7_waktu geologi dan geokronologi

06. Waktu Geologi dan 06. Waktu Geologi dan GeokronologiGeokronologi

MFS 1810MFS 1810

SalahuddinSalahuddin HuseinHusein

Jurusan Teknik GeologiJurusan Teknik GeologiFakultas Teknik Universitas Gadjah MadaFakultas Teknik Universitas Gadjah Mada

20072007

shddin © 2007Pendahuluan• Konsep waktu (yang benar) ditemukan di Edinburgh pada dekade 1770-an

oleh sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh James Hutton.

• Mereka menantang konsep waktu konvensional yang telah ada di sepanjang sejarah hidup manusia, yang menyatakan bahwa unit waktu terukur adalah rentang hidup manusia dan bahwa umur planet Bumi hanya 6000 tahun (yang dihitung oleh Uskup Ussher berdasarkan kronologi alkitab).

• Hutton dan kawan-kawan telah mempelajari batuan di sepanjang pesisir Skotlandia dan menyimpulkan bahwa setiap formasi batuan, betapapun tua, adalah hasil erosi dari batuan lain, yang jauh lebih tua.

• Penemuan mereka memperlihatkan bahwa waktu terentang sangat jauhmelebihi manusia mampu bayangkan. Penemuan tersebut merubah carapandang manusia terhadap Bumi, planet, bintang, dan juga terhadap kehadiran manusia itu sendiri.

• Sesungguhnya, konsep waktu yang berdasarkan observasi formasi batuan tersebut berakar dari prinsip paling dasar dalam ilmu Geologi, yaitu prinsip keseragaman (uniformitarianisme), yang menjadi dasar Geologi modern.

shddin © 2007Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi • Pendapat paling dominan sebelum abad ke-18 dimiliki oleh kelompok gereja

berdasarkan kajian tekstual terhadap alkitab, mereka menyatakan umur Bumi tidak lebih tua dari 6.000 tahun. Penciptaan Bumi dan segala isinya dalam waktu sedemikian singkat dipercaya melibatkan proses katastropis. Pendapat ini lazim disebut sebagai teori penciptaan.

• Salah seorang ilmuwan pendukung teori penciptaan adalah Baron Georges Cuvier (1769-1832). Pengamatannya terhadap kumpulan fosil pada setiap lapisan batuan dianggapnya sebagai bukti adanya peristiwa bencana alam bersifat katastropis yang memusnahkan setiap makhluk hidup di setiap kurun waktu tertentu.

• Upaya ilmiah untuk menentukan umur Bumi telah dilakukan oleh beberapa ilmuwan. Georges Louis de Buffon (1707-1788) menyatakan Bumi mendingin perlahan-lahan dari suatu bola panas. Dengan membuat percobaan laboratorium dengan beberapa bola besi berbagai diameter dan dibiarkan dingin mengikuti temperatur kamar, de Buffon melakukan ekstrapolasi terhadap diameter Bumi sesungguhnya dan menentukan usia Bumi sekitar 75.000 tahun.

shddin © 2007Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi • Sekelompok ilmuwan lainnya pada paruh abad ke-18 menghitung kecepatan

pengendapan berbagai sedimen dan melakukan ekstrapolasi terhadapketebalan batuan sedimen yang diketahui saat itu, menghasilkan rerata umur Bumi sekitar 1 juta tahun.

• John Joly, seorang geolog Irlandia, pada abad ke-19 berasumsi bahwa air laut pada mulanya bersifat tawar namun kemudian menjadi asin akibat mineral garam yang dibawa oleh sungai. Dengan menghitung volume seluruh airlaut yang ada di Bumi, dia menentukan waktu 90 juta tahun untuk lautan mencapai kadar salinitas saat ini, yang kemudian dianggap sebagai umur Bumi.

