GEOKIMIA PANAS BUMI
Niniek Rina Herdianita KK Geologi Terapan Program Studi Sarjana dan Magister Teknik Geologi Program Studi Magister Teknik Panas Bumi Institut Teknologi Bandung
Geokimia Panas Bumi 1. 2. 3. 4.
Pendahuluan Geokimia Air Panas Bumi Geokimia Gas Panas Bumi Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir
Pendahuluan Geokimia Panas Bumi/Geotermal mempelajari komposisi fluida panas bumi (air dan uap) dan proses-proses yang mempengaruhinya untuk mengetahui kondisi dan karakteristik fluida reservoir.
Asumsi Sistem geotermal adalah sistem hidrotermal terbuka dan air yang didominasi oleh air meteorik merupakan media pembawa panas.
Karakteristik Air (H2O) Systematic name
water
Alternative names
aqua, dihydrogen monoxide, hydrogen hydroxide
Molecular formula
H2 O
Molar mass
18.0153 g/mol
Density and phase
1.000 g/cm3, liquid 0.917 g/cm3, solid
Melting point
0°C (273.15 K) (32ºF)
Boiling point
100°C (373.15 K) (212ºF)
Specific heat capacity (liquid)
4184 J/(kg.K)
Densitas H2O vs Temperatur
pH H2O
pH H2O vs Temperatur pH 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 = 14 KwH2O (100oC) = 10-12 pKwH2O = 12
KwH2O (250oC) = 10-11 pKwH2O = 11
o
Temperature ( C) 0
10
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
14.94
14.54
13.99
13.27
12.71
12.26
11.91
11.64
11.44
11.30
11.22
11.20
11.22
11.30
H2CO3
6.57
6.47
6.36
6.29
6.32
6.42
6.57
6.77
6.99
7.23
7.49
7.75
8.02
8.29
H2S
7.45
7.23
6.98
6.72
6.61
6.61
6.68
6.81
6.98
7.17
7.38
7.60
7.82
8.05
NH4
10.08
9.74
9.24
8.54
7.94
7.41
6.94
6.51
6.13
5.78
5.45
5.15
4.87
4.61
H4SiO4
10.28
10.00
9.82
9.50
9.27
9.10
8.97
8.67
8.65
8.85
8.89
8.96
9.07
9.22
H3BO3
9.50
9.39
9.23
9.08
9.00
8.95
8.93
6.94
8.98
9.03
9.11
9.22
9.35
9.51
HF
2.96
3.05
3.18
3.40
3.64
3.85
4.09
4.34
4.59
4.89
5.30
5.72
6.20
6.80
HSO4-
1.70
1.81
1.99
2.30
2.64
2.99
3.35
3.73
4.11
4.51
4.90
5.31
5.72
6.13
HCl
-0.26
-0.24
-0.20
-0.14
-0.06
0.03
0.14
0.25
0.37
0.50
0.66
0.84
1.06
1.37
HCO3-
10.63
10.49
10.33
10.17
10.13
10.16
10.25
10.39
10.57
10.78
11.02
11.29
11.58
11.89
H2O
Expressed as -log Ka = pKa
Solubilitas Air
Diagram Fasa H2O
Vaporization
(liquid) Condensation (solid)
Boiling point
(gas)
Boiling = Mendidih Terjadi di bagian atas, yaitu pada kedalaman < 2 km
Terjadi pemisahan 2 fasa fluida, yaitu air dan uap Unsur non-volatil (Cl, SiO2) tinggal di air Unsur volatil/gas (CO2, H2) berada pada fasa uap
Pemisahan 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
290oC
1000 m
Geokimia Panas Bumi 1. 2. 3. 4.
