Petrologi Batuan Beku

Batuan Beku (igneous rock) adalah batuan yang terbentuk dari proses pendinginan magma, baik yang bersifat kristalin maupun gelasan

Magma: Lelehan batuan silikat panas yang terbentuk di alam, bersifat mobil, dapat mengandung material padat dan gas. Zat padat terdiri dari sisa batuan asal yang tidak ikut meleleh atau senolit (xenolith), sisa kristal yang tidak ikut meleleh atau senokris (xenocryst) dan kristal-kristal yang terbentuk oleh pembekuan magma (Jackson, 1982)

Magmatisme

Magma terbentuk oleh pelelehan sebagian (partial melting) batuan induk (parental rocks) di dalam mantel atau, dalam jumlah yang lebih sedikit, di bagian bawah kerak (lower crust) (Schmincke, 2004)

Magma dapat mendingin untuk membentuk batuan beku baik di permukaan bumi – yang dalam hal ini menghasilkan batuan beku vulkanik atau ekstrusif (volcanic or extrusive igneous rocks), atau di bawah permukaan bumi – yang menghasilkan batuan beku plutonik atau intrusif (plutonic or intrusive igneous rocks).

Lava: Lelehan magma yang mencapai permukaan bumi (Hughes, 1982)

Lokasi-Lokasi Terbentuknya Magma

1. Zona subduksi (subduction zone)

Peleburan mantel atas / baji mantel (mantle wedge), mantel tersomatisasi

Pelelehan parsial kerak samudera (fasies amfibolit, eklogit)

Pelelehan parsial kerak benua bagian bawah (anateksis)

2. Zona tumbukan (collision zone)

Pelelehan parsial kerak benua bagian bawah (anateksis)

Pelelehan parsial kerak benua bagian tengah (anateksis)

Lokasi terbentuknya magma (2)

3. Rekahan tengah samodra (mid oceanic rift)

Peleburan mantel atas

4. Rekahan tengah benua (intra continental rift)

Peleburan mantel atas

5. Kepulauan tengah samudera (mid oceanic island)

Peleburan mantel atas

(Best, 1982; Wilson, 1989)

Bagaimana Magma Terbentuk?

Batuan yang dipengaruhi oleh temperatur (T) dan tekanan (P) yang tinggi dapat mengalami pelelehan menjadi magma.

Namun demikian, pelelehan umumnya dipicu oleh terjadinya perubahan 3 parameter dasar: tekanan (P), temperatur (T) dan komposisi kimia (X), yaitu:

1. Kenaikan temperatur T pada kondisi P dan X yang konstan (Increasing Temperature)

2. Penurunan tekanan P pada T dan X yang konstan (Decompression)

3. Perubahan X pada P dan T yang konstan (terutama penambahan fluida khususnya H2O dan CO2)

Pelelehan Sebagian (Partial Melting)

Magma umumnya terbentuk oleh pelelehan sebagian dari batuan asal, atau dikenal sebagai peristiwa partial melting

Pembentukan magma basaltik

Umumnya berasal dari partial melting dari batuan asal ultramafik di bagian mantel

Sejumlah besar magma basalt dikeluarkan ke permukaan bumi setiap tahunnya

Pembentukan magma andesitik

Dihasilkan oleh interaksi magma basaltik dan batuan penyusun kerak yang lebih asam

Bisa juga dihasilkan karena proses diferensiasi magma

Prinsip “Partial Melting”

Partial Melting menghasilkan magma yang lebih asam (more felsic) daripada batuan induknya (the parent rock)

Parental Rock

Ultramafic

Mafic

Intermediate

Felsic

Magma from Partial Melting

Mafic

Intermediate

Felsic

(more) Felsic

Beberapa Sifat (Karakteristik) Magma

1. Tipe Magma

Tipe-tipe magma dapat ditentukan berdasarkan karakteristik komposisi kimia magma yang bersangkutan. Secara umum dapat dikelompokkan tiga jenis magma sebagai berikut:

