนานกับระนาบการวางตัว ที่ไม่สามารถแยกแยะได้ ^{[ 4 ]}หินที่ไม่แตกเป็นแผ่นที่มีองค์ประกอบและขนาดอนุภาคคล้ายกัน (น้อยกว่า 0.0625 มม.) จะถูกอธิบายว่าเป็นหินโคลน (อนุภาคตะกอน 1/3 ถึง 2/3) หรือหินดินเหนียว (ตะกอนน้อยกว่า 1/3) หินที่มีขนาดอนุภาคคล้ายกันแต่มีดินเหนียวน้อยกว่า (ตะกอนมากกว่า 2/3) และจึงมีความหยาบกว่าคือหินตะกอน^{[ 4 ] [ 5 ]}

หินดินดานโดยทั่วไปมี สี เทาและประกอบด้วยแร่ดินเหนียวและเม็ดควอตซ์ การเพิ่มส่วนประกอบย่อยในปริมาณที่แตกต่างกันจะเปลี่ยนแปลงสีของหิน สีแดง สีน้ำตาล และสีเขียวบ่งบอกถึงเฟอร์ริกออกไซด์ ( เฮมาไทต์ – สีแดง) เหล็กไฮดรอกไซด์ ( โกเอไทต์ – สีน้ำตาลและลิโมไนต์ – สีเหลือง) หรือ แร่ ไมกา ( คลอไรต์ไบโอไทต์และอิลไลต์ – สีเขียว) ^{[ 4 ]}สีจะเปลี่ยนจากสีแดงเป็นสีเขียวเมื่อเหล็กใน สถานะ ออกซิไดซ์ ( เฟอร์ริก ) ถูกแปลงเป็นเหล็กในสถานะรีดิวซ์ ( เฟอร์รัส ) ^{[ 6 ]} หินดินดานสีดำเกิดจากการมีวัสดุ คาร์บอนมากกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์และบ่งชี้ถึงสภาพแวดล้อมแบบรีดิวซ์^{[ 4 ]}หินดินดานสีฟ้าอ่อนถึงสีฟ้าอมเขียวมักอุดมไปด้วยแร่คาร์บอเนต^{[ 7 ]}

ดินเหนียวเป็นส่วนประกอบหลักของหินดินดานและหินโคลนอื่นๆ แร่ดินเหนียวที่พบส่วนใหญ่ได้แก่คาโอลิไนต์มอนต์มอริลโลไนต์และอิลไลต์ แร่ดินเหนียวของ หินโคลน ยุคเทอร์เชีย รีตอนปลาย คือสเมกไทต์ ที่ขยายตัวได้ ในขณะที่ในหินที่มีอายุมากกว่า ( โดยเฉพาะในหินดินดานยุคพาลีโอ โซอิกตอนกลาง ถึง ตอนต้น) อิลไลต์ เป็นแร่ที่เด่นกว่า การเปลี่ยนรูปของสเมกไทต์เป็นอิลไลต์ทำให้เกิดซิลิกาโซเดียมแคลเซียมแมกนีเซียมเหล็กและน้ำ ธาตุที่ปลดปล่อยออกมาเหล่านี้ จะก่อตัวเป็น ควอตซ์ เชิร์ตแคลไซต์โดโลไมต์แอ น เคอไรต์ ฮีมาไทต์ และอัลไบต์ ซึ่งเป็นแร่ที่พบได้ในปริมาณเล็กน้อย (ยกเว้นควอตซ์ ) ในหินดินดานและหินโคลนอื่นๆ^{[ 4 ]}หินดินดานทั่วไปประกอบด้วยแร่ดินเหนียวประมาณ 58% ควอตซ์ 28% เฟลด์สปาร์ 6% แร่คาร์บอเนต 5% และเหล็กออกไซด์ 2% ^{[ 8 ]}ควอตซ์ส่วนใหญ่เป็นแบบ detrital (เป็นส่วนหนึ่งของตะกอนดั้งเดิมที่ก่อตัวเป็นหินดินดาน) มากกว่าแบบ authigenic (ตกผลึกภายในหินดินดานหลังจากการสะสม) ^{[ 9 ]}

