GEOKIMIA PANAS BUMINiniek Rina HerdianitaKK Geologi TerapanProgram Studi Sarjana dan Magister Teknik GeologiProgram Studi Magister Teknik Panas BumiInstitut Teknologi Bandung

Geokimia Panas BumiPendahuluanGeokimia Air Panas BumiGeokimia Gas Panas BumiEstimasi Karakteristik Fluida Reservoir

PendahuluanGeokimia Panas Bumi/Geotermal mempelajari komposisi fluida panas bumi (air dan uap) dan proses-proses yang mempengaruhinya untuk mengetahui kondisi dan karakteristik fluida reservoir.

AsumsiSistem geotermal adalah sistem hidrotermal terbuka dan air yang didominasi oleh air meteorik merupakan media pembawa panas.

Karakteristik Air (H2O)

Systematic namewaterAlternative namesaqua, dihydrogen monoxide, hydrogen hydroxideMolecular formulaH2OMolar mass18.0153 g/molDensity and phase1.000 g/cm3, liquid 0.917 g/cm3, solidMelting point0C (273.15 K) (32F)Boiling point100C (373.15 K) (212F)Specific heat capacity (liquid)4184 J/(kg.K)

Densitas H2O vs Temperatur

pH H2O

pH H2O vs TemperaturpH adalah fungsi dari Konstanta Disosiasi Air (KwH2O)H2O H+ + OH-KwH2O = [H+][OH-]-log KwH2O = -log [H+] + [ log [OH-]] pKwH2O = pH + pOH

Kw adalah fungsi dari temperatur:KwH2O (25oC) = 10-14 pKwH2O = 14KwH2O (100oC) = 10-12 pKwH2O = 12KwH2O (250oC) = 10-11 pKwH2O = 11

Solubilitas Air

Diagram Fasa H2O

Boiling pointVaporizationCondensation(solid)(liquid)(gas)

Boiling = MendidihTerjadi di bagian atas, yaitu pada kedalaman < 2 kmTerjadi pemisahan 2 fasa fluida, yaitu air dan uapUnsur non-volatil (Cl, SiO2) tinggal di airUnsur volatil/gas (CO2, H2) berada pada fasa uapPemisahan 2 fasa fluida mengakibatkan terbentuknya:Entalpi liquid (Hliq)Entalpi uap (Hvap)Manifestasi panas bumi di permukaan memberikan gambaran tentang kondisi/proses bawah permukaan

Entalpi (H) = Panas Tersimpan

Tekanan vs Boiling Point

Boiling Point Depth (BPD)Tekanan vs titik didih (boiling point) air

Tekanan air (P) sebagai fungsi dari kedalaman (h):PHidrostatik = 0,1897 h0,8719 PHidrodinamik = 0,2087 h0,8719 = 1.1 PHidrostatik

290oC1000 m

Geokimia Panas BumiPendahuluanGeokimia Air Panas BumiGeokimia Gas anas BumiEstimasi Karakteristik Fluida Reservoir

Unsur-unsur Kimia FluidaTerdiri dari unsur-unsur terlarut berupa:Anion: Cl-, HCO3-, SO4-2, NH4-, F-, I-, Br-Kation: Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Rb+, Cs+, Li+, Mn+2, Fe+2, Al+3, ion-ion AsSpesies netral: SiO2, B, CO2, H2S, NH3SiO2 hadir sebagai silika total dan ekuivalen dengan konsentrasi H4SiO4CO2 terlarut adalah ekuivalen terhadap konsentrasi H2CO3Karbonat total adalah jumlah dari semua spesies karbonat (CO2 = H2CO3 + HCO3- + CO3-2)B adalah boron total (B = H3BO3 + H2BO3- + HBO3-2 + B+)As adalah arsenik total yang hadir dalam berbagai muatan ionAmonia adalah sebagai amonia (NH3) atau amonium (NH4-)

Unsur-unsur Kimia FluidaBerasal dari interaksi antara batuan dan fluida (+ proses magmatik), terdiri dari:

Unsur-unsur pembentuk batuanSolubilitasnya dipengaruhi oleh kesetimbangan antara mineral dan airmis. kation Na, K, Ca, Mg, Rb, Cs, Mn, Fe dan Al

Unsur-unsur terlarutLebih banyak berada di larutan dibanding dalam mineralTidak mudah bereaksi = unsur konservatifmis. Cl, B, Li dan Br