• Pada tahun 1785, James Hutton (1726-1797), seorang geolog Skotlandia, berdasarkan studi detail terhadap singkapan batuan dan proses alam yang tengah berlangsung saat itu, mengemukakan prinsip keseragaman (uniformitarianisme). Konsep tersebut menyatakan proses geologi yang sama telah bekerja pula pada waktu lampau, dan Hutton menuliskannya sebagai “we find no vestige of a beginning, and no prospect of an end”. Keunggulan prinsip ini lah yang mengantarkan Hutton sebagai Bapak Geologi Modern.

shddin © 2007Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi • Pada tahun 1830, Charles Lyell, seorang murid James Hutton, menerbitkan

buku “Principles of Geology”. Konsep keseragaman menjadi diterima secara luas oleh kalangan ilmuwan dan usia Bumi yang sangat tua diterima oleh masyarakat. Kelak, buku tersebut juga sangat mempengaruhi teori evolusi yang dikembangkan oleh Charles Darwin pada tahun 1859.

• Lord Kelvin (1824-1907), seorang fisikawan Inggris yang sangat dihormati, pada tahun 1866 mengklaim telah mematahkan fondasi uniformitarianisme geologi. Beranjak dari asumsi umum bahwa Bumi berawal dari sebuah bola panas, Kelvin menghitung usia terbentuknya Bumi berdasarkan suhu leleh batuan, dimensi Bumi dan koefisien pendinginan. Dia menyatakan umur Bumi tidak mungkin lebih tua dari 100 juta tahun. Pendapat Kelvin membuat masyarakat ilmuwan terbelah, antara mendukung konsep Hutton ataumenerima kalkulasi Kelvin (yang tampak sangat logis).

• Pada akhirnya, kampanye Kelvin selama 40 tahun harus berakhir dengan ditemukannya unsur radioaktif di penghujung abad ke-19. Materi radioaktif dipercaya menjaga panas internal Bumi relatif konstan. Penemuan radioaktif tersebut sekaligus membuat para geolog menghitung umur batuan secara mutlak dan menemukan bahwa Bumi memang sangat tua!

shddin © 2007Pendekatan Waktu Geologi Para geolog menggunakan dua pendekatan berbeda untuk menentukan waktu geologi, yaitu:1. Penanggalan relatif (relative dating) yang menempatkan berbagai peristiwa

geologi dalam urutan kronologis berdasarkan posisinya dalam rekaman data geologi.

2. Penanggalan mutlak (absolute dating) menggunakan berbagai teknik dan hasilnya dinyatakan dalam angka tahun sebelum sekarang. Yang paling lazim adalah penanggalan radiometrik dengan menggunakan unsur-unsur radioaktif di dalam batuan.

shddin © 2007Penanggalan Relatif Sebelum berkembangnya teknik penanggalan radiometrik, para geologi tidak memiliki cara untuk menentukan umur mutlak dan hanya berpegang kepada metode penanggalan relatif.

Penanggalan relatif menempatkan berbagai proses geologi dalam urutan kronologis tertentu, metode ini tidak dapat mengetahui kapan suatu proses terjadi di masa lampau.

Ada 6 prinsip yang dipergunakan dalam penanggalan relatif:1. Superposition2. Original horizontality3. Lateral continuity4. Cross-cutting relationship5. Inclusion6. Fossil succession

shddin © 2007Penanggalan Relatif 1. Prinsip superposition (Nicolas Steno, 1638-1686): dalam suatu urutan

batuan sedimen yang belum terganggu, batuan yang paling tua diendapkan paling bawah sedangkan batuan yang paling muda diendapkan paling atas.

2. Prinsip original horizontality (Nicolas Steno, 1638-1686): dalam proses sedimentasi, sedimen diendapkan sebagai lapisan horisontal.

3. Prinsip lateral continuity (Nicolas Steno, 1638-1686): sedimen melampar secara horisontal ke segala arah hingga menipis dan berakhir di tepi cekungan pengendapan.

4. Prinsip cross-cutting relationship (James Hutton, 1726-1797): intrusi batuan beku atau patahan harus lebih muda daripada batuan yang diintrusi atau yang terpatahkan.

5. Prinsip inclusion: suatu inklusi (fragmen suatu batuan didalam tubuh batuan lain) harus lebih tua daripada batuan yang mengandungnya tersebut.

6. Prinsip fossil succession (William Smith, 1769-1839): fosil yang ada di lapisan paling bawah lebih tua daripada fosil pada lapisan paling atas.

shddin © 2007Principles of Cross-cutting Relationship and Inclusions

(a)Aliran lava (lapisan 4) membakar lapisan dibawahnya, dan lapisan 5 mengandung inklusi dari aliran lava, sehingga lapisan 4 lebih muda dari lapisan 3 namun lebih tua dari lapisan 5 dan 6.

