โครงงานวิทยาศาสตร์

เรื่อง เเร่ทองคำ

จัดทำโดย

เด็กหญิง อาธิติญา  นิลบรรพ์ เลขที่ 24

เด็กหญิง ณัฐธิดา  กิจเถกิง เลขที่ 15

ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 2/1

วิชา วิทยาศาสตร์ 

ปีการศึกษา 2557

โรงเรียนสามร้อยยอดวิทยาคม

เเร่ทองคำคืออะไร ?

ทองคำ (อังกฤษ: gold) คือธาตุเคมีที่มีหมายเลขอะตอม 79 และสัญลักษณ์คือ Au (มาจากภาษาละตินว่า aurum) จัดอยู่ในกลุ่มธาตุโลหะมีสกุลชนิดหนึ่ง ทองคำเป็นธาตุโลหะทรานซิชันสีเหลืองทองมันวาวเนื้ออ่อนนุ่ม สามารถยืดและตีเป็นแผ่นได้ ทองคำไม่ทำปฏิกิริยากับสารเคมีส่วนใหญ่ ทองคำใช้เป็นทุนสำรองทางการเงินของหลายประเทศ ใช้ประโยชน์เป็นเครื่องประดับ งานทันตกรรม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เเร่ทองคำมาจากไหนบ้าง ?

ในการเกิดขึ้นของแร่ทองคำตามลักษณะที่พบในธรรมชาติคือแบบ ปฐมภูมิและแบบทุติยภูมิ ใน แบบแรกปฐมภูมิหรือในชั้นหิน แข็ง แหล่งแร่ทองคำที่เกิดจาก กระบวนการทางธรณีวิทยาลักษณะนี้ เช่น กระบวนการ  นํ้าแร่ร้อน กระบวนการแปรสัมผัส กระบวนการเติมสารละลายซิลิกา เป็นต้น ทำให้เกิดการสะสมตัวของแร่ทองคำ ในหินชนิดต่าง ๆ ทั้ง หินอัคนี หินชั้น และหินแปร ทองคำ ที่เกิดอาจจะฝังปะปนอยู่ในเนื้อ  หินหรือสายแร่ที่แทรกในหินแต่ส่วนใหญ่จะมองไม่เห็น 

      ขณะที่แหล่งแร่ทองคำแบบทุติยภูมิหรือแหล่งลานแร่ เกิดจากการผุพังของหินที่มีแร่ทองคำลักษณะแรก แล้วสะสมตัวในที่เดิมหรือ  ถูกนํ้าชะล้างพาไปสะสมตัวในที่ใหม่ ในบริเวณต่าง ๆ ที่เหมาะสม อย่างเช่น เชิงเขา ลำห้วย หรือในตะกอนกรวดทรายในลำน้ำ เมื่อขุดร่อนดินหากดินเหนียวมีลักษณะเป็น สีแดง ๆ แดงปนน้ำตาลหรือน้ำตาลไหม้ กรวดเป็นสีขาวขุ่น สีน้ำนมหรือสีงาช้างปะปนกับกรวดสีเขียว เขียวเทาและเทาดำจำนวนมากและหากบริเวณนั้นเป็นแหล่งแร่ก็จะสามารถพบทองได้

   

      “แร่ทองคำมีกระจายอยู่ทั่วไปทุกสภาพภูมิประเทศสามารถพบเจอได้ถ้ามีลักษณะการเกิดในรูปแบบนี้ แต่ทั้งนี้ประเด็นสำคัญต้องสำรวจพบหินที่ให้กำเนิดแร่ทองคำก่อน อย่างเช่น หินแกรนิต หินแกรโนไดออไรต์ บางครั้งก็เป็นหินภูเขาไฟ จำพวกแอนดีไซต์ ไรโอไลต์ บริเวณที่มีการสัมผัสระหว่างหินอัคนีแทรกซอนกับหินชั้น หินตะกอนที่มีรอยแตก ในหินตะกอนพวกนี้สามารถให้น้ำแร่ร้อนพาทองไปสะสมตัวอยู่ตามรอยแตก ดังนั้นถ้าสถานที่ใด ทวีปโลกไหนที่มีลักษณะหินในลักษณะนี้ก็มีโอกาสเกิดขึ้นได้ของแหล่งแร่ทองคำ”

   

      ในบ้านเราที่พบมีทั้งในหินแข็งและหินผุพังกระจายตัวอยู่ในพื้นที่หลายจังหวัด  โดยภาพรวมแล้วเป็นแนว  หรือเป็นกลุ่ม การสำรวจแหล่งแร่ทองคำ กรมทรัพยา  กรธรณีได้ศึกษาต่อเนื่องมายาวนานด้วยวิธีการทางธรณีวิทยาธรณีเคมี ธรณีฟิสิกส์โดยทำการสำรวจทั้งทางอากาศ บนผิวดินและใต้ดิน

   