Pendahuluan Geokimia Air Panas Bumi Geokimia Gas anas Bumi Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir
Unsur-unsur Kimia Fluida Terdiri 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, ionion As Spesies netral: SiO2, B, CO2, H2S, NH3 SiO2 hadir sebagai silika total dan ekuivalen dengan konsentrasi H4SiO4 CO2 terlarut adalah ekuivalen terhadap konsentrasi H2CO3 Karbonat 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 ion Amonia adalah sebagai amonia (NH3) atau amonium (NH4-)
Unsur-unsur Kimia Fluida Berasal dari interaksi antara batuan dan fluida (+ proses magmatik), terdiri dari: Unsur-unsur pembentuk batuan Solubilitasnya dipengaruhi oleh kesetimbangan mineral dan air mis. kation Na, K, Ca, Mg, Rb, Cs, Mn, Fe dan Al
antara
Unsur-unsur terlarut Lebih banyak berada di larutan dibanding dalam mineral Tidak mudah bereaksi = unsur konservatif mis. Cl, B, Li dan Br
Unsur-unsur Kimia Fluida Dipengaruhi oleh: Asal air Penambahan unsur volatil magmatik Cl sebagai HCl, C sebagai CO2, S sebagai SO2 Kenampakan isotop Helium (3He/4He) Kesetimbangan fluida-mineral Mineral (jenis batuan) Suhu Dominasi batuan Proses Boiling Mixing (dilution)
Asal Fluida
Air Klorida (Cl)
Menunjukkan air reservoir
Mengandung 0,1 hingga 1,0 wt.% Cl
Perbandingan Cl/SO4 umumnya tinggi
Mengandung kation utama : Na, K, Ca dan Mg
Berasosiasi dengan gas CO2 dan H2S
pH sekitar netral, dapat sedikit asam dan basa tergantung CO2 terlarut
Sangat jernih, warna biru pada mataair natural
Kaya SiO2 dan sering terdapat HCO3-
Terbentuk endapan permukaan sinter silika (SiO2)
Air Sulfat (SO4)
Terbentuk di bagian paling dangkal sistem geotermal
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 SO4-Cl terbentuk akibat kondensasi unsur volatil magmatik menjadi fasa cair
Air Cl dan SO4
Air Cl dan SO4 Ta: Taal Ku: Kusatsu Shirane Kb: Kaba Tin, Tam: Kelimutu Ij: Ijen Po: Poas Ma: Maly Semiachik Pu: Kawah Putih Dem: Dempo Sv: Soufrière 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 geotermal
Akibat adsorbsi gas CO2 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 CO2 terlarut di permukaan
Di permukaan dapat membentuk endapan sinter travertin (CaCO3)
Air Meteorik
Air tanah mengandung Ca, Mg, Na, K, SO4, HCO3 dan Cl, dan dapat mengandung Fe, SiO2 dan Al
Air tanah dapat mengandung gas terlarut O2 dan N2
Air sungai mempunyai anion utama HCO3 dan kation utama adalah Ca
Air hujan mempunyai anion utama Cl dan kation utama Na
Kandungan kimia air tanah sangat dipengaruhi oleh batuan dasarnya.
Komposisi isotop stabil mengikuti Meteoric Water Line (MWL)
Air Asin
Terbentuk dengan berbagai cara (mis. pelarutan sekuen endapan evaporit, terperangkap pada cekungan sedimentasi/air formasi, dll) Merupakan larutan yang berkonsentrasi tinggi pH menunjukkan asam lemah Unsur utama adalah Cl (10.000 hingga lebih dari 100.000 ppm) Konsentrasi Na (kation utama), K dan Ca tinggi Densitas tinggi, sehingga tidak muncul di permukaan
Tipe air apakah sampel ini?
No
LOKASI
t (°C)
pH
1
Ngawha NG-9, NZ
230
2
Wairakei WK-66, NZ
3
Kimia Air (mg/kg) Na
K
Mg
Ca
Cl
SO4
HCO3
7.7
893
79
0
3
1,260
18
185
240
8.5
995
142
0
17
1,675
30
<5
Champagne Pool, NZ
99
8.0
1,070
102
0
26
1,770
26
76
4
Miravalles 10, Costa Rica
250
7.8
1,750
216
0
59
2,910
40
27
5
Acque Albule, Italy
22
6.1
138
22
238
1,042
163
1,470
1,403
6
Well C32, Fuzhou, China
93
7.5
187
6
0
23
175
163
52
7
Spring 7, Manikaran, India
95
8.4
96
19
3
52
138
41
210
8
Golden Spring, NZ
45
7.0
224
20
7
11
51
8
670
9
Zunil spring
95
7.0
384
32
39
17
172
234
635
10
Zunil ZQ-3, Guatemala
295
8.1
933
231
0
15
1,810
31
51
No
LOKASI
t (°C)
pH
Kimia Air (mg/kg) Na
K
Mg
Ca
Cl
SO4
HCO3
11
Radkersburg, Austria
72
8.9
2,215
182
47
3
264
398
4,130
12
Cerro Prieto, Mexico
280
7.3
5,600
1,260
0
333
10,500
14
40
13
Tongonan, Philippines
330
7.0
3,580
1,090
0
128
6,780
16
12
14
Morere spring, NZ
47
7.0
6,690
84
79
2,750
15,670
<3
28
15
Salton Sea well, USA
330
5.2
38,400
13,400
10
22,010
118,400
4
140
16
Reykjanes Spring, Iceland
99
6.2
14,325
1,670
123
2,260
26,100
206
<5
17
Oil well, Leda F., California
100
5.7
13,600
404
275
12,200
44,000
16
80
18
White Island, NZ
98
0.6
5,910
635
3,800
3,150
38,700
4,870
-
19
Kawah Ijen, Indonesia
60
0.6
1,030
1,020
680
770
21,800
62,400
-
20
Tamagawa, Japan
98
1.3
38
30
35
95
2,970
2,300
-
Kisaran pH
Anion Utama
6 - 7.5
jejak HCO3-
4-9
Cl, jejak HCO3-
7 - 8.5
Cl, HCO3-
Air bikarbonat (HCO3)
5-7
HCO3-
Air asam sulfat (SO4)
1-3
SO42-, jejak Cl
Air asam sulfat-klorida (SO4-Cl)
1-5
SO42-, Cl
Air tanah Air klorida (Cl) Air klorida-bikarbonat (Cl-HCO3)
Tipe air apakah yang hadir pada manifestasi ini?
