ธรณีวิทยาหิน (Petrography)เป็นสาขาหนึ่งของธรณีวิทยาหิน (Petrology)ที่เน้นการอธิบายลักษณะของหิน อย่างละเอียด ผู้ที่ศึกษาธรณีวิทยาหินเรียกว่านักธรณีวิทยาหิน (Petrographer ) ธรณีวิทยาหินจะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับองค์ประกอบแร่และความสัมพันธ์เชิงโครงสร้างภายในหิน การจำแนกประเภทของหินจะขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ได้จากการวิเคราะห์ธรณีวิทยาหินคำอธิบายทางธรณีวิทยาหินเริ่มต้นจากบันทึกภาคสนาม ณบริเวณที่พบหินและรวมถึงคำอธิบายระดับมหภาคของตัวอย่างขนาดเท่าฝ่ามือ เครื่องมือที่สำคัญที่สุดของนักธรณีวิทยาหินคือกล้องจุลทรรศน์ธรณีวิทยาหินการวิเคราะห์รายละเอียดของแร่ธาตุโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงในภาคตัดขวางบางๆรวมถึงลักษณะโครงสร้างระดับจุลภาคมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจที่มาของหิน

ในห้องปฏิบัติการปิโตรกราฟิกสมัยใหม่ มีการใช้การวิเคราะห์ด้วยไมโครโพรบอิเล็กตรอนหรือโทโมกราฟีอะตอมโพรบเพื่อตรวจสอบเม็ดแร่แต่ละเม็ด รวมถึงการวิเคราะห์ทางเคมีของหินทั้งก้อนด้วยวิธีการดูดกลืนอะตอม การเรืองแสงเอ็กซ์เรย์ และสเปกโทรสโกปีการแตกตัวด้วยเลเซอร์ นอกจากนี้ยังสามารถวิเคราะห์เม็ดแร่แต่ละเม็ดจากตัวอย่างหินด้วยการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ได้เมื่อวิธีการทางแสงไม่เพียงพอ การวิเคราะห์ของเหลวที่ถูกกักอยู่ในเม็ดแร่ด้วยแท่นให้ความร้อนบนกล้องจุลทรรศน์ปิโตรกราฟิกจะให้เบาะแสเกี่ยวกับอุณหภูมิและความดันที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของแร่

วิชาปิโตรกราฟีเริ่มต้นขึ้นในปี ค.ศ. 1828 เมื่อวิลเลียม นิโคล นักฟิสิกส์ชาวสกอตแลนด์ คิดค้นเทคนิคการสร้างแสงโพลาไรซ์โดยการตัดผลึกไอซ์แลนด์ สปาร์ ซึ่งเป็น แคลไซต์ชนิดหนึ่งให้เป็นปริซึมพิเศษที่รู้จักกันในชื่อปริซึมนิโคลการเพิ่มปริซึมดังกล่าวสองอันลงในกล้องจุลทรรศน์ธรรมดาทำให้เครื่องมือดังกล่าวกลายเป็นกล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์ หรือกล้องจุลทรรศน์ปิโตรกราฟีการใช้แสงส่องผ่านและปริซึมนิโคลทำให้สามารถกำหนดลักษณะผลึกภายในของเม็ดแร่ขนาดเล็กมากได้ ซึ่งเป็นการเพิ่มพูนความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของหินอย่างมาก

ในช่วงทศวรรษ 1840 การพัฒนาโดยเฮนรี ซี. ซอร์บีและคนอื่นๆ ได้วางรากฐานอย่างมั่นคงให้กับวิชาปิโตรกราฟี นี่เป็นเทคนิคการศึกษาหินชิ้นบางๆ โดยนำหินชิ้นหนึ่งมาติดบนแผ่นสไลด์สำหรับกล้องจุลทรรศน์ แล้วบดให้บางมากจนแสงสามารถส่องผ่านเม็ดแร่ที่ปกติจะทึบแสงได้ ตำแหน่งของเม็ดแร่ที่อยู่ติดกันจะไม่ถูกรบกวน ทำให้สามารถวิเคราะห์เนื้อสัมผัสของหินได้ ปิโตรกราฟี แบบแผ่นบางกลายเป็นวิธีการมาตรฐานในการศึกษาหิน เนื่องจากรายละเอียดด้านเนื้อสัมผัสมีส่วนช่วยอย่างมากต่อความรู้เกี่ยวกับลำดับการตกผลึกของแร่ธาตุต่างๆ ในหิน ปิโตรกราฟีจึงพัฒนาไปสู่ปิโตรเจเนซิสและในที่สุดก็พัฒนาไปสู่ปิโตรโลยี