Unsur-unsur Kimia FluidaDipengaruhi oleh:Asal airPenambahan unsur volatil magmatikCl sebagai HCl, C sebagai CO2, S sebagai SO2Kenampakan isotop Helium (3He/4He)Kesetimbangan fluida-mineralMineral (jenis batuan)SuhuDominasi batuanProsesBoilingMixing (dilution)

Asal Fluida

Air Klorida (Cl)Menunjukkan air reservoirMengandung 0,1 hingga 1,0 wt.% ClPerbandingan Cl/SO4 umumnya tinggiMengandung kation utama : Na, K, Ca dan MgBerasosiasi dengan gas CO2 dan H2SpH sekitar netral, dapat sedikit asam dan basa tergantung CO2 terlarutSangat jernih, warna biru pada mataair naturalKaya SiO2 dan sering terdapat HCO3-Terbentuk endapan permukaan sinter silika (SiO2)

Air Sulfat (SO4)Terbentuk di bagian paling dangkal sistem geotermalAkibat kondensasi uap air ke dalam air permukaan (steam heated water)SO4 tinggi (mencapai 1000 ppm) akibat oksidasi H2S di zona oksidasi dan menghasilkan H2SO4 (H2S + O2 = H2SO4)Mengandung beberapa ppm ClBersifat asamDitunjukkan dengan kenampakan kolam lumpur dan pelarutan batuan sekitarTidak dapat digunakan sebagai geotermometerDi lingkungan gunung api : air asam SO4-Cl terbentuk akibat kondensasi unsur volatil magmatik menjadi fasa cair

Air Cl dan SO4

Air Cl dan SO4Ta: Taal Ku: Kusatsu Shirane Kb: Kaba Tin, Tam: Kelimutu Ij: Ijen Po: Poas Ma: Maly Semiachik Pu: Kawah Putih Dem: Dempo Sv: Soufrire St.Vincent Qu: Quilotoa Kel: Kelud Sa: Segara Anak Ny, Mo: Nyos, Monoun

The discharge of magmatic gases (SO2 , H2S, HCl and HF) into a crater lake frequently lead to highly acidic sulfate-chloride waters. The lakes are too acidic to convert and store CO2 gas as bicarbonate ions (HCO3-).

Air Bikarbonat (HCO3)Terbentuk pada daerah pinggir dan dangkal sistem geotermalAkibat adsorbsi gas CO2 dan kondensasi uap air ke dalam air tanah (steam heated water)Anion utama HCO3 dan kation utama adalah NaRendah Cl dan SO4 bervariasiDi bawah muka air tanah bersifat asam lemah, tetapi dapat bersifat basa oleh hilangnya CO2 terlarut di permukaanDi permukaan dapat membentuk endapan sinter travertin (CaCO3)

Air MeteorikAir tanah mengandung Ca, Mg, Na, K, SO4, HCO3 dan Cl, dan dapat mengandung Fe, SiO2 dan AlAir tanah dapat mengandung gas terlarut O2 dan N2Air sungai mempunyai anion utama HCO3 dan kation utama adalah CaAir hujan mempunyai anion utama Cl dan kation utama NaKandungan kimia air tanah sangat dipengaruhi oleh batuan dasarnya.Komposisi isotop stabil mengikuti Meteoric Water Line (MWL)

Air AsinTerbentuk dengan berbagai cara (mis. pelarutan sekuen endapan evaporit, terperangkap pada cekungan sedimentasi/air formasi, dll)Merupakan larutan yang berkonsentrasi tinggipH menunjukkan asam lemahUnsur utama adalah Cl (10.000 hingga lebih dari 100.000 ppm)Konsentrasi Na (kation utama), K dan Ca tinggiDensitas tinggi, sehingga tidak muncul di permukaan

Tipe air apakah sampel ini?

Kisaran pHAnion UtamaAir tanah6 - 7.5jejak HCO3-Air klorida (Cl)4 - 9Cl, jejak HCO3-Air klorida-bikarbonat (Cl-HCO3)7 - 8.5Cl, HCO3-Air bikarbonat (HCO3)5 - 7HCO3-Air asam sulfat (SO4)1 - 3SO42-, jejak ClAir asam sulfat-klorida (SO4-Cl)1 - 5SO42-, Cl

Tipe air apakah yang hadirpada manifestasi ini?