Artist’s Palette, Waiotapu, New Zealand
Pohutu Geyser, Rotorua
Yellowstone National Park, USA
Champagne Pool, NZ
Travertin Stone, Pamukale, Turkey
Papandayan, Jawa Barat
SO4 water
Cl water
Waimangu, New Zealand
Geokimia Panas Bumi 1. 2. 3. 4.
Pendahuluan Geokimia Air Panas Bumi Geokimia Gas Panas Bumi Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir
Gas-gas Panas Bumi Gas 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 permukaan
Gas-gas inert atau konservatif: gas-gas mulia, hidrokarbon selain metana) sumber gas
Konsentrasi gas bersama rasio gas/uap dan uap/air dapat memberikan informasi mengenai kondisi bawah permukaan dan perilaku reservoir.
Keluaran Gas Fumarol
Kaipohan Solfatara : Fumarol dengan SO2 dan/atau H2S
Daerah steam discharge yang mengandung steaming ground dan fumarol
Steaming ground Hot 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
CO2 Gas terbanyak pada sistem panasbumi (~ 95 wt.% atau vol.%) Hadir 0.2 - 4% vol/vol dalam udara tanah Terbentuk dari :
Magmatik Larut dalam air meteorik Alterasi termal batuan/mineral karbonat Degradasi material organik pada batuan sedimen
Mengontrol kimia air, densitas, pH, BPD, alterasi batuan, dan pengendapan mineral sekunder dan skaling.
H2S 2 hingga 3 kali lebih mudah terlarut dibanding CO2 Merupakan gas reaktif dan akan hilang oleh interaksi dengan batuan sekitar membentuk sulfida besi. Terbentuk dari : Magmatik Alterasi termal batuan reservoir
Rasio CO2/H2S dapat menunjukkan pola aliran fluida dan proses boiling.
NH3 Gas 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 Logam Arsen (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 logam Tritium (3H) Kandungannya berkurang dengan peningkatan residence times.
Komposisi Gas atau Uap Temparatur dan tekanan reservoir
Kandungan gas pada fluida reservoir Solubilitas gas pada fasa liquid Koefisien distribusi massa dan liquid (Bgas=cvapour/cliquid)
gas
dalam
Reaksi yang terjadi saat naik ke permukaan: Boiling Kondensasi Oksidasi Interaksi batuan/mineral)
fasa
uap
Solubilitas Gas
(least soluble) N2
Kimia Keluaran Gas Geotermal Field/feature
Separation Enthalpy pressure (bg) (kJ/kg)
Steam Total gas CO2 fraction in steam (y) (mmol/mol steam)
H2S
0.3
0.2
917
44
9
8
15
6
0.2
1.2
936
64
-
-
-
-
0.19
10.04
956
18.4
11.8
1.01
8.89
4.65
0.19
24.5
945
11.7
28.1
3.0
2.1
10.2
0.289
5.88
822
79.1
39.8
28.6
5.1
23.1
0.414
2.95
932
55
4.1
3.6
1.2
4.3
0.135
0.248
962
29
1
2
6
-
Wells: vapour dominated systems The Geyser, USA Average 2793 Larderello, Italy Average 2804
1.0
5.9
550
48
95
150
30
125
1.0
20.0
941
16
12
23
8
8
Fumarola Wairakei, NZ Karapiti Larderello, Italy Average -
(115°C)
1.0
1.7
946
23
7.4
10
11
2.6
(100°C)
1.0
30.0
923
20.6
14
26
10.7
-
Wells: liquid dominated systems Wairakei, NZ Average 1 1135 Tauhara, NZ Well 1 8.8 1120 Ohaaki, NZ Well 22 10 1169 Ngawha, NZ Well 4 1.87 966 Cerro Prieto, Mexico Well 19A 6.6 1182 Tongonan, Philippines Well 103 7.6 1615 Reykjanes, Iceland Well 9 19.0 1154
CH2
H2
N2
NH3
millimoles/mole total gas
Geokimia Panas Bumi 1. 2. 3. 4.