วิชาการศึกษาหินวิทยาได้รับการพัฒนาอย่างมากในประเทศเยอรมนีในช่วงปลายศตวรรษที่ 19

ลักษณะทางกายภาพของหินที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าโดยไม่ต้องใช้กล้องจุลทรรศน์นั้นมีความหลากหลายและยากที่จะอธิบายได้อย่างถูกต้องและครบถ้วน นักธรณีวิทยาภาคสนามจึงต้องพึ่งพาข้อมูลเหล่านี้เป็นหลัก รวมถึงการทดสอบทางเคมีและกายภาพอย่างคร่าวๆ เพียงไม่กี่อย่าง และสำหรับวิศวกร สถาปนิก และเจ้าของเหมืองหิน ข้อมูลเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง แม้ว่าข้อมูลเหล่านี้มักไม่เพียงพอที่จะระบุลักษณะที่แท้จริงของหินได้ แต่โดยทั่วไปแล้วก็ใช้สำหรับการจำแนกประเภทเบื้องต้น และมักให้ข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมด

ด้วยขวดกรด ขนาดเล็ก สำหรับทดสอบหาแคลเซียมคาร์บอเนต มีดสำหรับตรวจสอบความแข็งของหินและแร่ธาตุ และเลนส์พกพาสำหรับขยายโครงสร้าง นักธรณีวิทยาภาคสนามจึงแทบจะไม่เคยสับสนว่าหินชนิดใดอยู่ในกลุ่มใด หินที่มีเนื้อละเอียดมักไม่สามารถระบุได้ด้วยวิธีนี้ และส่วนประกอบแร่ธาตุขนาดเล็กของหินทุกชนิดมักจะตรวจสอบได้ด้วยการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์เท่านั้น แต่ก็ง่ายที่จะเห็นว่าหินทรายหรือหินกรวดประกอบด้วยเม็ดทรายที่กลมมนและสึกกร่อนจากน้ำ และหากมีอนุภาคเฟลด์สปาร์ที่หมองคล้ำและผุกร่อน เกล็ดไมกาที่แวววาว หรือผลึกแคลไซต์ขนาดเล็ก ก็มักจะรอดพ้นจากการสังเกตเช่นกัน หินดินดานและหินดินเหนียวโดยทั่วไปจะอ่อนนุ่ม มีเนื้อละเอียด มักเป็นชั้นๆ และไม่น้อยที่จะมีสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กหรือเศษพืชอยู่ภายใน หินปูนสามารถทำเครื่องหมายได้ง่ายด้วยใบมีด เกิดฟองได้ง่ายเมื่อสัมผัสกับกรดเย็นเจือจาง และมักมีเปลือกหอยหรือฟอสซิลอื่นๆ ที่สมบูรณ์หรือแตกหักอยู่ภายใน ลักษณะผลึกของหินแกรนิตหรือหินบะซอลต์นั้นเห็นได้ชัดเจนในทันที โดยหินแกรนิตจะมีเฟลด์สปาร์สีขาวหรือชมพู ควอตซ์ใส และเกล็ดไมกาที่มองเห็นได้ชัด ในขณะที่หินบะซอลต์จะมีโอลิวีนสีเหลืองอมเขียว ออไจต์สีดำ และแพลจิโอเคลสสีเทาที่เรียงตัวเป็นชั้นๆ

เครื่องมือง่ายๆ อื่นๆ ได้แก่ ท่อเป่าลม (เพื่อทดสอบการหลอมละลายของผลึกที่แยกออก) โกนิโอมิเตอร์แม่เหล็ก แว่นขยาย และเครื่องชั่งความถ่วงจำเพาะ^{[ 1 ]}

