12/03/2012

Survei Kimia Fluida dan GasInterpretasi Kondisi Reservoir Survei Tanah dan Udara Tanah

Niniek Rina Herdianita KK Geologi Terapan FITB - ITB

Geokimia panas bumi/geotermal mempelajari komposisi kimia fluida panas bumi (air dan uap) untuk mengetahui karakteristik fluida dan proses yang mempengaruhi fluida tersebut, baik di reservoir maupun saat fluida tersebut naik ke permukaan.

1

12/03/2012

ASUMSI Sistem panas bumi/geotermal adalah sistem hidrotermal bumi/geotermal

terbuka. terbuka .

Air merupakan media pembawa panas dan didominasi

oleh air meteorik. meteorik.

Saat fluida magmatik ikut ambil bagian, sistem panas

bumi menjadi sistem hidrotermal volkanik/magmatik

2

12/03/2012

3

12/03/2012

Survei (Eksplorasi) Pendahuluan Inventarisasi manifestasi permukaan: Lokasi (dan utilisasi) Deskripsi manifestasi (tipe, dimensi, jumlah keluaran, dll) Pengukuran karakteristik manifestasi (toC, pH, debit, dll) Deskripsi kondisi sekitar (tudaraoC, alterasi permukaan, dll)

Gambaran tentang sistem panas bumi Potensi sumber daya (hilang panas alamiah)

Survei Lanjutan dan Rinci Pengambilan sampel air: Akhir musim kering Titik keluaran langsung (temperatur dan debit tertinggi) Dimasukkan dalam botol plastik (polietilen) dan gelas untuk analisa isotop Disaring dan bisa diasamkan

Ukuran > 100 mL untuk analisa anion dan kation utama, ~20 mL untuk analisa isotop stabil 18O dan D Deskripsi/informasi tentang sampel secara lengkap Analisa anion dan kation utama, isotop stabil, unsur jejak

4

12/03/2012

Survei Lanjutan dan Rinci Pengambilan sampel gas: Titik keluaran langsung (temperatur dan debit tertinggi) Dimasukkan dalam botol Giggenbach yang telah diisi NaOH Deskripsi/informasi tentang sampel secara lengkap Analisa H2O, CO2, H2S, NH3, He, Ar, O2, N2 dan CH4 (+ HF, HCl, Ne, CO, gas hidrokarbon, oksidasi sulfur)

Pengambilan sampel air dingin (meteorik)

Survei (Lanjutan dan) Rinci Pengambilan sampel tanah dan udara tanah: Manifestasi kurang tampak di permukaan Identifikasi zona permeabel (kemungkinan zona upflow) Grid pengambilan sampel: 1x1 km atau 1x2 km, 250x250 m atau 150x300 m, 100x100 m atau 50x25 m Sampel tanah diambil pada horison A, sedangkan sampel udara tanah diambil pada kedalaman yang sama (umumnya 1 m) Survei tanah: Hg, As, Sb, B dan NH3, dan survei udara tanah: CO2, Hg, S, He, Rn Diperlukan survei pra dan pasca pengambilan sampel

5

12/03/2012

Eksplorasi Geokimia Panasbumi Analisa komposisi air panas :

Manifestasi permukaan, kenampakan alamiah (mis. mata air panas, fumarola, kolam panas) Sumur pemboran, weirbox Mengetahui distribusi berbagai jenis air Mempelajari efek boiling dan mixing Menafsirkan suhu dan pH reservoir Menduga terbentuknya pengendapan dan korosi pada pipa alir Memonitor perubahan reservoir terhadap waktu

Permukaan Manifestasi panasbumi mencerminkan kondisi reservoir & proses yang terjadi pada fluida panasbumi Pengambilan sampel

Kedalaman 1 hingga 5 km Terjadi interaksi antara airbatuan/mineral Kondisi reservoir dihitung berdasarkan geotermometer

Kedalaman < 2 km Boiling : fluida panasbumi akan membentuk air & uap Unsur non-volatil (Cl, SiO2) tinggal di air Unsur volatil (CO2, H2) berada pada fasa uap Mixing : dua atau lebih fluida bercampur membentuk fluida dengan komposisi baru Kondisi reservoir diketahui dengan memperhitungkan fraksi uap & cair yang terbentuk pada suhu boiling tertentu

6

12/03/2012

Diagram fasa air

(374C)

(0.00603 atm)

(triple point)