       การสำรวจทางอากาศ เป็นการสำรวจเพื่อให้ได้ข้อมูลพื้นฐานครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณกว้าง โดยใช้เทคนิคการสำรวจหลายด้าน เช่น ดาวเทียม การถ่ายภาพทางอากาศ การสำรวจธรณีฟิสิกส์ เพื่อตรวจวัดคุณสมบัติทางฟิสิกส์หรือถ่ายภาพของพื้น ผิวโลกแล้วนำมาศึกษา แปลความหมายเพื่อหาบริเวณที่มีลักษณะหรือโครงสร้างทางธรณีวิทยาที่เหมาะสมแก่การสะสมตัวของแหล่งแร่

   

        “การสำรวจเป็นไปตามขั้นตอนหลายขั้นตามหลักวิชาการ หลังการสำรวจธรณีฟิสิกส์ทางอากาศเมื่อทราบศักยภาพดังกล่าวก็จะติดตามผลภาคพื้นดิน สำรวจทางธรณีวิทยาในบริเวณนั้นเพื่อให้ทราบชนิดหินว่ามีความเหมาะสมที่จะเกิดแร่ทองคำหรือไม่ จากนั้นจะเป็นการสำรวจธรณีเคมีในบริเวณกว้าง เก็บตะกอนทองน้ำนำมาวิเคราะห์ทางเคมีเพื่อหาปริมาณทองคำ

   

        สำรวจธรณีเคมีซ้ำเพื่อให้ได้พื้นที่เป้าหมายที่เล็กลง จากนั้นสำรวจธรณีเคมีและธรณีวิทยารายละเอียดซ้ำอีกและสำรวจธรณีฟิสิกส์โดย ใช้เครื่องมือสำรวจวัดความต้านทานไฟฟ้าของชั้นดิน ความเข้มของสนามแม่เหล็กบริเวณนั้น ฯลฯ แล้วนำมาแปลความหมายข้อมูลร่วมกันว่ามีศักยภาพเหมาะสมหรือไม่ซึ่งต้องใช้เวลาและวิทยาการหลายด้านร่วมกัน  ศึกษา แล้วกำหนดพื้นที่เพื่อเจาะสำรวจหาปริมาณทองคำ รวมทั้งประเมินความคุ้มค่าในเชิงพาณิชย์ก่อนที่จะเป็นเหมืองแร่ทองคำ”

   

          การนำทองมาใช้ ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ จึงไม่ใช่เรื่องง่าย โดยเฉพาะแหล่งแร่ทองคำที่พบในแบบปฐมภูมิซึ่งนอกจากการสำรวจที่ต้องใช้ระยะเวลา ในขั้นตอนการนำทองคำออกมาจากแหล่งทองในธรรมชาติยังต้องใช้ทุนและเทคโนโลยีสูง รวมทั้งผ่านกระบวนการผลิตอีกหลายขั้นตอน 

   

          ขณะที่ทองคำพบได้ทั้งในรูปแบบที่มองเห็นได้ด้วย  ตาเปล่าและที่ใช้ความรู้ทางวิชาการ เทคโนโลยีเข้าช่วย  สิ่งที่น่าเป็นห่วงคือการขุดร่อนทองที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม สุขอนามัย ในการร่อนทองที่พบเห็นกันตามแหล่งน้ำหากแยกนำทองออกได้ก็จะไม่เกิดปัญหา แต่ที่หยิบจับไม่ได้แล้วใช้ปรอทจับทองคำออกมาเพื่อนำไปเผาให้ได้ทองจะมีผลต่อสุขภาพ

   

          ในการเผาเพื่อให้ได้ทอง ไอปรอทที่เกิดขึ้นหากสูดดมหายใจเข้าไปจะส่งผลต่อระบบทางเดินหายใจ ในระยะยาวทำให้เจ็บป่วยเป็นมะเร็งปอด อีกทั้งสารปรอทที่นำมาใช้อาจตกค้างอยู่ในลำธารและกระจายไปสู่แหล่งน้ำอื่นส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในระยะยาวซึ่งสิ่งนี้ไม่ควรละเลย และต้องระมัดระวังอย่างยิ่ง

   

        จากที่ประเทศไทยมีชื่อเรียกขานว่าสุวรรณภูมิซึ่งมีความหมายถึงแผ่นดินทอง การสำรวจพบแหล่งแร่ทองคำในสถานที่ต่าง ๆ เป็นเรื่องที่ น่ายินดีแสดงถึงความอุดมสมบูรณ์ของทองคำในประเทศ

   

           การรู้ใช้ทรัพยากรอย่างรู้คุณค่าใช้อย่างยั่งยืน สิ่งนี้มีความหมายความสำคัญอย่างยิ่งและด้วยความโดดเด่นในคุณ  สมบัติ ปริมาณที่มีอยู่น้อย ความหายากของทองคำ ทั้งหมดนี้จึงเป็นคำตอบของความล้ำค่า ความต้องการของแร่โลหะที่เรียกกันว่า ทองคำ.