เมื่อต้องจัดการกับหินชนิดที่ไม่คุ้นเคย หรือหินที่มีเม็ดละเอียดมากจนไม่สามารถระบุแร่ธาตุที่เป็นส่วนประกอบได้ด้วยเลนส์มือ จะต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ ลักษณะที่สังเกตได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ได้แก่ สี การเปลี่ยนแปลงสีภายใต้แสงโพลา ไรซ์ระนาบ ( เพลโอโครอิซึม ซึ่งเกิดจาก ปริซึมนิคอลล่างหรือฟิล์มโพลาไรซ์ที่ ใช้ในปัจจุบัน ) ลักษณะการแตกหักของเม็ดหิน ดัชนีหักเห (เมื่อเทียบกับกาวที่ใช้ยึดติด ซึ่งโดยทั่วไปคือแคนาดาบาลซัม ) และสมมาตรทางแสง ( ไบรีฟริงเจนท์หรือไอโซโทรปิก ) โดยรวมแล้วลักษณะเหล่านี้เพียงพอที่จะระบุแร่ และมักจะสามารถประมาณองค์ประกอบหลักของแร่ได้อย่างแม่นยำ กระบวนการระบุแร่ภายใต้กล้องจุลทรรศน์นั้นค่อนข้างละเอียดอ่อน แต่ก็มีกลไกการทำงานเช่นกัน – เป็นไปได้ที่จะพัฒนาคู่มือการระบุที่ช่วยให้คอมพิวเตอร์สามารถทำได้ ในปัจจุบัน สาขาธรณีวิทยาเชิงดิจิทัลได้พัฒนาขึ้น รวมถึงการใช้เทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ด้วย^{[ 2 ]}ส่วนที่ยากและต้องใช้ทักษะมากกว่าของการศึกษาหินด้วยแสงคือการระบุความสัมพันธ์ระหว่างเม็ดแร่และเชื่อมโยงเม็ดแร่เหล่านั้นกับลักษณะที่เห็นในตัวอย่างขนาดเท่ามือ ในแหล่งหินโผล่ หรือในการทำแผนที่

การแยกส่วนประกอบของผงหินบดเพื่อให้ได้ตัวอย่างบริสุทธิ์สำหรับการวิเคราะห์เป็นวิธีการทั่วไป สามารถทำได้โดยใช้แม่เหล็กไฟฟ้ากำลังสูงที่ปรับความแรงได้ สนามแม่เหล็กอ่อนจะดึงดูดแมกเนไทต์ จากนั้นเฮมาไทต์และแร่เหล็กอื่นๆ ซิลิเกตที่มีเหล็กเป็นส่วนประกอบจะถูกแยกออกมาตามลำดับที่แน่นอน ได้แก่ ไบโอไทต์ เอนสตาไทต์ ออไจต์ ฮอร์นเบลนด์ การ์เนต และแร่เฟอร์โรแมกนีเซียมอื่นๆ ที่คล้ายกัน สุดท้ายเหลือเพียงสารประกอบที่ไม่มีสีและไม่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก เช่น มัสโคไวต์ แคลไซต์ ควอตซ์ และเฟลด์สปาร์ วิธีการทางเคมีก็มีประโยชน์เช่นกัน

กรดอ่อนจะละลายแคลไซต์จากหินปูนบด เหลือไว้เพียงโดโลไมต์ ซิลิเกต หรือควอตซ์ กรดไฮโดรฟลูออริกจะกัดกร่อนเฟลด์สปาร์ก่อนควอตซ์ และหากใช้อย่างระมัดระวัง จะละลายเฟลด์สปาร์และวัสดุที่เป็นแก้วใดๆ ในผงหินก่อนที่จะละลายออกไจต์หรือไฮเปอร์สทีน

วิธีการแยกสารโดยอาศัยความหนาแน่นจำเพาะนั้นมีการใช้งานที่กว้างขวางยิ่งขึ้น วิธีที่ง่ายที่สุดคือการแยกด้วยแรงดัน (levigation) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิเคราะห์ทางกลของดินและการบำบัดแร่ แต่ไม่ประสบความสำเร็จมากนักกับหิน เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วส่วนประกอบของหินมักมีความหนาแน่นจำเพาะไม่แตกต่างกันมากนัก จึงใช้ของเหลวที่ไม่ทำลายแร่ธาตุส่วนใหญ่ในหิน แต่มีความหนาแน่นจำเพาะสูง สารละลายโพแทสเซียมเมอร์คิวริกไอโอไดด์ (ความหนาแน่นจำเพาะ 3.196), แคดเมียมโบโรทังสเตต (ความหนาแน่นจำเพาะ 3.30), เมทิลีนไอโอไดด์ (ความหนาแน่นจำเพาะ 3.32), โบรโมฟอร์ม (ความหนาแน่นจำเพาะ 2.86) หรืออะเซทิลีนโบรไมด์ (ความหนาแน่นจำเพาะ 3.00) เป็นของเหลวหลักที่ใช้ สารละลายเหล่านี้อาจเจือจาง (ด้วยน้ำ เบนซีน ฯลฯ) หรือทำให้เข้มข้นโดยการระเหย