(b) Lapisan batuan dibawah dan diatas sill (lapisan 3) terbakar, menunjukkan bahwa sill tersebut lebih muda daripada lapisan 2 dan 4, namun umur lapisan 5 terhadap sill tidak dapat ditentukan.

shddin © 2007Principles of Cross-cutting Relationship and Inclusions

(a) Granit lebih muda daripada batupasir karena batupasir terpanggang padabidang kontaknya dengan granit dan granit mengandung inklusi batupasir.

(a) Inklusi granit didalam batupasir menunjukkan granit lebih tua daripada batupasir.

shddin © 2007Principle of Faunal Succession

William Smith mempergunakan fosil untuk mengidentifikasi perlapisan yang sama umurnya dari berbagai lokasi terpisah, kelak metode ini dikenal sebagai prinsip faunal succession.

shddin © 2007Ketidakselarasan

Siccar Point, Berwickeshire, Skotlandia tenggara.Disinilah James Hutton, James Hall dan John Playfair pada tahun 1788 menemukan prinsip ketidakselarasan.

shddin © 2007Ketidakselarasan Waktu geologis bersifat menerus/kontinyu, namun informasi dimana waktu

tersebut didapatkan berasal dari rekaman batuan yang bersifat tidak menerus/diskontinyu.

Bidang ketidakmenerusan dalam urutan batuan yang menunjukkan terganggunya proses sedimentasi dalam waktu yang cukup lama disebut sebagai bidang ketidakselarasan (unconformity).

Waktu geologi yang hilang dari rekaman batuan, karena tidak adanya pengendapan batuan, disebut sebagai hiatus.

Sehingga bidang ketidakselarasan bisa juga disebut sebagai bidang dimana tidak adanya pengendapan (non-deposisi) atau erosi yang memisahkan batuan yang lebih muda terhadap batuan yang lebih tua.

Terdapat 3 jenis ketidakselarasan:1. Disconformity (antara 2 unit batuan sedimen yang paralel)2. Angular unconformity (antara 2 unit batuan sedimen yang menyudut)3. Nonconformity (antara batuan kristalin dan batuan sedimen)

shddin © 2007Penanggalan Mutlak• Pada tahun 1896, Henri Bacquerel (1852-1908) menemukan unsur radioaktif

di alam.

• Pada tahun 1903, Pierre dan Marie Curie menemukan proses peluruhan radioaktif.

• Lord Rutherford (1871-1937) yang pertamakali mengetahui kegunaan peluruhan radioaktif untuk menentukan penanggalan geologis secara mutlak.

• Prinsip dasar metode ini adalah menggunakan peluruhan radioaktif dari isotop unsur beberapa mineral yang terdapat didalam batuan, yang tingkat kecepatan peluruhan telah diketahui dalam satuan waktu-paruh (half-life), yaitu jumlah waktu yang diperlukan untuk merubah separuh inti isotop, dengan cara membandingkan jumlah atom unsur yang tersisa (parent isotope) dengan atom unsur yang dihasilkan oleh proses peluruhan tersebut (daughter isotope).

• Pengukuran waktu paruh ditentukan di laboratorium. Dari sampel batuan, geolog hanya menentukan rasio isotop induk-anak (parent-daughter ratio) dengan alat bernama mass spectrometer.

shddin © 2007Isotop

Sebuah atom karbon memiliki nomer atom 6 dan nomer massa atom 12, 13, atau 14, tergantung pada jumlah neutron didalam intinya.

Meskipun hampir semua isotop dari 92 unsur alam bersifat stabil, namun sebagian kecil justru bersifat tidak stabil dan secara spontan luruh kedalam bentuk isotop yang lebih stabil.

shddin © 2007Peluruhan Radioaktif

Uranium 238 meluruh menjadi stabil sebagai timbal 206 melalui delapan peluruhan alfa dan 6 peluruhan beta.

shddin © 2007Waktu Paruh(A) Hampir semua proses peluruhan alamiah berjalan secara linear. Jika ½ pasir luruh dalam waktu 1 jam, maka seluruhnya akan habis dalam waktu 2 jam.(B) Peluruhan radioaktif berjalan secara eksponensial. Jika ½-nya meluruh dalam waktu 1 jam, maka ½dari sisanya (atau ¼) akan meluruh dalam 2 jam. Proses ini diekspresikan dengan istilah waktu paruh (half-life), dalam contoh ini adalah 1 jam.

shddin © 2007Waktu Paruh

(a) Magma mengandung atom stabil dan atom radioaktif.(b) Ketika magma mendingin dan mengkristal, sebagian atom radioaktif

bergabung kedalam mineral. Pada kondisi ini, mineral tersebut mengandung 100% isotop induk dan 0% isotop anak.