ต้นกำเนิดแร่ทองคำ

เมื่อพูดถึง “ทองคำ” เกือบทุกคนจะนึกถึงความเป็นโลหะที่มีคุณค่าสีเหลืองทองมันวาว ความเป็นเครื่องประดับราคาสูง และความเป็นเงินตราสำรองใช้ในภาวะฉุกเฉิน น้อยคนจะนึกถึงที่มาที่ไปของทองคำ ฉะนั้นในหัวข้อนี้จะอธิบายถึงต้น กำเนิดของทองคำตามหลักวิชาการที่นักธรณีวิทยาได้ยอมรับกัน

ในทางธรณีวิทยา ทองคำก็เหมือนกับน้ำมันที่เป็นผลผลิตสุดท้ายจากหลายๆ กระบวนการของธรณีวิทยา (series of geological events)แต่ขั้นตอนการเกิดทองคำจะมีความซับซ้อนกว่า เนื่องมาจากแหล่งแร่ที่ให้ทองคำมีมากมายหลายแบบ (ดูรูปที่ 1) แต่สามารถจัดกลุ่มใหญ่ๆ ได้ 3 แบบ ขึ้นอยู่กับกระบวนการเริ่มต้นที่สามารถทำให้ทองคำมาสะสมได้ (pre-concentration)

• แบบแรก ทองคำมาสะสมด้วยการช่วยของหินหนืด (magma) นักธรณีวิทยาเรียกแบบนี้ว่า “magmatic stages” 
• แบบสอง ทองคำมาสะสมด้วยการช่วยของกระบวนการแปรสภาพ (metamorphic stages)
• แบบสาม ทองคำมาสะสมด้วยการช่วยของกระบวนการสะสมตัวของหินตะกอนเก่า นักธรณีวิทยาเรียกแบบนี้ว่า “paleoplacer models”

เเหล่งทองคำเกิดขึ้นที่ไหนบ้าง ?

เราพบทองที่เกิดในธรรมชาติ อยู่ 2 ลักษณะใหญ่ๆ คือ
     (1) มักเกิดอยู่ในสายแร่ควอตซ์ และอาจมีแร่ไพไรต์ 

ไพไรต์
แร่ในกลุ่มซัลไฟด์ มีสูตรเคมีเป็น FeS2 มักพบเกิดเป็นรูปผลึกแบบลูกบาศก์ มีความวาวแบบโลหะ และมีสีเหลืองจาง - เหลืองทอง จึงมีชื่อเรียกอีกชื่อว่า \"แร่ทองคนโง่\" ไพไรต์ เป็นแร่ที่พบเกิดได้กับหินทุกประเภท รวมถึงในถ่านหิน ไพไรต์ เป็นแร่หลักที่ทำให้ถ่านหินมีค่ากัมมะถันสูง และเมื่อนำไปใช้ โดยไม่มีระบบกำจัดแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์ จะทำให้เกิดฝนกรด

หรือแร่ซัลไฟต์อื่นๆ  สายแร่ควอตซ์มักตัดแทรกเข้าไปในหินชนิดอื่นๆ ส่วนมากสายแร่ควอตซ์ที่มีทองเกิดร่วมด้วยมักจะสัมพันธ์กับหินอัคนี และจะเป็นสายน้ำแร่ร้อน ลักษณะการเกิดทองดังกล่าว จะเรียกว่าแหล่งแร่ปฐมภูมิ  (แหล่งแร่ปฐมภูมิ หมายถึงสินแร่ที่เกิดในช่วงเวลาเดียวกับการเกิดแหล่งแร่)
     (2) มักเกิดเป็นก้อน แผ่น และไร (ขนาดเล็ก) ปนกับตะกอน ชนิดอื่น และทองจะถูกพัดพามาไม่ไกลจากแหล่งต้นกำเนิด ลักษณะการเกิดทองแบบนี้เรียกว่า แหล่งทุติยภูมิ  (แหล่งแร่ทุติยภูมิหมายถึง แหล่งแร่จะเกิดภายหลังการเกิดของสินแร่)

พื้นที่ทองคำในประเทศ
     กรมทรัพยากรธรณี (2544) รายงานว่า ประเทศไทยมีพื้นที่ศักยภาพเป็นแหล่งแร่ทองคำ 9 บริเวณ พบทั้งเกิดเป็น
แร่ทองแบบปฐมภูมิ และแร่ทองแบบทุติยภูมิ ดังนี้
         (1) บริเวณอำเภอเมือง อำเภอเชียงคาน และอำเภอปากชม จังหวัดเลย ต่อเนื่อง ไปถึง อำเภอสังคม จังหวัดหนองคาย และอำเภอน้ำโสม อำเภอสุวรรณคูหา จังหวัดอุดรธานี
         (2) บริเวณอำเภอกบินทร์บุรี จังหวัดปราจีนบุรี และอำเภอวัฒนานคร จังหวัดสระแก้ว
         (3) บริเวณอำเภอลอง และอำเภอวังชิ้น จังหวัดแพร่ ต่อเนื่องถึง อำเภอสบปราบ และอำเภอเถิน จังหวัดลำปาง และอำเภอศรีสัชนาลัย – อำเภอทุ่งเสลี่ยม จังหวัดสุโขทัย
         (4) บริเวณอำเภอเมือง อำเภอแม่สาย และอำเภอเวียงป่าเป้า จังหวัดเชียงราย
         (5) บริเวณอำเภอสนามชัยเขต จังหวัดฉะเชิงเทรา ผ่านอำเภอบ้านบึง และอำเภอบ่อทอง จังหวัดชลบุรี ไปจนถึง อำเภอแกลง จังหวัดระยอง และอำเภอท่าใหม่ จังหวัดจันทบุรี
         (6) บริเวณอำเภอทับสะแก บางสะพาน และบางสะพานน้อย จังหวัดประจวบคีรีขันธ์ ต่อเนื่องไปถึง อำเภอประทิว และอำเภอท่าแซะ จังหวัดชุมพร
         (7) บริเวณอำเภอสุคิริน แว้ง และระแอะ จังหวัดนราธิวาส และบริเวณตอนใต้ของ จังหวัดยะลา
         (8) บริเวณอำเภอสังขละบุรี ทองผาภูมิ และไทรโยค จังหวัดกาญจนบุรี และ
         (9) บริเวณอำเภอเมือง อำเภอวังโป่ง และหล่มสัก จังหวัดเพชรบูรณ์ อำเภอทับคล้อ จังหวัดพิจิตร อำเภอท่าตะโก จังหวัดนครสวรรค์ อำเภอโคกสำโรง และอำเภอบ้านหมี่ จังหวัดลพบุรี”

