หินอัคนี, หินตะกอน และหินแปร

หินทุกชนิดบนโลกจัดอยู่ในหนึ่งในสามตระกูลตามวิธีการก่อตัว: (1) หินอัคนี — ก่อตัวเมื่อหินหลอมเหลว (แมกมาใต้ดิน, ลาวาบนพื้นผิว) เย็นตัวและแข็งตัว หินอัคนีแทรกซอน (เช่น หินแกรนิต) เย็นตัวช้าๆ ใต้พื้นผิวโลก ทำให้เกิดผลึกขนาดใหญ่ หินอัคนีพุ (เช่น หินบะซอลต์) เย็นตัวอย่างรวดเร็วบนพื้นผิว ทำให้เกิดเนื้อละเอียดหรือเนื้อแก้ว (2) หินตะกอน — ก่อตัวจากตะกอนที่ถูกบีบอัดและเชื่อมกัน (ทราย, โคลน, เปลือกหอย, ซากพืช) ที่ตกตะกอนเป็นชั้นๆ ตลอดหลายล้านปี (3) หินแปร — หินที่มีอยู่เดิมที่ถูกเปลี่ยนแปลงโดยความร้อน, ความดัน, หรือของเหลวที่มีปฏิกิริยาเคมีอย่างรุนแรงลึกเข้าไปในเปลือกโลก โดยไม่ละลาย

วัฏจักรหินอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องของหินจากประเภทหนึ่งไปสู่อีกประเภทหนึ่งในช่วงเวลาทางธรณีวิทยา: แมกมาเย็นตัวกลายเป็นหินอัคนี → หินอัคนีผุพังและสึกกร่อนกลายเป็นตะกอน → ตะกอนถูกบีบอัดกลายเป็นหินตะกอน → หินตะกอนถูกฝังและได้รับความร้อน/ความดันกลายเป็นหินแปร → หินแปรถูกฝังลึกขึ้น ละลายกลับเป็นแมกมา และวัฏจักรก็เริ่มต้นใหม่ หินชนิดใดก็ได้สามารถเปลี่ยนแปลงเป็นประเภทอื่นได้หากมีเวลาเพียงพอและเงื่อนไขที่เหมาะสม วัฏจักรนี้ขับเคลื่อนโดยแผ่นเปลือกโลก (ซึ่งฝังและหลอมละลายหิน) และการกัดเซาะ (ซึ่งผุกร่อนพวกมันที่พื้นผิว)

ความแตกต่างอยู่ที่สถานที่และอัตราการเย็นตัวของแมกมา: หินอัคนีแทรกซอน (Plutonic) ก่อตัวเมื่อแมกมาเย็นตัวช้าๆ ใต้พื้นผิวโลก (ความลึก 1–50 กม., ตลอดหลายพันถึงหลายล้านปี) ทำให้ผลึกขนาดใหญ่ที่มองเห็นได้เติบโตขึ้น — หินแกรนิตเป็นตัวอย่างคลาสสิก โดยมีผลึกควอตซ์, เฟลด์สปาร์, และไมกาที่มองเห็นได้ง่าย หินอัคนีพุ (Volcanic) ก่อตัวเมื่อลาวาปะทุขึ้นสู่พื้นผิวและเย็นตัวอย่างรวดเร็วในอากาศหรือน้ำ — การเย็นตัวอย่างรวดเร็วป้องกันไม่ให้ผลึกขนาดใหญ่ก่อตัวขึ้น ทำให้เกิดหินเนื้อละเอียด (หินบะซอลต์) หรือแม้กระทั่งแก้ว (หินออบซิเดียน) องค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน แต่มีเนื้อสัมผัสที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

หินแปรชนิดมีริ้วขนาน (Foliated) มีลักษณะเป็นชั้นหรือเป็นแถบ ซึ่งเกิดจากการที่แร่ธาตุตกผลึกใหม่ภายใต้ความดันในทิศทางเดียว — แร่ธาตุที่เป็นแผ่นจะเรียงตัวตั้งฉากกับทิศทางของความดัน ตัวอย่าง: หินชนวน (ระดับต่ำ, ชั้นบาง), หินชีสต์ (ระดับปานกลาง, เกล็ดไมกาที่มองเห็นได้), และหินไนส์ (ระดับสูง, แถบเข้ม-อ่อนที่เห็นได้ชัด) หินแปรชนิดไม่มีริ้วขนาน (Non-foliated) ขาดลักษณะพื้นผิวตามทิศทางนี้ เนื่องจากพวกมันก่อตัวจากหินที่มีแร่ธาตุที่เป็นแผ่นน้อย หรือเนื่องจากความดันเท่ากันในทุกทิศทาง ตัวอย่าง: หินอ่อน (หินปูนตกผลึกใหม่กลายเป็นแคลไซต์) และหินควอตซ์ไซต์ (หินทรายตกผลึกใหม่กลายเป็นควอตซ์ที่เชื่อมต่อกัน) ความแตกต่างนี้มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจว่าหินก่อตัวลึกแค่ไหนในเปลือกโลก

