การเกิดและสำรวจแหล่งแร่ทองคำ

การเกิดและสำรวจแหล่งแร่ทองคำ: ความรู้เบื้องต้นที่นักธรณีวิทยาควรรู้ โดย ดร.ธีระ คำวงษ์ นักธรณีวิทยาด้านการสำรวจแหล่งแร่เศรษฐกิจ บทความสรุปนี้กลั่นกรองมาจากประสบการณ์ของผู้เขียน และบางส่วนได้อ้างอิงมาจากวารสารต่างประเทศ โดยจะมี หัวข้อหลักๆ ตามนี้

1. ต้นกำเนิดแร่ทองคำ 2. กระบวนการเกิดทองคำ 3. ประเภทของแหล่งแร่ทองคำ 4. ขั้นตอนการสำรวจทองคำ

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”

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

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

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 ส่วนใหญ่จะพบที่ Witwatersrand 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

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

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

อ้างอิง

• Dubé, B., Gosselin, P. Mercier-Langevin, P., Hannington, M., and Galley, A., (2007) Gold-rich volcanogenic massive sulphide deposits, in Goodfellow, W.D., ed., Mineral Deposits of Canada: A Synthesis of Major Deposit-Types, District Metallogeny, the Evolution of Geological Provinces, and Exploration Methods: Geological Association of Canada, Mineral Deposits Division, Special Publication No. 5, p. 75‐94.
• Frimmel, HE., Groves, DI., Kirk, J., Ruiz, J., Chesley, J., Minter, WEL. (2005) The formation and preservation of the Witwatersrand goldfields, the largest gold province in the world In: Hedenquist JW, Thompson JFH, Goldfarb RJ, Richards JP (eds) Economic Geology One Hundredth Anniversary Volume. Society of Economic Geologists, Li`leton, pp 769-­797)
• Goldfarb, R.J., Baker, T., Dube, B., Groves, D.I., Hart, C.J.R., and Gosselin, P., (2005) Distribution, character and genesis of gold deposits in metamorphic terranes: 100th Anniversary Volume of Economic Geology, p. 407-450.
• John,D.A. (ed.) (2010). Porphyry Copper Deposit Model. Scientific Investigations Report 2010.5070.B, U.S. Department of the Interior/U.S. Geological Survey, 186p.
• Richards, JP., (2011): Magmatic to hydrothermal metal fluxes in convergent and collided margins. Ore Geology Reviews, 40, 1-26