แหล่งทองในประเทศที่มีการทำเหมือง 
     ปัจจุบันในประเทศมีการทำเหมืองทอง อยู่ 2 เหมือง ในแหล่งทองชาตรี จังหวัดพิจิตร และแหล่งทองภูทับฟ้า จังหวัดเลย

แหล่งทองชาตรี
    
 แหล่งทองชาตรี เป็นแหล่งแร่ทอง – เงิน ตั้งอยู่ในเขต ตำบลเขาเจ็ดลูก อำเภอทับคล้อ จังหวัดพิจิตร  บริษัทอัคราไมนิ่ง จำกัด เป็นบริษัทที่ได้รับสัมประทานการทำเหมือง ในปี พ.ศ. 2544
     แหล่งทองชาตรีเป็นแหล่งประฐมภูมิ แร่ทองเกิดร่วมกับเงิน แบบอิเลคตรัม ในสายแร่ควอตซ์ และคาร์บอเนต ที่เกิดตัดเขาไปในหินภูเขาไฟ และหินชิ้นภูเขาไฟ ปริมาณเฉลี่ย ของแร่ทอง คือ  2.6 กรัม และเงิน 13.3 กรัม ต่อหินที่มีแร่ 1 ตัน

แหล่งทองภูทับฟ้า
     
แหล่งทองภูทับฟ้า ตั้งอยู่ที่ตำบลเขาหลวง อำเภอวังสะพุง จังหวัดเลย บริษัททุ่งคำ จำกัด เป็นบริษัทที่ได้รับสัมประทานการทำเหมือง และเริ่มดำเนินการ ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2549
     แหล่งทองในภูทับฟ้า เป็นแหล่งแร่ปฐมภูมิ โดยที่แร่ทองเกิดร่วมกับแร่เหล็กที่เกิดอยู่ในหิน  หินที่มีแร่ทองคำปน ประเมินว่า มีอยู่ประมาณ 1 ล้านตัน และทองคำมีค่าความสมบูรณ์ ประมาณ ทองคำ 5 ตัน ต่อหิน 1 ตัน ทำให้มีการประเมินว่า ในแหล่งทองภูทับฟ้า จะมีทอง ประมาณ 5 ตัน

     แหล่งทองทั้งสองแหล่ง ทำเหมืองแบบเหมืองเปิดโดยตักหินที่มีทองปนไปบดให้ละเลียด และแยกทองออกโดยกระบวนการที่ใช้สารละลายไซยาไนต์ ในการละลายทองออกจากหินที่บดจะนำไปแช่ในสารละลายไซยาไนต์ ต่อจากนั้นจะใช้ถ่านกัมมันต์  ทองคำ และเงินจะถูกดูดซับอยู่ที่ผิวถ่านกัมมันต์  หลังจากนั้นจะนำผงถ่านที่มีทอง หรือ ทองและเงินไปล้าง เผา เพื่อแยกโลหะออกมา

                       

 การเกิดและสำรวจแร่ทองคำ

 

1. ต้นกำเนิดแร่ทองคำ

เมื่อพูดถึง “ทองคำ” เกือบทุกคนจะนึกถึงความเป็นโลหะที่มีคุณค่าสีเหลืองทองมันวาว ความเป็นเครื่องประดับราคาสูง และความเป็นเงินตราสำรองใช้ในภาวะฉุกเฉิน น้อยคนจะนึกถึงที่มาที่ไปของทองคำ ฉะนั้นในหัวข้อนี้จะอธิบายถึงต้น กำเนิดของทองคำตามหลักวิชาการที่นักธรณีวิทยาได้ยอมรับกัน

ในทางธรณีวิทยา ทองคำก็เหมือนกับน้ำมันที่เป็นผลผลิตสุดท้ายจากหลายๆ กระบวนการของธรณีวิทยา (series of geological events)แต่ขั้นตอนการเกิดทองคำจะมีความซับซ้อนกว่า เนื่องมาจากแหล่งแร่ที่ให้ทองคำมีมากมายหลายแบบ (ดูรูปที่ 1) แต่สามารถจัดกลุ่มใหญ่ๆ ได้ 3 แบบ ขึ้นอยู่กับกระบวนการเริ่มต้นที่สามารถทำให้ทองคำมาสะสมได้ (pre-concentration)