หินไนส์ Acasta ในดินแดนตะวันตกเฉียงเหนือของแคนาดา มีอายุ 4.03 พันล้านปี — เป็นหนึ่งในหินที่โผล่พ้นพื้นผิวที่เก่าแก่ที่สุดที่ได้รับการยืนยัน เขตหิน Greenstone Nuvvuagittuq ในรัฐควิเบก มีอายุ 3.77–4.28 พันล้านปี (โดยนักวิจัยบางคนแย้งว่าอาจสูงกว่านั้น) โลกเองมีอายุ 4.543 พันล้านปี ดังนั้นหินเหล่านี้จึงก่อตัวขึ้นภายใน 300–500 ล้านปีแรกของการดำรงอยู่ของโลก ผลึกเซอร์คอนเดี่ยว (ผลึกแร่ขนาดเล็กภายในหิน) มีอายุเก่าแก่กว่านั้น: ผลึกเซอร์คอน Jack Hills ในออสเตรเลียมีอายุ 4.404 พันล้านปี — เป็นวัสดุโลกที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จัก ซึ่งเก็บหลักฐานทางเคมีของเปลือกโลกยุคแรกสุด

ถ่านหินเป็นหินตะกอนอินทรีย์ — วัสดุพืชโบราณที่ถูกบีบอัดและเปลี่ยนแปลงทางเคมี ส่วนใหญ่มาจากยุคคาร์บอนิเฟอรัส (358–299 ล้านปีก่อน) กระบวนการ: ป่าโบราณ (เฟิร์นยักษ์, ไลโคฟิต, และหญ้าหางม้า) ตายและสะสมตัวในหนองน้ำเขตร้อนที่ไม่มีอากาศ ทำให้การย่อยสลายโดยแบคทีเรียไม่สมบูรณ์เนื่องจากออกซิเจนจำกัด ตลอดหลายล้านปี การฝังกลบและความดันทำให้สสารพืชเปลี่ยนผ่านหลายระยะ: พีท (อินทรียวัตถุพืชที่ย่อยสลายบางส่วน, มีคาร์บอนประมาณ 55%) → ลิกไนต์/ถ่านหินสีน้ำตาล (มีคาร์บอนประมาณ 60–70%) → ถ่านหินบิทูมินัส (มีคาร์บอนประมาณ 80%) → แอนทราไซต์ (มีคาร์บอนประมาณ 95%, ถ่านหินที่แข็งที่สุด) ถ่านหินทุกชนิดมีคาร์บอนจากสิ่งมีชีวิตโบราณ — การเผาไหม้จะปล่อยคาร์บอนที่ถูกดึงออกจากชั้นบรรยากาศในช่วงยุคคาร์บอนิเฟอรัส

หินแปรเป็นหนึ่งในหินที่มีมูลค่าทางการค้ามากที่สุด: หินอ่อน — วัสดุก่อสร้าง, ประติมากรรม, พื้น, และเคาน์เตอร์ (ทัชมาฮาล, รูปปั้นเดวิดของไมเคิล แอนเจโล, วิหารพาร์เธนอน); หินชนวน — กระเบื้องมุงหลังคา, พื้น, กระดานดำ, แท่นโต๊ะบิลเลียด; หินควอตซ์ไซต์ — วัสดุก่อสร้าง, ฐานถนน, แหล่งซิลิกาสำหรับการผลิตซิลิคอน; หินชีสต์ — มีการใช้งานโดยตรงจำกัด แต่บ่อยครั้งมีแร่ธาตุมีค่า (แหล่งทองคำมักพบในชั้นหินชีสต์ — แหล่งทองคำ Witwatersrand ของแอฟริกาใต้เป็นแบบที่มีหินชีสต์เป็นฐาน); หินไนส์ — หินก่อสร้าง, วัสดุถม เขตหินแปรมักเป็นแหล่งแร่ที่มีความสำคัญทางเศรษฐกิจ เพราะความร้อนและของไหลที่รุนแรงซึ่งสร้างหินแปรก็ทำให้แร่ธาตุมีค่าเข้มข้นขึ้นด้วย