240oC

7

12/03/2012

UnsurUnsur-unsur dalam Fluida PanasbumiBerasal dari interaksi antara batuan dan fluida (+ proses magmatik), terdiri dari : 1. 2. Unsur-unsur pembentuk batuan Solubilitasnya dipengaruhi oleh kesetimbangan antara mineral dan air mis. kation Na, K, Ca, Mg, Rb, Cs, Mn, Fe dan Al

Unsur-unsur terlarut Lebih banyak berada di larutan dibanding dalam mineral Tidak mudah bereaksi = unsur konservatif mis. Cl, B, Li dan Br

8

12/03/2012

Faktor yang Mempengaruhi Komposisi Kimia Fluida1. 2. Asal air Penambahan unsur-unsur volatil magmatik Cl sebagai HCl, C sebagai CO2, S sebagai SO2 Kenampakan isotop Helium (3He/4He)

3.

Kesetimbangan fluida-mineral Mineral (jenis batuan) Suhu Dominasi batuan

4.

Boiling dan mixing (dilution)

AIR PANAS BUMI BERDASARKAN GENESA

9

12/03/2012

Fluida Panasbumi

Air Klorida (Cl) Menunjukkan air reservoir Mengandung 0,1 hingga 1,0 wt.% Cl Mengandung kation utama : Na, K, Ca dan Mg Kaya SiO2 dan sering terdapat HCO3Perbandingan Cl/SO4 umumnya tinggi Berasosiasi dengan gas CO2 dan H2S pH sekitar netral, dapat sedikit asam dan basa tergantung CO2 terlarut Sangat jernih, warna biru pada mataair natural Terbentuk endapan permukaan sinter silika (SiO2)

10

12/03/2012

Air Bikarbonat (HCO3) Terbentuk pada daerah pinggir dan dangkal Akibat adsorbsi gas CO 2 dan kondensasi uap air ke dalam air tanah (steam heated water) Anion utama HCO3 dan kation utama adalah Na Rendah Cl dan SO4 bervariasi Di bawah muka air tanah bersifat asam lemah, tetapi dapat bersifat basa oleh hilangnya CO 2 terlarut di permukaan Kehadiran batugamping di bawah permukaan dapat membentuk endapan sinter travertin (CaCO 3) di permukaan

Air Asam Sulfat (SO4) Terbentuk di bagian paling dangkal Akibat 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 Cl Bersifat asam Ditunjukkan dengan kenampakan kolam lumpur dan pelarutan batuan sekitar Tidak dapat digunakan sebagai geotermometer Di lingkungan gunung api : air asam SO 4-Cl terbentuk akibat kondensasi unsur volatil magmatik menjadi fasa cair

11

12/03/2012

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, MonounThe 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-).

GasGas-gas Panasbumi Gas-gas reaktif (mis. H2O, CO2, H2S, NH3, H2, N2, CH4) kondisi bawah permukaan Gas-gas inert atau konservatif (eg. hidrokarbon selain metana) sumber gas gas-gas mulia,

Kesetimbangan gas panasbumi Reaksi pemisahan metana atau Fischer-Tropsch: CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 Reaksi pemisahan amonia: 2NH3 = N2 + 3H2

12

12/03/2012

Pengaruh Komposisi Gas/Uap T & P reservoir panasbumi Kandungan gas pada fluida reservoir

Solubilitas gas pada fasa liquid Koefisien distribusi massa gas (Bgas) dalam fasa uap dan liquid T & P boiling Reaksi yang terjadi saat uap naik ke permukaan (mis. kondensasi, oksidasi, kontaminasi, dsb) dsb

CO2 Gas terbanyak pada sistem panasbumi (kadang lebih dari 95 wt.% atau vol.% 0.035% di atmosfer dan 0.2-4% v/v di udara tanah Mengontrol kimia air, densitas, pH, BPD, alterasi batuan, dan pengendapan mineral sekunder dan scaling. Terbentuk dari : Alterasi termal batuan/mineral karbonat Degradasi material organik pada batuan sedimen Larut dalam air meteorik Magmatik pH fluida dikontrol oleh kesetimbangan CO2/HCO3

13

12/03/2012

H2S 2-3 kali lebih mudah terlarut dibanding CO2 Terbentuk dari : Alterasi termal batuan reservoir Magmatik Gas reaktif dan akan hilang oleh interaksi dengan batuan sekitar membentuk sulfida besi.

Rasio CO2/H2S meningkat dengan penambahan migrasi. Rasio CO2/H2S turun dengan semakin intensifnya boiling.