• แบบแรก ทองคำมาสะสมด้วยการช่วยของหินหนืด (magma) นักธรณีวิทยาเรียกแบบนี้ว่า “magmatic stages” 
• แบบสอง ทองคำมาสะสมด้วยการช่วยของกระบวนการแปรสภาพ (metamorphic stages)
• แบบสาม ทองคำมาสะสมด้วยการช่วยของกระบวนการสะสมตัวของหินตะกอนเก่า นักธรณีวิทยาเรียกแบบนี้ว่า “paleoplacer models”

รูปที่ 1 กราฟิกแสดงตำแหน่งแหล่งแร่ที่ให้ทองคำ ตำแหน่งภาพแสดงตามความลึกจากผิวโลก (modified from Dube et al., 2007)

ในบทความนี้จะเน้นไปที่ทองคำที่เกี่ยวข้องกับหินหนืด เนื่องจากเป็นต้นกำเนิดทองคำในแถบภูมิภาคบ้านเรา ใครสนใจอยากรู้เกี่ยวกับการเกิดทองคำแบบที่สองและสามให้หา papers ของ Goldfarb et al (2005) และ Frimmel et al (2005) มาอ่านนะครับ

ทองคำที่เกี่ยวกับหินหนืดส่วนใหญ่เกิดอยู่ในสภาวะทางธรณีวิทยาแบบ “convergent margins” เช่น วงแหวนภูเขาไฟรอบมหาสมุทรแปซิฟิก (Pacific Ring of Fire) หรือแบบ “paleo-convergent settings” เช่น ชั้นหินแนวเลย-เพชรบูรณ์ชั้นหินแนวทุ่งสงในประเทศลาว ทั้งสองสภาวะเกี่ยวข้องกับการมุดตัวของแผ่นเปลือกโลกลงใต้ของแผ่นเปลือกโลกอีกแผ่น (ดูรูปที่ 2) ซึ่งในกระบวนการนี้จะทำให้เกิดหินหนืด (arc magmas) ขึ้นมาและทำให้มีการสะสมตัวเริ่มต้นของทองคำ โดยมีขั้นตอนตามข้างล่างนี้

ทองคำดั้งเดิมมาจากเปลือกโลกมหาสมุทรกับตะกอนที่ปกคลุมอยู่ด้านบน เมื่อเปลือกโลกมุดตัวมีขั้นตอนสองแบบที่ทำให้ได้หินหนืด 1. slab dehydration และ 2. slab melting (จะไม่ลงรายละเอียดเกี่ยวกับสองกระบวนการนี้) เนื่องด้วยความร้อนและความเป็นอ๊อกซิเดชันของหินหนืดจากสองกระบวนการนี้ จะสามารถทำให้ทองคำเข้ามาละลายอยู่ในหินหนืดด้วย

เมื่อหินหนืดเหล่านั้นเคลื่อนที่ไปในระดับที่สูงขึ้นในเปลือกโลกที่เรียกว่า “asthenospheric mantle” ก็จะมีการดึงหรือแตกตัวของกลุ่มโละแบบไซเดอร์โรไฟล์ (siderophile; ทองคำอยู่ในกลุ่มนี้) และแบบคาลโคไฟล์ (chalcophile; ทองแดงอยู่ในกลุ่มนี้) ออกมาจากแร่ซัลไฟด์ที่อยู่ใน asthenospheric mantle ด้วยกระบวนการอ๊อกซิเดชัน ยิ่งเกิดการอ๊อกซิเดชันได้มากก็ยิ่งไปทำให้แร่ซัลไฟล์แตกตัวได้มาก และยิ่งถ้าหินหนืดดั้งเดิมมีความเป็นอ๊อกซิเดชันที่สูง ก็จะยิ่งเร่งทำให้เกิดการแตกตัวนำพาให้ทองละลายไปอยู่กับหินหนืดที่ผ่านกระบวนการแปรสภาพแบบแทนที่ของชั้นแมนเทิล (mantle metasomatism) และคอยที่จะขึ้นไปสู่ชั้น lithosphere และ crust ต่อไป

จริงๆ กระบวนการจะค่อนข้างซับซ้อนกว่านี้ แต่สรุปมาให้ว่า ทองคำตั้งต้นมาได้อย่างไร

รูปที่ 2 กราฟิกแสดงโครงสร้างและกระบวนแปรสภาพของหินตามอุณหภูมิและความลึกภายในแผ่นเปลือกโลกที่มีการมุดตัวใต้แนวภูเขาไฟกลางมหาสมุทร (from Richards et al., 2011)

2. กระบวนการเกิดทองคำ

ในตอนนี้เราก็ได้หินหนืดที่มีทองคำละลายอยู่ กระบวนการที่จะทำให้ทองคำแยกตัวออกมาจากหินหนืด เราเรียกว่า “magmatic-hydrothermal stage” ในขั้นนี้จะเกิดการแยกตัว (exsolution) ได้เป็นสารละลายน้ำร้อน (hydrothermal fluids) ขึ้นมา โดยสรุปได้ตามข้างล่างนี้