Magma basaltik (Basaltic magma) -- komposisi SiO2 45-55 wt%, dengan komposisi unsur Fe, Mg, Ca yang tinggi, sedangkan K dan Na rendah

Magma andesitik (andesitic magma) -- komposisi SiO2 55-65 wt%, dengan kandungan Fe, Mg, Ca, Na, K yang sedang (intermediate)

Magma riolitik (rhyolitic magma) -- kandungan SiO2 65-75%, dengan kandungan Fe, Mg, dan Ca yang rendah, sedangkan kandungan K dan Na yang tinggi

2. Kandungan gas dan volatile dalam magma:

CO, CO2, H2S, SO2, H2O, H2, HCl, dll

Jumlah volatile (misalnya H2O) bervariasi

tergantung jenis magma. Contoh :

Basalt : H2O : 0,25 – 0,9 % berat

Lava andesit : H2O ~ 2,2 % berat

Ignimbrit : H2O : ~ 4,0 % berat

3. Temperatur Magma

Suhu atau Temperature magma, walaupun sulit untuk diukur secara langsung, namun berdasarkan hasil pengukuran laboratorium dan pengukuran langsung di lapangan secara terbatas mengindikasikan bahwa suhu erupsi dari berbagai jenis magma adalah sbb:

Basaltic magma - 1000 s/d 1200oC

Andesitic magma - 800 s/d 1000oC

Rhyolitic magma - 650 s/d 800oC.

4. Kekentalan / Viscositas (Viscosity)

Tergantung pada komposisi, suhu dan kandungan gas)

Komposisi : makin tinggi kandungan SiO2 maka makin kental, karena ikatan tetrahedra silika yang kuat

Suhu dan kandungan gas (H20)

Contoh :

Basalt (Hawai), magma terbentuk pada temperatur yang tinggi (1300-1400OC pada 104 P, 1110OC pada 105 P), kekentalan (viskositas) rendah

Granit, magma terbentuk pada temperatur yang lebih rendah, yaitu 760-880OC pada 107 P (H2O 4 % berat) – 108 P (H2O 1,5 % berat), kekentalan (viskositas) tinggi

(Hughes, 1982; Charmical et al., 1979)

Ukuran Kekentalan (viscosity)

- Air : 10-2 poise (P) pada suhu kamar

- Gliserin : 10 P

- Pada suhu 1200OC, kondisi lelehan kering (tanpa air), P : 8 atm.:

Magma basalt : ~ 500 P

Magma andesit : ~ 3 x 104 P

Magma riolit : ~ 107 P

Alihtempat dan Kristalisasi Magma

Magma yang awalnya terbentuk di tempat yang dalam mempunyai kecenderungan untuk bermigrasi mendekati permukaan bumi.

Gerakan (migrasi) magma ke arah permukaan disebabkan oleh:

1. Tekanan gaya berat karena adanya perbedaan berat jenis

2. Perubahan volume karena adanya pengurangan tekanan

3. Tekanan horisontal oleh gerakan tektonik

4. Magmatic stoping

1. Tekanan gaya berat karena adanya perbedaan berat jenis

Berat jenis magma selalu lebih kecil daripada berat jenis batuan asalnya

-Granit, padat: 2,75 gr/cm3 (2000C);2,63 (10000C); 2,62 (11000C)

-Gabro , padat: 3,00 gr/cm3 (2000C);2,92 (10000C); 2,91 (11000C)

-Granit, lelehan:2,40 gr/cm3 (10000C);2,39 (11000C)

-Gabro,lelehan: 2,75 gr/cm3 (10000C);2,74 (11000C)

2. Perubahan volume oleh adanya pengurangan tekanan

- Pada kedalaman 70 km, P= 20.000 atmosfer

- Pada permukaan bumi, P= 1 atmosfer

Sebagai akibatnya maka:

1. Magma basalt akan bergerak menuju ke permukaan bumi

2. Pembentukan gas di dalam magma basalt, yang berujud gelembung-gelembung gas. Apabila terjadi pembekuan, maka akan dihasilkan basalt skorian.