หินดินดานและหินโคลนอื่นๆ มีสารอินทรีย์ประมาณ 95 เปอร์เซ็นต์ของสารอินทรีย์ทั้งหมดในหินตะกอน อย่างไรก็ตาม ในหินดินดานโดยเฉลี่ยจะมีสารอินทรีย์อยู่เพียงไม่ถึง 1 เปอร์เซ็นต์โดยมวล หินดินดานสีดำซึ่งเกิดขึ้นใน สภาวะที่ ปราศจากออกซิเจน จะมี คาร์บอนอิสระที่ถูกรีดิวซ์พร้อมกับเหล็กเฟอร์รัส (Fe ²⁺ ) และกำมะถัน (S ²⁻ ) เหล็กซัลไฟด์อสัณฐาน พร้อมกับคาร์บอนทำให้เกิดสีดำ^{[ 4 ]}เนื่องจากเหล็กซัลไฟด์อสัณฐานจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นไพไรต์ซึ่งไม่ใช่เม็ดสีที่สำคัญ หินดินดานอายุน้อยจึงอาจมีสีเข้มมากจากปริมาณเหล็กซัลไฟด์ แม้ว่าจะมีปริมาณคาร์บอนเพียงเล็กน้อย (น้อยกว่า 1%) ในขณะที่สีดำในหินดินดานโบราณบ่งชี้ว่ามีปริมาณคาร์บอนสูง^{[ 7 ]}

หินดินดานส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดจากทะเล^{[ 10 ]}และน้ำใต้ดินในชั้นหินดินดานมักมีความเค็ม สูง มีหลักฐานว่าหินดินดานทำหน้าที่เป็นตัวกลางกึ่งซึมผ่านได้ ทำให้น้ำสามารถไหลผ่านได้ในขณะที่กักเก็บเกลือที่ละลายไว้^{[ 11 ] [ 12 ]}

อนุภาคละเอียดที่ประกอบเป็นหินดินดานสามารถคงอยู่ในน้ำได้นานหลังจากที่อนุภาคทรายขนาดใหญ่ถูกสะสมตัวลง ส่งผลให้หินดินดานมักถูกสะสมตัวในน้ำที่ไหลช้ามาก และมักพบในทะเลสาบและแหล่งสะสมตัวของทะเลสาบน้ำเค็ม ใน ดินดอนสามเหลี่ยมปากแม่น้ำบนที่ราบน้ำท่วมถึงและนอกชายฝั่งใต้ระดับฐานคลื่น^{[ 13 ]}พบแหล่งสะสมตัวของหินดินดานหนาใกล้กับขอบทวีป โบราณ ^{[ 13 ]}และแอ่งตะกอนหน้าแผ่นดิน^{[ 14 ]}การก่อตัวของหินดินดานที่แพร่หลายที่สุดบางส่วนถูกสะสมตัวโดยทะเลบนทวีป หินดินดานสีดำ^{[ 8 ]}พบได้ทั่วไปใน ชั้นหิน ยุคครีเทเชียสที่ขอบ มหาสมุทร แอตแลนติกซึ่งถูกสะสมตัวใน แอ่งตะกอนที่มีขอบเป็น รอยแตกที่เกี่ยวข้องกับการเปิดของมหาสมุทรแอตแลนติกในช่วงการแตกตัวของแพนเจียแอ่งเหล่านี้ปราศจากออกซิเจน ส่วนหนึ่งเป็นเพราะการไหลเวียนที่จำกัดในมหาสมุทรแอตแลนติกที่แคบ และส่วนหนึ่งเป็นเพราะทะเลยุคครีเทเชียสที่อบอุ่นมากขาดการไหลเวียนของน้ำเย็นด้านล่างที่เติมออกซิเจนให้กับมหาสมุทรลึกในปัจจุบัน^{[ 15 ]}

ดินเหนียวส่วนใหญ่ต้องตกตะกอนในรูปของกลุ่มก้อนและฟล็อกคูล เนื่องจากอัตราการตกตะกอนของอนุภาคดินเหนียวแต่ละอนุภาคนั้นช้ามาก^{[ 16 ]}การเกิดฟล็อกคูลจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อดินเหนียวสัมผัสกับน้ำทะเลที่มีความเค็มสูง^{[ 17 ]}ในขณะที่อนุภาคดินเหนียวแต่ละอนุภาคมีขนาดเล็กกว่า 4 ไมครอน แต่กลุ่มอนุภาคดินเหนียวที่เกิดจากการเกิดฟล็อกคูลจะมีขนาดแตกต่างกันไปตั้งแต่ไม่กี่สิบไมครอนไปจนถึงมากกว่า 700 ไมครอนในเส้นผ่านศูนย์กลาง ฟล็อกคูลเริ่มต้นด้วยน้ำเป็นส่วนประกอบหลัก แต่น้ำส่วนใหญ่จะถูกขับออกจากฟล็อกคูลเมื่อแร่ธาตุดินเหนียวจับตัวกันแน่นขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป (กระบวนการที่เรียกว่าไซเนเรซิส ) ^{[ 18 ]}การสร้างเม็ดดินเหนียวโดยสิ่งมีชีวิตที่กรองอาหารมีความสำคัญในกรณีที่การเกิดฟล็อกคูลถูกยับยั้ง สิ่งมีชีวิตที่กรองอาหารผลิตเม็ดดินเหนียวประมาณ 12 เมตริกตันต่อตารางกิโลเมตรต่อปีตามแนวชายฝั่งอ่าวของสหรัฐอเมริกา^{[ 19 ]}