หินหนืดจะขึ้นไปข้างบนไปอยู่ในเปลือกโลกระดับตื้น (mid-to upper-crust) ซึ่งบริเวณนี้พวกความดันและอุณหภูมิก็จะลดลง ทำให้เกิดกระบวนการแยกตัวที่เรียกว่า exsolution โดยจะเป็นการแยกตัวทำให้ได้ 2 สถานะ หรือมากกว่านั้น

โดยปรกติก็จะเป็นการแยกตัวของพวกสารละลายของน้ำ (aqueous fluids) ออกมาจากหินหนืดที่มีน้ำแทรกอยู่ (hydrous magmas) มีการศึกษากันว่าขั้นตอนนี้จะเกิดอยู่ที่ความลึก 5-10 กิโลเมตรในส่วนฐานของหินอัคนีมวลไพศาล (batholithic roots) เนื้อหิน (texture) ที่จะบอกได้ว่ามีขั้นตอน magmatic-hydrothemal transition นี้เกิดขึ้นก็คือเนื้อหินแบบมีช่องว่าง (miarolitic cavities) กับเนื้อหินที่แสดงการเติบโตของผลึกในทิศทางเดียวกัน (unidirectional solidification textures หรือ UST’s)

เมื่อได้สารละลายน้ำร้อนซึ่งมีทองคำละลายอยู่ด้วย ก็จะมีการเคลื่อนที่ไปตามช่องว่างภายในหินจนถึงชั้นเปลือกโลกระดับตื้น (shallow crust) ที่ความลึกน้อยกว่า 5 กิโลเมตร ในระหว่างที่เคลื่อนย้ายไปก็ทำปฏิกิริยากับหินข้างเคียงไปด้วย ทำให้ได้เขตการแปรเปลี่ยนต่างๆ ขึ้นมา ส่วนจะได้เขตแปรเปลี่ยนแบบไหนก็ขึ้นอยู่กับสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของหินข้างเคียงและของสารละลายน้ำร้อนด้วย ดังเช่น รูปที่ 3 เป็นรูปเขตการแปรเปลี่ยนที่เกิดกับแหล่งแร่ทองคำแบบพอร์ไพรีและแบบน้ำแร่ร้อนอุณหภูมิต่ำ จนสุดท้ายสารละลายน้ำร้อนก็จะเกิดการสะสมในโครงสร้างปกปิด (trap) ขึ้นมา

จุดที่มีการสะสมตัวนี้พวกโครงสร้างในเปลือกโลกจะมีส่วนช่วยพอสมควร และเมื่อมีสัดส่วนอุณหภูมิและสถานะทางเคมี (thermo-chemical gradients) ที่เหมาะสม เช่น redox, pH, fluid activity (boiling, mixing, cooling) ที่พร้อม ก็จะเกิดการลดความดัน ลดอุณหภูมิ ทำให้ทองคำหรือโลหะอื่นๆ ที่ละลายอยู่ในสารละลายน้ำร้อนนั้น มีการตกสะสมตัว (precipitate) ที่จุดที่โดนกักเก็บกลายเป็นแหล่งแร่ทองคำ

สรุปได้ว่ากว่าจะได้แหล่งแร่ทองคำขึ้นมามีหลายขั้นตอนและหลายสภาพปัจจัยมากๆ

รูปที่ 3 กราฟิกแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระบบความร้อนใต้พิภพและมวลหินแกรนิตใต้พื้นโลก กับการสะสมตัวของแหล่งแร่ (from John et al., 2010)

3. ประเภทของแหล่งแร่ทองคำ

แหล่งแร่ทองคำมีหลายแบบมากมายมาก น่าจะมากที่สุดในบรรดาแร่โลหะด้วยกัน โดยแบ่งง่ายๆ ได้ 3 แบบใหญ่ๆ ตามกระบวนการที่ทำให้ทองคำมาสะสมได้ (ดูรูปที่ 1)

3.1 แหล่งแร่ทองคำที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสายแร่น้ำร้อนจากหินหนืด (Magmatic-hydrothermal processes) กลุ่มนี้เราจะคุ้นเคยกันที่สุดและมีรูปแบบ (model) การเกิดที่ค่อนข้างเข้าใจกันดี แหล่งแร่ทองคำในกลุ่มนี้จะมี

• แหล่งแร่ที่เกิดกับน้ำแร่ร้อนอุณหภูมิต่ำ (epithermal deposit)
• แหล่งแร่พอร์ไพรี (porphyry deposit)
• แหล่งแร่สการ์น (skarn deposit)
• แหล่งแร่เหล็กออกไซด์-ทองแดง-ทอง (iron oxide-copper-gold deposit หรือ IOCG)
• แหล่งแร่การแทรกซอนของหินอัคนี (intrusion-related gold deposit)

ในเมืองไทยเท่าที่ทราบจะมีเหมืองทองแบบพวกแหล่งแร่ที่เกิดกับน้ำแร่ร้อนอุณหภูมิต่ำ เช่นที่ เหมืองทองชาตรี จังหวัดพิจิตร กับแหล่งแร่สการ์น เช่นที่ เหมืองภูทับฟ้า จังหวัดเลย และแหล่งแร่พอร์ไพรีผสมกับแหล่งแร่สการ์น เช่นที่ภูเทพ จังหวัดเลย แหล่งแร่ IOCG กับ intrusion-related gold จะพบเจอที่เพื่อนบ้านเรามากกว่า