หากหินเป็นหินแกรนิตที่ประกอบด้วยไบโอไทต์ (ความหนาแน่นสัมพัทธ์ 3.1), มัสโคไวต์ (ความหนาแน่นสัมพัทธ์ 2.85), ควอตซ์ (ความหนาแน่นสัมพัทธ์ 2.65), โอลิโกเคลส (ความหนาแน่นสัมพัทธ์ 2.64) และออร์โทเคลส (ความหนาแน่นสัมพัทธ์ 2.56) แร่ที่บดแล้วจะลอยอยู่ในเมทิลีนไอโอไดด์ เมื่อเจือจางด้วยเบนซีนทีละน้อย แร่เหล่านี้จะตกตะกอนตามลำดับข้างต้น วิธีการเหล่านี้ในทางทฤษฎีนั้นง่าย แต่ในทางปฏิบัติค่อนข้างยุ่งยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากแร่ที่ประกอบเป็นหินชนิดหนึ่งมักจะล้อมรอบแร่ชนิดอื่น การจัดการหินที่สดใหม่และเหมาะสมโดยผู้เชี่ยวชาญจะให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม^{[ 1 ]}

นอกเหนือจากการตรวจสอบด้วยตาเปล่าและกล้องจุลทรรศน์แล้ว วิธีการวิจัยทางเคมีก็มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อผู้เชี่ยวชาญด้านหินวิทยา ผงที่บดและแยกแล้วซึ่งได้จากกระบวนการข้างต้น สามารถนำมาวิเคราะห์เพื่อกำหนดองค์ประกอบทางเคมีของแร่ธาตุในหินได้ทั้งในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ การทดสอบทางเคมีและการตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์ของอนุภาคขนาดเล็กเป็นวิธีการที่ยอดเยี่ยมและมีคุณค่าในการจำแนกความแตกต่างระหว่างองค์ประกอบแร่ธาตุของหินเนื้อละเอียด

ดังนั้น การตรวจสอบการมีอยู่ของอะพาไทต์ในชั้นหินจึงทำได้โดยการนำสารละลายแอมโมเนียมโมลิบเดตมาเคลือบลงบนชั้นหินเปล่า จะเกิดตะกอนสีเหลืองขุ่นขึ้นบนผลึกของแร่ที่ต้องการตรวจสอบ (ซึ่งบ่งชี้ว่ามีฟอสเฟตอยู่) ซิลิเกตหลายชนิดไม่ละลายในกรดและไม่สามารถทดสอบด้วยวิธีนี้ได้ แต่บางชนิดละลายบางส่วน ทำให้เกิดฟิล์มซิลิกาที่มีลักษณะคล้ายเจล ซึ่งสามารถย้อมสีได้ด้วยสารให้สี เช่น สีย้อมอะนิลีน (เนเฟลีน อนาลไซต์ ซีโอไลต์ เป็นต้น)

การวิเคราะห์ทางเคมีของหินอย่างครบถ้วนนั้นมีการใช้กันอย่างแพร่หลายและมีความสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการอธิบายชนิดของหินใหม่ๆ การวิเคราะห์หินในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา (ส่วนใหญ่ได้รับอิทธิพลจากห้องปฏิบัติการเคมีของสำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาแห่งสหรัฐอเมริกา) ได้พัฒนาไปสู่ระดับความละเอียดและความซับซ้อนที่สูงขึ้น สามารถวิเคราะห์ส่วนประกอบได้มากถึงยี่สิบหรือยี่สิบห้าชนิด แต่เพื่อประโยชน์ในทางปฏิบัติ ความรู้เกี่ยวกับสัดส่วนสัมพัทธ์ของซิลิกา อลูมินา ออกไซด์ของเหล็กและเฟอร์ริก แมกนีเซีย ปูนขาว โพแทสเซียม โซดา และน้ำ ก็เพียงพอแล้วสำหรับการกำหนดตำแหน่งของหินในระบบการจำแนกประเภทแบบดั้งเดิม