เมื่อตะกอนสะสมตัวมากขึ้น ตะกอนที่เก่ากว่าและฝังลึกกว่าจะเริ่มเกิดกระบวนการไดอะเจเน ซิส ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยการอัดตัวและการแข็งตัวของอนุภาคดินเหนียวและตะกอนทรายแป้ง^{[ 20 ] [ 21 ]}ระยะเริ่มต้นของไดอะเจเนซิส ซึ่งเรียกว่าอีโอเจเนซิสเกิดขึ้นที่ระดับความลึกตื้น (ไม่กี่สิบเมตร) และมีลักษณะเฉพาะคือการรบกวนทางชีวภาพและการเปลี่ยนแปลงทางแร่ธาตุในตะกอน โดยมีการอัดตัวเพียงเล็กน้อย^{[ 22 ]}ไพไรต์อาจก่อตัวขึ้นในโคลนที่ปราศจากออกซิเจนในระยะไดอะเจเนซิสนี้^{[ 8 ] [ 23 ]}

การฝังตัวที่ลึกขึ้นจะมาพร้อมกับ กระบวนการเกิดหิน ( mesogenesis ) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่การอัดตัวและการแข็งตัวของหินส่วนใหญ่เกิดขึ้น เมื่อตะกอนอยู่ภายใต้แรงดันที่เพิ่มขึ้นจากตะกอนที่อยู่ด้านบน เม็ดตะกอนจะเคลื่อนตัวเข้าสู่การจัดเรียงที่แน่นขึ้น เม็ดที่อ่อนตัวได้ (เช่น เม็ด แร่ดินเหนียว ) จะเสียรูป และช่องว่างของรูพรุนจะลดลง^{[ 24 ]}นอกจากการอัดตัวทางกายภาพแล้ว การอัดตัวทางเคมีอาจเกิดขึ้นได้ผ่านการละลายด้วยแรงดันจุดสัมผัสระหว่างเม็ดจะอยู่ภายใต้ความเครียดมากที่สุด และแร่ที่เครียดจะละลายได้ มากกว่า ส่วนที่เหลือของเม็ด ส่งผลให้จุดสัมผัสละลายหายไป ทำให้เม็ดเข้ามาสัมผัสกันใกล้มากขึ้น^{[ 21 ]}

ในระหว่างการอัดตัว หินดินดานจะเกิดการแตกเป็นแผ่น ซึ่งน่าจะเกิดจากการอัดตัวเชิงกลของโครงสร้างเปิดเดิมของอนุภาคดินเหนียว อนุภาคจะเรียงตัวเป็นชั้นขนานกันอย่างแน่นหนา ทำให้หินดินดานมีโครงสร้างที่โดดเด่น^{[ 25 ]}การแตกเป็นแผ่นน่าจะเกิดขึ้นในช่วงต้นของกระบวนการอัดตัว ที่ระดับความลึกค่อนข้างตื้น เนื่องจากดูเหมือนว่าการแตกเป็นแผ่นจะไม่แปรผันตามความลึกในชั้นหินหนา^{[ 26 ]}เกล็ดคาโอลิไนต์มีแนวโน้มที่จะเรียงตัวเป็นชั้นขนานกันน้อยกว่าดินเหนียวชนิดอื่น ดังนั้นดินเหนียวที่อุดมด้วยคาโอลิไนต์จึงมีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นหินโคลนที่ไม่แตกเป็นแผ่นมากกว่าหินดินดาน ในทางกลับกัน หินดินดานสีดำมักมีการแตกเป็นแผ่นที่เด่นชัดมาก ( หินดินดานกระดาษ ) เนื่องจากการยึดเกาะของ โมเลกุล ไฮโดรคาร์บอนกับพื้นผิวของอนุภาคดินเหนียว ซึ่งทำให้การยึดเกาะระหว่างอนุภาคอ่อนลง^{[ 27 ]}