3.2 แหล่งแร่ทองคำที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการแปรสภาพ หินหนืด และการเปลี่ยนแปลงในชั้นแมนเทิล รูปแบบการเกิดแหล่งแร่ในกลุ่มนี้ยังถกเถียงกันอยู่ แต่ยอมรับกันกว้างๆ ว่า กระบวนการจากการแปรสภาพ (metamorphic process) กระบวนการจากหินหนืด (magmatic process) และกระบวนการเปลี่ยนแปลงในชั้นแมนเทิล (mantle process) หรือไม่ก็รวมทั้ง 3 อย่างนี้ร่วมกัน ทำให้เกิดแหล่งแร่ทองคำขึ้นมาได้ แหล่งแร่ในกลุ่มนี้จะมี

• แหล่งแร่ทองคำในเขตแนวเทือกเขา (orogenic gold deposit)
• แหล่งแร่ทองคำที่เกิดในหินตะกอนระดับตื้น (sediment-hosted gold หรือ carlin-type gold deposit)
• แหล่งแร่ทองคำที่เกิดแบบ volcanic massive sulphide (gold-rich VMS deposit)

ในเมืองไทยเข้าใจว่ามีแหล่งแร่ทองคำแบบ orogenic กับ sediment-hosted อยู่บ้าง เช่นที่ ห้วยคำออน อ.วังชิ้น จ.แพร่ กับลานกูน จ.สตูล แต่ว่ายังเป็นแหล่งที่มีโอกาสจากการประเมินเบื้องต้น (prospects) ถ้ามีการสำรวจ หรือได้ข้อมูลเพิ่มขึ้น อาจจะเข้าใจประเภทของแหล่งแร่ (style) ในบริเวณนี้มากขึ้นได้ แหล่งแร่ในกลุ่มนี้ในเพื่อนบ้านเราจะเจอค่อนข้างเยอะ

3.3 แหล่งแร่ทองคำที่เกิดจากลานแร่บรรพกาล (Paleoplacer gold deposit) กลุ่มนี้การเกิดก็ยังเถียงกันอยู่ไม่สิ้นสุด ส่วนใหญ่จะพบที่Witwatersrand Basin ที่ประเทศแอฟริกาใต้

4. ขั้นตอนการสำรวจทองคำ

ปรกติการสำรวจแหล่งแร่ทองหรือโลหะอื่นๆ จะมี 2 แบบ greenfield (สำรวจในพื้นที่ใหม่) กับ brownfield (สำรวจใน พื้นที่รอบเหมือง) แต่จะขอพูดถึง greenfield อย่างเดียวนะครับ แบบนี้ก็จะมี 5 ขั้นตอน (ดูรูปที่ 4) แต่ผมจะไม่เขียนลง รายละเอียดขั้นลึกเกี่ยวกับการแปลความหมายของผลสำรวจ อาจจะเขียนในบทความต่อไปถ้ามีโอกาส

รูปที่ 4 กราฟแสดงขั้นตอนการสำรวจทองคำและแร่โลหะ

ก่อนจะอธิบาย อยากให้เห็นภาพวงจร (ดูรูปที่ 5) ในธุรกิจการสำรวจแร่ก่อนว่ามีแค่ 1 % หรือน้อยกว่า 1 % ของการ สำรวจที่จะทำให้แปรสภาพมาเป็นเหมืองที่คุ้มค่ากับการลงทุน และการสำรวจแร่ก็นับได้ว่าเป็นขั้นตอนทาง วิทยาศาสตร์ด้วยเหมือนกัน โดยมีการตั้งคำถาม ความเป็นไปได้ มีการสังเกตเก็บรวบรวมข้อมูลเพื่อที่จะนำไปสู่การ testing ของคำถามหรือ ideas โดยมีเป้าหมายเพียงหนึ่งเดียวคือ หาแหล่งแร่ที่ทำกำไรให้เจอ

รูปที่ 5 ภาพวงจรธุรกิจการสำรวจแร่

4.1 การเลือกพื้นที่ (Area selection)