3. Tekanan horisontal oleh tektonik

-Magma bergerak ke atas atau ke arah lateral

Contoh: Magma bergerak sepanjang puncak antiklin atau lembah sinklin, hingga dapat terbentuk tubuh pakolit.

4. Magmatic stoping

- Magma berkontak dengan batuan dinding

- Penambahan material-material bongkah- batuan dinding akan menyebabkan terjadinya penambahan tekanan pada tubuh magma, sehingga akan ikut serta mempermudah gerakan magma ke atas.

Reservoir (Dapur) Magma

Karena terjadi perbedaan densitas yang kontras antara bagian mantel dan kerak bumi, yaitu dari 3,3 ke sekitar 2,8 g/cm3 maka banyak magma yang tertahan di zona ini (disebut juga magma underplating)

Karena proses geodinamik lainnya, sebagian magma akan naik ke dalam kerak dan berkumpul dalam dapur magma yang lebih dangkal (<10 km)

Secara umum di dapur magma, magma berada dalam kondisi stagnan dan mendingin (mengkristal) secara perlahan

Proses Kristalisasi Magma

Magma yang naik mendekati permukaan bumi biasanya mengalami berbagai ubahan kimia dan mineralogi melalui proses-proses yang disebut diferensiasi, yang menghasilkan bermacam-macam batuan beku dengan komposisi kimia yang berbeda-beda

Komposisi asal magma disebut sebagai magma induk atau ‘Parental Magma’ atau ‘Primitive Magma’

Diferensiasi (Differentiation): proses-proses yang menghasilkan magma turunan (derivative magmas) yang berbeda komposisi kimia dan mineralogi dari Primitive Parental Magma

Secara umum diferensiasi dianggap terjadi dalam reservoir magma di dalam kerak (kedalaman < 10km), di mana magma dalam kondisi stagnan, mendingin secara perlahan dan mengkristal

Proses diferensiasi yang paling penting adalah Kristalisasi Fraksinasi (fractional crystallization). Proses lainnya antara lain asimilasi dan magma mixing.

Kristalisasi fraksinasi (fractional crystallization)

1. Magma mengkristal menjadi berbagai jenis mineral pada kisaran suhu tertentu, sehingga suhu pengkristalan berbagai mineral berbeda-beda.

2. Kristal-kristal yang terbentuk awal dapat bertahan dengan sempurna (dipertahankan kesetimbangan-nya dengan fase lelehan) atau sebagian bereaksi dengan lelehan magma;

3. Karena sebagian lelehan magma mengkristal, maka komposisi lelehan akhir berbeda dengan lelehan semula (Charmical et al., 1971; Ehlers dan Blat, 1981)

4. Komposisi mineral dapat berubah terus-menerus karena terjadi reaksi dengan magma, terutama apabila mineral-mineral tersebut tidak berpindah tempat

5. Fraksinasi tergantung kepada reaksi tidak sempurna atau sama sekali tidak ada reaksi antara magma dengan kristal-kristal yang dihasilkan.

6. Konsep tersebut dapat dipakai untuk mendeskripsi presipitasi kristal secara berurutan (sequential).

7. Pemikiran awal: magma induk tunggal, basalt.

8. Sekarang diketahui bahwa semua batuan beku tidak hanya berasal dari hasil diferensiasi magma basalt

9. Mineral dapat saling bersimpati (berasosiasi), namun adapula yang saling berantipati.

10. Tipe mineral bersimpati (berasosiasi), berasal dari magma yang berkomposisi sama, dan terbentuk pada kisaran suhu yang sama.