การเกิดหินเกิดขึ้นตามหลังการอัดตัวอย่างใกล้ชิด เนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในระดับความลึกจะเร่งการสะสมของซีเมนต์ที่ยึดเม็ดแร่เข้าด้วยกัน การละลายภายใต้แรงดันมีส่วนช่วยในการเชื่อมประสาน เนื่องจากแร่ธาตุที่ละลายจากจุดสัมผัสที่มีแรงดึงจะถูกสะสมใหม่ในช่องว่างรูพรุนที่ไม่มีแรงดึง แร่ดินเหนียวอาจมีการเปลี่ยนแปลงเช่นกัน ตัวอย่างเช่นสเมกไทต์จะเปลี่ยนเป็นอิลไลต์ที่อุณหภูมิประมาณ 55 ถึง 200 °C (130 ถึง 390 °F) โดยปล่อยน้ำออกมาในกระบวนการ^{[ 8 ]}ปฏิกิริยาการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ ได้แก่ การเปลี่ยนสเมกไทต์เป็นคลอไรต์และคาโอลิไนต์เป็นอิลไลต์ที่อุณหภูมิระหว่าง 120 ถึง 150 °C (250 ถึง 300 °F) ^{[ 8 ]}เนื่องจากปฏิกิริยาเหล่านี้ อิลไลต์จึงประกอบเป็น 80% ของ หินดินดาน ยุคพรีแคมเบรียนเทียบกับประมาณ 25% ของหินดินดานยุคใหม่^{[ 28 ]}

การเปิดเผยชั้นหินดินดานที่ฝังอยู่จะมาพร้อมกับเทโลเจเนซิสซึ่งเป็นขั้นตอนที่สามและขั้นตอนสุดท้ายของไดอะเจเนซิส^{[ 22 ]}เมื่อการกัดเซาะลดความลึกของการฝังตัว การสัมผัสกับน้ำฝน อีกครั้ง จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมในหินดินดาน เช่น การละลายของซีเมนต์บางส่วนเพื่อสร้าง รูพรุน ทุติยภูมิไพไรต์อาจถูกออกซิไดซ์เพื่อสร้างยิปซัม^{[ 21 ]}

หินดินดานสีดำมีสีเข้มเนื่องจากมีคาร์บอนที่ไม่ถูกออก ซิไดซ์อยู่มากเป็นพิเศษ พบได้ทั่วไปในชั้น หินยุคพาลีโอโซอิกและ เมโซโซอิกหินดินดานสีดำถูกสะสมใน สภาพแวดล้อมที่ ปราศจากออกซิเจนและมีสภาวะรีดิวซ์ เช่น ในมวลน้ำนิ่ง ^{[ 8 ]}หินดินดานสีดำบางชนิดมีโลหะหนักจำนวนมาก เช่นโมลิบเด นั มยูเรเนียมวานาเดียมและสังกะสี^{[ 8 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}ค่าที่เพิ่มสูงขึ้นนั้นมีที่มาที่ยังเป็นที่ถกเถียงกัน โดยมีการระบุสาเหตุที่แตกต่างกันไป คือการป้อนจาก ของเหลวความ ร้อนใต้ดินในระหว่างหรือหลังการตกตะกอน หรือการสะสมอย่างช้าๆ จากน้ำทะเลในช่วงระยะเวลาการตกตะกอนที่ยาวนาน ^{[ 30 ] [ 32 ] [ 33 ]}

• 
  หินดินดานในโปโตคกราเบน เทือกเขาคาราวังส์ประเทศออสเตรีย
• 
  การผ่าหินดินดาน ( หินดินดานน้ำมันเมสเซล ) ด้วยมีดขนาดใหญ่เพื่อเผยให้เห็นซากดึกดำบรรพ์
• 
  การผุกร่อนของหินดินดานบริเวณทางตัดถนนในรัฐเคนตักกี้ ตอนใต้

บางครั้ง ฟอสซิลรอยเท้าสัตว์หรือโพรงและแม้แต่รอยหยดน้ำฝนก็ถูกเก็บรักษาไว้บนพื้นผิวชั้นหินดินดาน หินดินดานอาจมีก้อนที่ประกอบด้วยไพไรต์อะพาไทต์หรือแร่คาร์บอเนตต่างๆ^{[ 34 ]}

หินดินดานที่ได้รับความร้อนและความดันจากกระบวนการแปรสภาพ จะเปลี่ยนไปเป็น หินแปรสภาพที่แข็งและ แตกง่าย ที่เรียกว่าหินชนวนเมื่อระดับการแปรสภาพ เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ลำดับจะเป็นหินฟิลไลต์จากนั้น เป็น หินชีสต์และสุดท้ายเป็นหินไนส์^{[ 35 ]}