การวิเคราะห์ทางเคมีมักจะเพียงพอที่จะระบุว่าหินนั้นเป็นหินอัคนีหรือหินตะกอน และในทั้งสองกรณีก็สามารถแสดงได้อย่างแม่นยำว่าหินนั้นอยู่ในกลุ่มย่อยใดของประเภทเหล่านี้ ในกรณีของหินแปร มักจะระบุได้ว่ามวลเดิมเป็นหินตะกอนหรือมีต้นกำเนิดจากภูเขาไฟ^{[ 1 ]}

ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของหินถูกกำหนดโดยใช้เครื่องชั่งและไพคโนมิเตอร์ ความหนาแน่นสัมพัทธ์จะสูงที่สุดในหินที่มีแมกนีเซีย เหล็ก และโลหะหนักมากที่สุด ในขณะที่ต่ำที่สุดในหินที่มีด่าง ซิลิกา และน้ำมาก ความหนาแน่นสัมพัทธ์จะลดลงเมื่อเกิดการผุพัง โดยทั่วไป ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของหินที่มีองค์ประกอบทางเคมีเดียวกันจะสูงกว่าหากมีผลึกสูง และต่ำกว่าหากเป็นแก้วทั้งหมดหรือบางส่วน ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของหินทั่วไปมีช่วงตั้งแต่ประมาณ 2.5 ถึง 3.2 ^{[ 1 ]}

นักโบราณคดีใช้การวิเคราะห์หินเพื่อระบุส่วนประกอบของแร่ธาตุในเครื่องปั้นดินเผา^{[ 3 ]} ข้อมูลนี้เชื่อมโยงสิ่งประดิษฐ์กับพื้นที่ทางธรณีวิทยาที่ได้วัตถุดิบสำหรับเครื่องปั้นดินเผามา นอกจากดินเหนียวแล้ว ช่างปั้นดินเผามัก ใช้เศษหิน ซึ่งมักเรียกว่า "สารเพิ่มเนื้อดิน" หรือ "สารลดแรงตึงผิว" เพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของดินเหนียว ข้อมูลทางธรณีวิทยาที่ได้จากส่วนประกอบของเครื่องปั้นดินเผาให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีที่ช่างปั้นดินเผาเลือกและใช้ทรัพยากรในท้องถิ่นและนอกท้องถิ่น นักโบราณคดีสามารถระบุได้ว่าเครื่องปั้นดินเผาที่พบในสถานที่ใดสถานที่หนึ่งนั้นผลิตในท้องถิ่นหรือค้าขายมาจากที่อื่น ข้อมูลประเภทนี้พร้อมกับหลักฐานอื่นๆ สามารถสนับสนุนข้อสรุปเกี่ยวกับรูปแบบการตั้งถิ่นฐานการเคลื่อนย้ายของกลุ่มและบุคคลการติดต่อทางสังคม และเครือข่ายการค้า นอกจากนี้ ความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการเปลี่ยนแปลงของแร่ธาตุบางชนิดที่อุณหภูมิเฉพาะสามารถช่วยให้นักโบราณคดีวิเคราะห์หินสามารถอนุมานแง่มุมต่างๆ ของ กระบวนการผลิต เซรามิกได้ เช่น อุณหภูมิต่ำสุดและสูงสุดที่เกิดขึ้นระหว่างการเผาหม้อครั้งแรก

• ธรณีวิทยาเซรามิก

• แอตลาสของหิน แร่ และลักษณะทางธรณีวิทยา คำอธิบายทางธรณีวิทยาของหินและแร่

• ภาพตัดขวางของหินอัคนี หินแปร และหินที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่พบได้ไม่บ่อยนัก ทั้งในแสงที่ไม่เป็นโพลาไรซ์และภายใต้โพลาไรเซอร์แบบไขว้

• จงตั้งชื่อตารางข้อมูลแร่ (Mineral Datatable) ที่ใช้เปรียบเทียบคุณสมบัติที่สังเกตได้ของแร่ในภาคตัดขวางบางๆ ภายใต้แสงส่องผ่านหรือแสงสะท้อน