Contoh:

1. kuarsa-K feldspar-plagioklas-biotit

2. plagioklas-hornblenda-biotit

3. plagioklas-piroksen-olivin

11. Tipe mineral berantipati, berasal dari generasi magma yang berbeda, dan terbentuk pada kisaran suhu yang berlainan.

Contoh:

1. kuarsa-olivin

2. kuarsa-feldspatoid

3. K feldspar-olivin

Reaksi antara kristal dengan lelehan magma

- Secara teoritis pada suhu yang lebih rendah sebagian kristal olivin tersebut dapat habis bereaksi dengan silika, untuk membentuk piroksen.

Adapun reaksinya adalah sebagai berikut:

Olivin + silika —> piroksen

(Mg,Fe)2SiO4 + SiO2 —> 2(Mg,Fe)SiO2

Reaksi antara kristal dengan lelehan magma

Faktor penghalang reaksi antara kristal dengan lelehan magma:

1. Penurunan kristal (crystal settling), berlangsung efektif pada awal kristalisasi, yang berkaitan erat dengan pengaruh gaya berat. Contoh: Olivin terpisah dari lelehan magma basalt, karena pengaruh gaya berat.

Kristal-kristal yang lebih ringan akan mengapung di bagian atas dapur magma.

Komposisi kristal-kristal yang terbentuk tidak akan serupa dengan magma aslinya, sehingga akan terjadi perubahan komposisi magma aslinya.

Faktor lain sebagai penghalang reaksi antara kristal dengan lelehan magma:

2. Filter pressing, berlangsung efektif pada akhir kristalisasi, pada saat terjadi pemisahan magma dari jaringan jala-jala kristal.

Pemisahan (segregasi) lelehan magma akhir yang bersifat asam, yang terbentuk sesudah kristalisasi olivin, piroksen, dan plagioklas.

Pemisahan magma tersebut dapat berlangsung karena kristal-kristal yang lebih berat cenderung untuk terkompaksi, sehingga akan dapat mendesak keluar lelehan magma yang lebih ringan yang berada di dalam jala-jala kristal tersebut (Jackson, 1970; Ehler dan Blat, 1981; Best, 1982).

Bowen’s reaction series

Mineral-mineral mengkristal secara sistimatis tergantung kepada titik lebur (melting points) mereka

Selama kristalisasi, komposisi cairan magma akan selalu berubah

Kristal-kristal yang terbentuk awal akan mengkonsumsi unsur-unsur Mg, Fe, dan Ca, tapi sedikit SiO2

Kristal-kristal yang terbentuk di bagian akhir akan kaya dengan Na, K, dan SiO2

Mineral-mineral yang masih berhubungan dengan magma dapat berubah menjadi mineral berikutnya dalam suatu sekuen

Proses Diferensiasi Magma Selain Kristalisasi Fraksinasi (Fractional Crystallization)

2. Asimilasi

Perubahan komposisi magma,sebagai akibat adanya reaksi antara magma dengan batuan dinding yang berkomposisi berbeda.

3. Percampuran magma induk (Magma mixing)

Magma intermediate, misal andesit sebagai hasil percampuran antara magma basalt dengan riolit.

4. Lelehan tidak dapat bercampur

4.1. Peristiwa pemisahan suatu lelehan menjadi dua lelehan yang secara fisik terpisah satu dari yang lain, seperti halnya minyak dengan air.

4.2. Contoh, pemisahan lelehan sulfida yang menghasilkan mineral-mineral logam sulfida maupun lelehan kaya karbonat dari magma basalt, yang menghasilkan batuan beku karbonatit.

5. Aliran gas

5.1. Volatil yang terperangkap di dalam magma dapat mengalir dari dapur magma ke tempat lain, kemudian berkumpul menjadi kumpulan gas yang semakin banyak.

5.2. Sebagai akibatnya akan terjadi perubahan komposisi magma, dan di tempat yang dalam (P tinggi), akan mengontrol kristalisasi fraksinasi (Jackson, 1970).

Asosiasi Batuan Beku pada Tepi Lempeng Tektonik

1. Lempeng divergen (zona rekahan tengah samodra/ mid oceanic rift)

- Peleburan mantel atas, menghasilkan magma basalt.