(c) Setelah satu waktu paruh terlewati, 50% isotop induk meluruh menjadi 50% isotop anak yang lebih stabil.

shddin © 2007Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif• Penanggalan radioaktif yang paling akurat umumnya pada batuan beku,

karena mineral hasil kristalisasi magma hanya mengandung isotop induk saja, sedangkan isotop anak jika telah terbentuk tidak akan masuk kedalam sistem kristal karena perbedaan ukuran. Sehingga yang terukur betul-betul waktu kristalisasi mineral yang mengandung isotop radioaktif, bukan waktu terbentuknya isotop tersebut.

• Penanggalan radioaktif pada batuan sedimen tidak dapat dilakukan, karena yang terukur hanyalah waktu terbentuknay mineral, bukan waktu berlangsungnya sedimentasi.Pengecualian berlaku pada mineral glaukonit, suatu mineral berwarna hijau yang mengandung isotop potassium 40 yang akan meluruh menjadi argon 40. Glaukonit terbentuk di lingkungan laut hasil reaksi kimia dengan mineral lempung selama proses diagenesa ketika litifikasi.Meskipun demikian, karena argon adalah gas, maka isotop anak argon 40 biasanya hilang menguap dari mineral. Sehingga penanggalan pasangan potassium 40/argon 40 pada glaukonit harus dipandang sebagai umur minimal.

shddin © 2007Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif• Penanggalan radioaktif pada batuan metamorf harus dilakukan dengan

sangat berhati-hati. Panas yang terjadi selama metamorfisme umumnya menyebabkan isotop anak keluar dari sistem yang ada. Bila semua isotop anak keluar dan yang tersisa hanya isotop induk, maka rasio yang terukur kemudian adalah cerminan waktu metamorfisme, bukan waktu kristalisasi mineral. Namun bila tidak semua isotop anak keluar selama metamorfisme, maka hasil penanggalan akan menjadi tidak akurat.

• Untuk menjamin penanggalan radiometrik yang akurat, maka sampel harus:- segar- tidak lapuk- tidak pernah terkena tekanan dan temperatur tinggi- selalu lakukan uji silang dengan isotop lainnya (misal uranium 235/timbal 207 dengan uranium 238/timbal 206; hasil rasio keduanya harus mendekati).

shddin © 2007Ketidakpastian dalam Penanggalan RadioaktifPengaruh metamorfisme terhadap akurasi penanggalan radioaktif:(a) Mineral ketika terkristal pada 700

jtl.(b) Mineral ketika 400 jtl.(c) Proses metamorfisme pada 350

jtl menyebabkan seluruh isotop anak keluar dari mineral.

(d) Penanggalan pada saat ini hanya mendapatkan umur metamorfisme, bukan umur kristalisasi.

shddin © 2007Penanggalan Jejak Fisi (Fission Track)• Pemancaran partikel atom dari peluruhan uranium dalam suatu mineral dapat

menyebabkan rusaknya struktur kristal yang ada. Dampak kerusakan akan tampak sebagai jejak mikroskopis linear yang hanya tampak apabila mineral dikenai asam hidrofluorik.

• Umur sampel ditentukan berdasarkan jumlah jejak fisi dan jumlah uranium: semakin tua sampel, semakin besar jumlah jejak fisi.

• Metode ini efektif untuk kisaran 40.000 hingga 1,5 juta tahun.

• Problem kemungkinan muncul apabila batuan terkena temperatur tinggi dimana struktur kristal yang rusak dapat diperbaiki dan jejak fisinya akan hilang. Umur yang didapat akan jauh lebih muda dari yang seharusnya.

shddin © 2007Penanggalan Jejak Fisi (Fission Track)

Jejak fisi (panjangnya 16 µm) dalam kristal apatit dari batuan beku.

shddin © 2007Penanggalan Radiokarbon• Karbon adalah unsur penting di

alam dan salah satu unsur dasar yang dijumpai di segala bentuk kehidupan.