ขั้นนี้คิดว่ายากกสุด เพราะต้องรอบรู้จริง ขั้นนี้จะเกี่ยวกับการเลือกพื้นที่ในการสำรวจว่าจะไปสำรวจที่ไหน โดยจะมีการ ประเมิน (evaluation) ของข้อมูลทางธรณีวิทยา ธรณีฟิสิกส์ ธรณีเคมี และ remote sensing ยกตัวอย่างถ้าจะไป สำรวจหาทองคำ เราก็จะดูว่าแนวหิน (belts) ไหน มีวิวัฒนาการทางธรณีแปรสัณฐานและธรณีประวัติอย่างไร เหมาะที่ จะมีแหล่งทองแบบที่เราต้องการหาหรือไม่ และที่สำคัญเลย คือ ศักยภาพทองคำ (gold endowments) ในแนวหินนั้นๆ ว่ามีการเจอไปแล้วในปริมาณกี่ออนซ์ (ounces) เช่น ยิ่งมีออนซ์มากเท่าไรก็ยิ่งน่าเข้าไปลงทุนสำรวจ เพราะโอกาสเจอ จะเพิ่มขึ้นไปด้วย เช่นที่ ปาปัวนิวกีนี อเมริกาใต้ ออสเตรเลียตะวันตก หรือที่รัฐเนวาดา สหรัฐอเมริกา แต่ถ้าแนวหิน นั้นปริมาณออนซ์ของทองคำน้อยหรือยังไม่มีการเจอเลย แต่มีสภาพปัจจัยทางธรณีวิทยาที่เหมาะสม ก็น่าจะเข้าไป เสี่ยงลงทุนสำรวจ พื้นที่พวกนี้จะเรียกว่า new frontiers หรือ emerging belts

4.2 การระบุพื้นที่เป้าหมาย (Target identification)

พอได้พื้นที่มาแล้ว ก็จะเป็นขั้นตอนที่จะดูว่า พื้นที่ที่เลือกมาแล้วมีทองเกิดขึ้นมาหรือเปล่า ก็จะใช้อยู่ 3 วิธีหลักๆ คือ การทำแผนที่ธรณีวิทยา การสำรวจธรณีเคมี และการสำรวจธรณีฟิสิกส์ ขั้นนี้จะทำให้มีพื้นที่ที่มีศักยภาพ (prospects) เกิดขึ้นมามากมายในพื้นที่นั้นๆ หลังจากใช้ 3 วิธีหลักที่บอกไปแล้ว ก็จะต้องมีการจัดลำดับ (ranking) ของพื้นที่ ศักยภาพกันว่าอันไหนดีสุด อันไหนน่าจะเจอทองมากที่สุดโดยยึดข้อมูลจาก 3 วิธีหลัก โดยเป้าหมายสูงสุดในขั้นนี้คือ การทำให้เกิดความเข้าใจถึงลักษณะทางธรณีวิทยาให้ได้มากที่สุด และการสร้าง conceptual models ออกมา เพื่อจะนำไปสู่การ testing ในขั้นต่อไป

4.3 การตรวจสอบพื้นที่เป้าหมาย (Target testing)

เมื่อผ่านการจัดลำดับพื้นที่ศักยภาพแล้ว เราก็จะเลือกพื้นที่ศักยภาพที่เจ๋งสุดมา ตรวจสอบหาทองกันว่าจะมีมากหรือเปล่าและมีลักษณะของการเกิดทองเป็นอย่างไร ขั้นนี้จะเกี่ยวกับการเจาะสำรวจใต้ดิน (drilling) เป็นส่วนใหญ่

4.4 การตรวจสอบอย่างละเอียด (Resource delineation)

ถ้าพื้นที่ศักยภาพที่เราตรวจสอบผ่านมาถึงขั้นนี้ได้ก็แสดงว่า เราได้พบเจอแหล่งทองคำที่น่าจะทำเหมืองได้ แต่ต้องมีการเจาะสำรวจเพิ่มขึ้น เพื่อที่จะดูขนาดและ คุณภาพ (grade) ของแหล่งที่เจอ แล้วก็ประเมินการแยกแร่ทองคำออกจากแร่โลหะอื่นๆ (metallurgy) ด้วยว่าจะได้ค่า recovery ออกมาเท่าไร

4.5 การประเมินศักยภาพของแหล่ง (Resource evaluation)

ขั้นนี้จะไม่ค่อยเกี่ยวกับนักธรณีวิทยาสำรวจ (exploration geologist) ละ แหล่งแร่ที่หลุดมาถึงขั้นนี้ได้ก็เตรียมนับเงินกันได้เลยย แต่ก็จะต้องมีการศึกษาแบบละเอียดอีกว่า คุ้มค่ากับการลงทุนหรือป่าว ขั้นนี้เราจะรู้จักกันในนามของ feasibility study จะเกี่ยวกับเจาะ infill drilling เพื่อดูขนาดและคุณภาพแร่ของแหล่งให้มั่นใจที่สุด การทำการแยกแร่ทองคำออกจากแร่โลหะอื่นๆ อย่างละเอียด (detailed metallurgy) เพื่อดู recovery, และมีการทำการวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจ (economic analysis) ด้วย

จากขั้นตอนที่ 1 ถึง 5 นี่ส่วนใหญ่จะใช้เวลามากกว่า 5 ปีขึ้นไป และส่วนใหญ่เลยผมว่า 1,000 พื้นที่ศึกยภาพจะมีหลุด แค่ 1-3 พื้นที่เท่านั้นที่จะมาถึงขั้นที่ 5 ได้ ส่วนใหญ่จะเป็นแบบศักยภาพทางเทคนิก (technical success) คือเจอแต่ไม่คุ้มค่าต่อการลงทุน (economic success) ฉะนั้นคำว่า technical success จะเป็นคำปลอบใจเยอะมากสำหรับนักธรณีวิทยาสำรวจ

ผู้เขียนจดบันทึกลักษณะแร่ที่พบระหว่างการสำรวจธรณีวิทยาภาคสนาม