Survei Kimia Fluida dan Gas

14

12/03/2012

Interpretasi Kondisi Reservoir

15

12/03/2012

Geotermometer Digunakan untuk memprediksi temperatur reservoir Berdasarkan variasi kandungan beberapa unsur dalam fluida panasbumi yang hadir sebagai fungsi dari temperatur Unsur : terlarut, gas, isotop Data : mata air panas, data pemboran/sumur Kesalahan : 5 hingga 10oC Fluida panasbumi muncul ke permukaan dengan cepat (> 2 kg/sec) Tidak ada mixing dengan fluida lain. Bila terjadi, mixing harus dapat dihitung Mengkombinasi beberapa perhitungan geotermometer

The choice and interpretation of geothermometer data are the art of the geochemist.

Geotermometer Silika1. 2. 3. Kuarsa no steam loss Kuarsa max steam loss Kalsedon

4.5. 6.

KristobaliteOpal CT Silika amorf

1309 toC = -------------------5.19 log SiO 2 1522 toC = -------------------5.75 log SiO 2 1032 toC = -------------------4.69 log SiO 2 1000 toC = -------------------4.78 log SiO 2 781 toC = -------------------4.51 log SiO 2 731 toC = -------------------4.52 log SiO 2

273 273 273

t = 0 250oC t = 0 250oC t = 0 250oC

273 273 273

t = 0 250oCt = 0 250oC t = 0 250oC

16

12/03/2012

Geotermometer Na -K, K-Mg, Na-K-Ca NaKNa1. Na-K (Fournier) 1271 toC = ------------------------- 273 log (Na/K) + 1.483 t > 150oC

2.

Na-K (Giggenbach)

1390 toC = ------------------------- 273 log (Na/K) + 1.751647 toC = ---------------------------------------------------------- 273 log (Na/K) + b[log(Ca1/2 /Na) + 2.06] + 2.47 4410 toC = ------------------------- 273 14.0 log (K2/Mg)

t > 150oC

3.

Na-K-Ca

t > 120oC

4.

K-Mg

t > 150oC

GEOTERMOMETER KUARSA

17

12/03/2012

GEOTERMOMETER NA-K-MG

--------

tNa-K NatK-Mg

Giggenbach, 1988

Kedalaman reservoir BPD

18

12/03/2012

Survei Tanah dan Udara Tanah

19

12/03/2012

Survei Tanah dan Udara Tanah Dilakukan bila manifestasi di permukaan sedikit

Mengidentifikasi anomali (konsentrasi tinggi) spesies volatil yang hadir Mengidentifikasi daerah permeabel dan kemungkinan zona upflow atau boiling Mendeliniasi batas suatu sistem panasbumi, bila survei geofisika sulit dilakukan Terdiri dari tiga tahap survei: pengambilan sampel, analisa dan interpretasi Untuk menghindari munculnya anomali yang salah ( false anomaly)

Survei Tanah Sampel diambil dari Horison A Preparasi sampel meliputi: Pengeringan pada temperatur rendah (sekitar 35C) Penggerusan dan penyaringan untuk menghilangkan fraksi kasar Pelarutan (dengan HCl selama 1 jam pada temperatur ruang)

Lakukan penngukuran pH (+ material organik)

Unsur yang dianalisa: Merkuri

Arsenik Antimoni

Boron Amonia

20

12/03/2012

Survei Udara Tanah Dipengaruhi oleh iklim lokal, meliputi udara, tekanan barometer, temperatur tanah dan kelembaban tanah.

Prosedur rumit dan waktu lama Sebaiknya dilakukan pada musim yang berbeda Pengukuran dilakukan dalam waktu yang lama (harian atau mingguan) Pengaruh lain : perubahan tekstur tanah atau porositas batuan Pengambilan sampel : pola grid yang teratur, diambil dari kedalaman yang sama (biasanya 1 m)

Analisa Unsur Karbon dioksida Anomali yang ditunjukkan berimpit dengan anomali Hg tanah, Hg uap/udara tanah dan radon.

Pengambilan sampel : mengumpulkan gas pada tabung gelas terbuka yang ditanam dalam tanah selama 6 hingga 8 minggu Analisa : kromatograf gas.

Merkuri Dapat diaplikasikan pada sistem yang didominasi air dan uap Pengambilan sampel : mengkoleksi gas yang diserap oleh film, jarum atau kawat emas yang ditanam dalam tanah pada kedalaman 1 m selama kurang lebih 5 hari

21