• Karbon memiliki 3 isotop, yaitu karbon 12, 13 dan 14. Hanya karbon 14 yang bersifat radioaktif.

• Karbon 14 memiliki waktu paruh 5.730 ± 30 tahun. Praktis untuk sampel berumur >70.000 tahun.

• Penanggalan radiokarbon berdasarkan rasio karbon 14 terhadap karbon 12 dan umumnya dipergunakan untuk sisa-sisa makhluk hidup.

shddin © 2007Penanggalan Radiokarbon

Produksi karbon 14 di atmosfer tidaklah konstan di sepanjang waktu, sehingga perbandingan karbon 14/karbon 12 juga tidak konstan.

Penanggalan radiokarbon kemudian dikoreksi dengan metode penanggalan lainnya, seperti penanggalan cincin pohon, sebagaimana pada diagram diatas.

shddin © 2007Penanggalan Cincin Pohon (Tree-Ring Dating)• Usia sebuah pohon dapat ditentukan dengan menghitung jumlah cincin

pertumbuhan yang ada pada pokok pohon bagian bawah. Setiap cincin mencerminkan masa pertumbuhan satu tahun. Perbedaan lebar setiap cincin dapat dipergunakan sebagai kunci untuk mencocokkan usia pertumbuhan dari berbagai pohon.

• Prosedur mencocokkan pola cincin dari berbagai pohon di suatu tempat disebut sebagai penanggalan silang (cross-dating).

• Dengan mengkorelasikan sekuen cincin pohon yang sudah teridentifikasi dari pohon yang masih hidup hingga sisa-sisa pohon yang telah mati, suatu skala waktu dapat dibuat hingga 14.000 tahun silam.

• Metode ini sangat berguna untuk penanggalan peristiwa geologi muda.

shddin © 2007Penanggalan Cincin Pohon (Tree-Ring Dating)

Dengan metode cross-dating, pola cincin-pohon dari berbagai pohon dan kayu dapat saling dicocokkan untuk membuat kronologi lebar cincin.

shddin © 2007Skala Waktu Geologi

Angka di bagian kanan dalam juta tahun silam sebelum sekarang.

Analogi terhadap jam tangan (24 jam)

shddin © 2007Beberapa Bukti Pendukung• Pertanyaan tentang umur Bumi sesungguhnya juga pertanyaan tentang usia

Matahari dan benda-benda angkasa lainnya, karena diyakini semuanya terbentuk bersamaan dari material debu jagad semesta.

• Para ahli astronomi telah menghitung rasio mula-mula hidrogen dan helium di dalam Matahari dan jumlahnya kini, memperkirakan usia Matahari sekitar 4,6 milyar tahun.

• Meteorit yang jatuh ke Bumi menunjukkan sebagian dari mereka (dan yang tertua) terbentuk sekitar 4,5 milyar tahun lalu.

• Batuan yang dibawa dari Bulan menunjukkan usia paling tua sekitar 4,53 milyar tahun lalu.

• Material tertua di Bumi adalah butiran zircon dari Australia Barat yang berumur 4,1 – 4,2 milyar tahun lalu.

• Batuan tertua di Bumi adalah granit berusia 3,7 milyar tahun lalu dari Greenland dan batuan metamorfik berusia serupa dari Minnesota, USA.

shddin © 2007Beberapa Bukti Pendukung• Tanpa mengembangkan konsep waktu geologis, seorang mahasiswa geologi

tidak akan mampu memahami arti besar dari proses geologi yang berjalan sangat lambat, seperti pelapukan dan pelarutan. Arti dari proses-proses tersebut tidak dapat hanya dilihat dari jangkauan waktu yang dialami indera manusia, yang hanya mengenal hari, minggu, tahun dan pergantian musim.

• Namun bagaimana memahami dan mengapresiasi skala waktu milyarantahun tersebut kedalam perspektif manusiawi kita? Salah satunya adalah dengan mempergunakan jam tangan geologi dibawah ini. Kehadiran kita hanyalah 17 detik terakhir saja…

7_waktu geologi dan geokronologi

Documents