Artists Palette, Waiotapu, New Zealand

Yellowstone National Park, USAPohutu Geyser, Rotorua

Champagne Pool, NZ

Travertin Stone, Pamukale, Turkey

Papandayan, Jawa Barat

Waimangu, New ZealandCl waterSO4 water

Geokimia Panas BumiPendahuluanGeokimia Air Panas BumiGeokimia Gas Panas BumiEstimasi Karakteristik Fluida Reservoir

Gas-gas Panas BumiGas dalam sistem panas bumi hadir sebagai:Uap (H2O)Non condensible gases (gas-gas yang tidak mudah terkondensasi) atau gas reaktif: CO2, H2S, NH3, H2, N2, CH4) kondisi bawah permukaanGas-gas inert atau konservatif: gas-gas mulia, hidrokarbon selain metana) sumber gasKonsentrasi gas bersama rasio gas/uap dan uap/air dapat memberikan informasi mengenai kondisi bawah permukaan dan perilaku reservoir.

Keluaran GasFumarolKaipohanSolfatara : Fumarol dengan SO2 dan/atau H2SDaerah steam discharge yang mengandung steaming ground dan fumarolSteaming groundHot pools

Steaming ground @ Cibuni, Rancabali-Bandung

Steam vent @ Cibuni, Rancabali-Bandung

Grand Prismatic Hot Spring @ Yellowstone National Park

Warm ground with (organic) gas discharge @ Cipanas, Palimanan - Cirebon

CO2Gas terbanyak pada sistem panasbumi (~ 95 wt.% atau vol.%)Hadir 0.2 - 4% vol/vol dalam udara tanahTerbentuk dari :MagmatikLarut dalam air meteorikAlterasi termal batuan/mineral karbonatDegradasi material organik pada batuan sedimenMengontrol kimia air, densitas, pH, BPD, alterasi batuan, dan pengendapan mineral sekunder dan skaling.

H2S2 hingga 3 kali lebih mudah terlarut dibanding CO2Merupakan gas reaktif dan akan hilang oleh interaksi dengan batuan sekitar membentuk sulfida besi.Terbentuk dari :MagmatikAlterasi termal batuan reservoirRasio CO2/H2S dapat menunjukkan pola aliran fluida dan proses boiling.

NH3Gas panas bumi yang paling mudah larut.

Terbentuk dari alterasi material organik pada batuan sedimen.

Gas reaktif dan akan hilang oleh interaksi dengan batuan sekitar, terserap dalam mineral lempung, atau larut dalam kondensasi uap.

Volatil Logam dan Non LogamArsen (As)Kandungannya tinggi pada sistem entalpi sangat tinggi.Mudah hilang oleh proses kondensasi uap dan mixing dengan air tanah.Boron (B)Terkonsentrasi pada fasa liquid, tetapi dapat ditranspor sebagai uap.Mudah larut dalam uap kondensat atau air steam heated.Merkuri (Hg)Kandungan Hg pada steam discharge dipengaruhi oleh kandungan Hgvapour dan gas HgS.Hgvapour akan berkurang dengan meningkatnya konsentrasi H2S.Asosiasi: sulfida, oksida, material organik dan unsur logamTritium (3H)Kandungannya berkurang dengan peningkatan residence times.

Komposisi Gas atau UapTemparatur dan tekanan reservoirKandungan gas pada fluida reservoirSolubilitas gas pada fasa liquidKoefisien distribusi massa gas dalam fasa uap dan liquid (Bgas=cvapour/cliquid)Reaksi yang terjadi saat naik ke permukaan:BoilingKondensasiOksidasiInteraksi batuan/mineral)

Solubilitas Gas(least soluble) N2

Kimia Keluaran Gas Geotermal

Geokimia Panas BumiPendahuluanGeokimia Air Panas BumiGeokimia Gas Panas BumiEstimasi Karakteristik Fluida Reservoir

Estimasi karakteristik reservoirTemperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.

pH fluida, yaitu dengan menggunakan dasar kesetimbangan reaksi tertentu.

Komposisi fluida, yaitu dengan mempertimbangkan terbentuknya fraksi uap (y) dan fraksi air (x) saat boiling terjadi.Temperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.