- Lava basalt di permukaan bumi, pada kerak samodra.

- Gabro di dalam kerak samodra, di tempat yang dalam.

- Di bawah gabro adalah batuan mantel atas yang berujud batuan ultramafik (Best, 1982).

2. Lempeng konvergen (zona penunjaman/ subduction zone)

2.1. Zona di dekat palung

- Proses alihtempat batuan-batuan yang berasal dari lempeng samodra, benua, termasuk lempeng samodra purba.

- Asosiasi batuannya termasuk ke dalam melans tektonik, yang terdiri dari ofiolit (urutan batuan ultramafik, basalt, dan batuan sedimen pelagik) serta sekis glaukofan (sekis biru).

2.2. Lempeng konvergen (zona penunjaman/ subduction zone)

- Penunjaman lempeng samodra dingin termetamorfosakan ke dalam mantel yang lebih panas.

- Penyerapan energi panas dan dehidrasi kerak samodra termetamorfosakan yang basah.

- Magma basalt panas hydrous, hasil pelelehan parsial baji mantel (mantle wedge) dan mungkin sebagian kerak samodra termetamorfosakan di zona gesekan dengan mantel atas.

Lempeng konvergen (zona penunjaman/ subduction zone) terdiri dari 2 tipe:

1. Busur tepi benua aktif (Active continental margin)

- Kerak samodra vs. kerak benua)

- Batuan-batuan gunungapi, pada umumnya berkomposisi andesit, dasit, dan riolit.

- Contoh: Sumatra

2. Busur kepulauan (Island arc)

- kerak samodra vs. kerak samodra)

- Batuan-batuan gunungapi, pada umumnya berkomposisi basalt sampai andesit.

- Contoh: Jawa bagian timur, Nusa Tenggara

3. Kerak benua

- Magma basalt mengalami percampuran dan kontaminasi dengan material kerak benua, serta diferensiasi.

- Magma berkomposisi basalt sampai granit.

- Batuannya dapat terdiri dari gabro, diorit, granodiorit, dan granit.

4. Lempeng konvergen (zona tumbukan/collision zone)

- Penebalan kerak benua, misal di Sulawesi Tengah, pada Neogen.

- Pelelehan parsial di kerak benua bagian tengah (anateksis) sebagai akibat adanya peningkatan gradien panas bumi.

- Magma yang dihasilkan adalah granitoid.

- Asosiasi batuannya meliputi migmatit, granit, granodiorit, tonalit (Best, 1982; Widiasmoro et al., 1997).

5. Zona rekahan samodra (pasif), kepulauan samodra, misal Hawaii

- Magma berasal dari peleburan mantel atas.

- Batuannya adalah basalt.

6. Zona rekahan benua (pasif), misal zona rekahan Afrika Timur

- Magma berasal dari peleburan mantel atas

- Batuannya terdiri dari basalt sampai riolit.

Klasifikasi Batuan Beku

Karena adanya berbagai jenis batuan beku dan berbagai klasifikasi yang ada, salah satu problem dalam klasifikasi batuan beku adalah bahwa batuan ini tidak dapat semuanya diklasifikasikan dengan menggunakan satu metode saja.

Akibatnya, beberapa klasifikasi harus dipakai dalam pendeskripsian batuan beku, di mana masing-masing hanya dapat diaplikasikan pada kelompok batuan tertentu, misalnya kelompok batuan piroklastik, batuan plutonik dll.

Ini berarti bahwa kita harus memutuskan klasifikasi mana yang sesuai untuk dipakai dalam penamaan suatu batuan yang diteliti.

Untuk mencapai tujuan ini secara konsisten, maka dirumuskan suatu bentuk klasifikasi yang bersusun (hierarchy of classification) yang harus disetujui bersama

Berikut adalah urutan alur yang diusulkan yang diharapkan dapat diterima semua ahli geologi