หินดินดานเป็นหินต้นกำเนิดไฮโดรคาร์บอน ( ก๊าซธรรมชาติและปิโตรเลียม ) ที่พบได้บ่อยที่สุด ^{[ 8 ]}การขาดตะกอนหยาบในชั้นหินดินดานส่วนใหญ่สะท้อนให้เห็นถึงการไม่มีกระแสน้ำแรงในแอ่งสะสมตัว ซึ่งอาจทำให้น้ำมีออกซิเจนและทำลายสารอินทรีย์ก่อนที่จะสะสมตัวได้ การไม่มีหินคาร์บอเนตในชั้นหินดินดานสะท้อนให้เห็นถึงการไม่มีสิ่งมีชีวิตที่อาจหลั่งโครงกระดูกคาร์บอเนตออกมา ซึ่งอาจเป็นผลมาจากสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจนเช่นกัน ส่งผลให้ประมาณ 95% ของสารอินทรีย์ในหินตะกอนพบอยู่ในหินดินดานและหินโคลนอื่นๆ ชั้นหินดินดานแต่ละชั้นโดยทั่วไปจะมีปริมาณสารอินทรีย์ประมาณ 1% แต่หินต้นกำเนิดที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดอาจมีสารอินทรีย์มากถึง 40% ^{[ 36 ]}

สารอินทรีย์ในหินดินดานจะถูกเปลี่ยนจากโปรตีนโพลีแซ็กคาไรด์ไขมันและโมเลกุลอินทรีย์อื่นๆ ดั้งเดิมไปเป็นเคโรเจน เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งที่อุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งพบได้ในระดับความลึกที่มากขึ้นจะถูกเปลี่ยนต่อไปเป็นกราไฟต์และปิโตรเลียม^{[ 37 ]}

ก่อนกลางศตวรรษที่ 19 คำว่าหินชนวนหินดินดาน และหินชีสต์ไม่ได้ถูกแยกแยะอย่างชัดเจน^{[ 38 ]} ในบริบทของการทำเหมืองถ่านหิน ใต้ดิน หินดินดานมักถูกเรียกว่าหินชนวนไปจนถึงศตวรรษที่ 20 ^{[ 39 ]}หินดินดานสีดำที่เกี่ยวข้องกับชั้นถ่านหินเรียกว่าโลหะดำ^{[ 40 ]}

วิกิมีเดียคอมมอน ส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับหินดินดาน

• ชั้นหินบักเคน  – ชั้นหินทางธรณีวิทยาในทวีปอเมริกาเหนือหน้าเว็บที่แสดงคำอธิบายสั้น ๆ ของเป้าหมายการเปลี่ยนเส้นทาง
• หินดินดานบาร์เน็ตต์  – โครงสร้างทางธรณีวิทยาในรัฐเท็กซัส สหรัฐอเมริกา
• ชั้นหินแบร์พอว์ (Bearpaw Formation  ) – โครงสร้างทางธรณีวิทยาในทวีปอเมริกาเหนือ
• เบอร์เจสเช  ล – แหล่งหินที่มีซากดึกดำบรรพ์ในเทือกเขาร็อกกีของแคนาดา
• หินดินดานเอมูเบย์  – โครงสร้างทางธรณีวิทยาในรัฐเซาท์ออสเตรเลีย
• ชั้นหินมาร์เซลลัส  – หน่วยหินตะกอนยุคดีโวเนียนตอนกลาง
• แหล่งฟอสซิลมาซอนครีก  – แหล่งฟอสซิลอนุรักษ์ในรัฐอิลลินอยส์ที่ได้รับการขึ้นทะเบียนเป็นสถานที่ทางประวัติศาสตร์แห่งชาติ
• หินน้ำมัน  – หินตะกอนเนื้อละเอียดที่มีอินทรียสารสูงและประกอบด้วยเคโรเจน
• ก๊าซหินดินดาน  – ก๊าซธรรมชาติที่ถูกกักอยู่ในชั้นหินดินดาน
• หินเชลวีลเลอร์  – ชั้นหินทางธรณีวิทยาในรัฐยูทาห์ ที่โดดเด่นด้วยฟอสซิลไทรโลไบต์
• หินดินดานบริงเจลลี  – หน่วยหินตะกอนยุคไทรแอสสิกในออสเตรเลีย
• หินดินดานแอชฟิลด์  – โครงสร้างทางธรณีวิทยาในออสเตรเลีย

สื่อที่เกี่ยวข้องกับหินดินดานในวิกิมีเดียคอมมอนส์