GeotermometerBerdasarkan variasi kandungan beberapa unsur dalam fluida panasbumi yang hadir sebagai fungsi dari temperaturUnsur : terlarut, gas, isotopData : mata air panas, data pemboran/sumurKesalahan : 5 hingga 10oCKelebihan entalpi dapat memberikan estimasi suhu reservoir yang lebih tinggiMengkombinasi beberapa perhitungan geotermometer

Geotermometer Unsur TerlarutBerdasarkan reaksi kesetimbangan kimia antara fluida dan mineralFluida panas bumi muncul ke permukaan dengan cepat (> 2 kg/sec)Tidak ada mixing dengan fluida lain. Bila terjadi, mixing harus dapat dihitungTidak ada steam atau gas yang hilangRe-ekuilibrium fluida-mineral pada kondisi dingin (di permukaan) berlangsung lambat, sehingga dapat diabaikan

Air Cl ber-pH netral

Geotermometer Unsur TerlarutGeotermometer Silika (SiO2)Geotermometer KuarsaGeotermometer KalsedonGeotermometer KristobalitGeotermometer Opal CTGeotermometer Silika AmorfGeotermometer K-NaGeotermometer K-MgGeotermometer K-Na-MgGeotermometer K-Na-CaGeotermometer Na-LiGeotermometer Silika (SiO2)Geotermometer Kuarsa

Geotermometer K-NaGeotermometer K-MgGeotermometer K-Na-Mg

Geotermometer SilikaFournier (1981, 1985)Reaksi dasar : SiO2 (s) + 2 H2O H2SiO4Berdasarkan solubilitas berbagai jenis silika yang berbeda di air sebagai fungsi dari temperatur

Geotermometer KuarsaTreservoir = 0 250C

Geotermometer kuarsaAdiabatik (max steam loss) : baik untuk data sumur dan mataair dengan kondisi boiling dan kecepatan aliran tinggi (> 2 kg/sec), disertai endapan sinter silika

Konduktif (no steam loss) : baik untuk data mataair dengan kondisi sub-boiling

Geotermometer Kuarsa

1.Kuarsa no steam loss 1309toC = -------------------- 273 5.19 log SiO2t = 0 250oC2.Kuarsa max steam loss 1522toC = -------------------- 273 5.75 log SiO2t = 0 250oC

Geotermometer K-NaFournier (1979), Giggenbach (1988)K+ + Na-feldspar K-feldspar + Na+ (albit) (adularia)Rasio Na/K berkurang dengan meningkatnya temperatur fluidatres > 180oC hingga 350oCtres < 100oC, rasio Na/K tidak lagi mengontrol kesetimbangan feldsparTidak dipengaruhi oleh pelarutan (dilution) dan hilangnya uap air

Geotermometer K-MgGiggenbach (1988)0.8K-mika + 0.2klorit + 0.4silika + 2K+ 2.8K-feldspar + 1.6H2O + Mg2+Dapat digunakan bila Na dan Ca terlarut dalam fluida dan dalam batuan tidak setimbangtres = 50 - 300oC

Geotermometer K-Na-MgGiggenbach (1988)K-Mg lebih cepat bereaksi, sehingga dapat digunakan untuk menafsirkan suhu reservoar yang lebih rendahK-Mg lebih sensitif terhadap mixing air asamBaik digunakan untuk sampel yang tidak baik

Geotermometer K-Na, K-Mg, K-Na-Mg

1.Na-K (Fournier) 1271toC = ------------------------- 273 log (Na/K) + 1.483t > 150oC

2.Na-K (Giggenbach) 1390toC = ------------------------- 273 log (Na/K) + 1.75t > 150oC

3.K-Mg 4410toC = ------------------------- 273 14.0 log (K2/Mg)t > 150oC

Geotermometer K-Na-Mg

Geotermometer lainGeotermometer GasGeotermometer Isotop

The choice and interpretation of geothermometer dataare the art of the geochemist.

Latihan 1Tabel di bawah menunjukkan hasil analisa kimia air panas mata air panas A pada tahun 1964 dan 1978. Kajilah, adakah perubahan yang ditunjukkan mata air panas ini (tipe air, temperatur, dsb) yang dapat mengindikasikan perubahan yang terjadi di bawah permukaan?

LokasitoCpHNaKCaMgClSO4HCO3SiO2mg/kgMataair A (1964)958,08205923,70,3213426218200Mataair A (1978)972,530215,73,59< 7865-350