Pendahuluan Geokimia Air Panas Bumi Geokimia Gas Panas Bumi Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir
Estimasi karakteristik reservoir Temperatur, Temperatur,yaitu yaitudengan denganmenggunakan menggunakangeotermometer. geotermometer. pH fluida, yaitu dengan kesetimbangan reaksi tertentu.
menggunakan
dasar
Komposisi fluida, yaitu dengan mempertimbangkan terbentuknya fraksi uap (y) dan fraksi air (x) saat boiling terjadi.
Geotermometer 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 Kelebihan entalpi dapat memberikan estimasi suhu reservoir yang lebih tinggi
Mengkombinasi beberapa perhitungan geotermometer
Geotermometer Unsur Terlarut Berdasarkan reaksi kesetimbangan kimia antara fluida dan mineral Fluida panas bumi muncul ke permukaan dengan cepat (> 2 kg/sec) Tidak ada mixing dengan fluida lain. Bila terjadi, mixing harus dapat dihitung Air Cl ber-pH netral Tidak ada steam atau gas yang hilang Re-ekuilibrium fluida-mineral pada kondisi dingin (di permukaan) berlangsung lambat, sehingga dapat diabaikan
Geotermometer Unsur Terlarut Geotermometer Silika (SiO2)
Geotermometer Kuarsa Geotermometer Kalsedon Geotermometer Kristobalit Geotermometer Opal CT Geotermometer Silika Amorf
Geotermometer Geotermometer Geotermometer Geotermometer Geotermometer
K-Na K-Mg K-Na-Mg K-Na-Ca Na-Li
Geotermometer Silika Fournier (1981, 1985)
Reaksi dasar : SiO2
(s)
+ 2 H2O ↔ H2SiO4
Berdasarkan solubilitas berbagai jenis silika berbeda di air sebagai fungsi dari temperatur
yang
Geotermometer Kuarsa Treservoir = 0 – 250°C Geotermometer kuarsa Adiabatik (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.
2.
Kuarsa – no steam loss
toC
1309 = -------------------- – 273 5.19 – log SiO2
t = 0 – 250oC
Kuarsa – max steam loss
1522 toC = -------------------- – 273 5.75 – log SiO2
t = 0 – 250oC
Geotermometer K-Na Fournier (1979), Giggenbach (1988)
K+ + Na-feldspar ↔ K-feldspar + Na+ (albit) (adularia) Rasio Na/K berkurang dengan meningkatnya temperatur fluida tres > 180oC hingga 350oC tres < 100oC, rasio Na/K kesetimbangan feldspar
Tidak dipengaruhi hilangnya uap air
oleh
tidak
pelarutan
lagi
mengontrol
(dilution)
dan
Geotermometer K-Mg Giggenbach (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 setimbang tres = 50 - 300oC
Geotermometer K-Na-Mg Giggenbach (1988)
K-Mg lebih cepat bereaksi, sehingga dapat digunakan untuk menafsirkan suhu reservoar yang lebih rendah K-Mg lebih sensitif terhadap mixing air asam
Baik digunakan untuk sampel yang tidak baik
Geotermometer K-Na, K-Mg, K-Na-Mg
1.
Na-K (Fournier)
1271 toC = ------------------------- – 273 log (Na/K) + 1.483
t > 150oC
2.
1390 oC = ------------------------- – 273 t Na-K (Giggenbach) log (Na/K) + 1.75
t > 150oC
4410 = ------------------------– 273 14.0 – log (K2/Mg)
t > 150oC
3.
K-Mg
toC
Geotermometer K-Na-Mg
Geotermometer lain Geotermometer Gas
Geotermometer Isotop
“The choice and interpretation of geothermometer data are the art of the geochemist.”
Latihan 1 Tabel 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?
Lokasi
toC
pH
Na
K
Ca
Mg
Cl
SO4
HCO3 SiO2
mg/kg Mataair A (1964)
95
8,0
820
59
23,7
0,32
1342
62
18
200
Mataair A (1978)
97
2,5
30
2
15,7
3,59
<7
865
-
350
