ABSTRAK TINJAUAN PUSTAKA ISOTOP ALAM DALAM SISTEM HIDROLOGl

LAPORAN HASIL PENELITIAN TAHUN 2003 ISBN. 978-979-99141-2- 5

TINJAUAN PUSTAKA ISOTOP ALAM DALAM SISTEM HIDROLOGI

(P2BGGN/EKS1KI02/2003 )

Oleh : Tyas Djuhariningrum, Richard Hutabarat, Endang Muhtar

ABSTRAK

TINJAUAN PUSTAKA ISOTOP ALAM DALAM SISTEM HIDROLOGl

Dalam sistem hidrologi komposisi isotop stabil ISO dan 2H dapat dipergunakan sebagai perunut dalam menentukan asal usul dan kualitas air tanah karena sifatnya yang tidak mengalami perubahan dalam reaksi kimia akibat proses kimia dan biologi setelah berinteraksi dengan mineral-mineral batuan. ISO dan 2H merupakan komposisi isotop stabil dengan kandungan terbesar dalam sistem hidrologi yang tidak berpengaruh bagi kesehatan manusia. Cara menentukan konsentrasi isotop stabil dalam air dapat dipergunakan standar SMOW (Standart Mean Ocean Water) dan JAWS (Jakarta Working Stand art ). Sedangkan untuk menentukan konsentrasi isotop stabil dalam air hujan dapat dipergunakan persamaan meteoric waterline. Konsentrasi isotop stabil dapat diekspresikan dalam nilai o( %0 ).

Faktor-faktor yang dapat menyebabkan terjadinya perubahan komposisi isotop stabil yaitu: pengaruh ketinggian daerah tangkapan hujan ( Altitude Effect ), pengaruh temperatur dan garis lintang ( temperature and latitude effect) dan pengaruh jumlah curah hujan ( amount effect ). Cara menetukan komposisi isotop stabil pada setiap daerah tangkapan hujan tidak sam a, semakin tinggi daerah semakin berkurang, di Indonesia besarnya penguranganlkenaikan IS0= 0,123 %0

1100m dan 2H =. 0,9195 %0/100m,makin rendah temperatur komposisi isotop stabil makin besar dan pada musim panas molekul-molekul masa berat terkondensasi menjadi hujan dan setiap penambahan curah hujan 100mm kandungan ISOberkurang 15 %

Kata kunci : Isotop alarn, hidrologi.

ABSTRACT

A LITERATUR

STUDY ON NATURAL

ISOTOPE

IN HYDROLOGY

SYSTEM.

In hydrology system stable isotope composition oksigen-18 esO) and deutrium

( 2H) can be used as trace element to determine history and quality of ground water. The

chemical characteristic of them are not accuring to exchange in chemical reaction and biology after interaction with mineral rock.Oksigen-18 esO) and deuterium (2H) are stable isotope composition with the largest pregnant in ground water.To determine concentration stable isotope composition can be used Standart Mean Ocean water ( SMOW ) and Jakarta Working Standart ( JAWS ). For determine concentration 2H and ISO in meteoric water can be used relation ship meteoric water line.Stable isotope concentration are expressed as 0 (%0) values. The factors that can cause accur to exchange stabil isotope composition are altitude effect , latitude effect and amount meteoric water effect. To determine catch a meteoric water at eash area is not same, so much the altitude effect stable isotope composition is depleted. In Indonesia Oksigen-18 esO) 0,123 %0

I

100m and deuterium( 2H)_ 0,9195 %0 1100m, temperature and latitude effect, so much low temperature stable isotope composition increase and the hevier molecules aecur condensation to meteoric water at the warmer climate and for increase 100mm amount effect oksigen-18 content to decrease 15%. Key word: Natural isotop, hidrology.

PUSAT PENGEMBANGAN GEOLOGI NUKLIR-BATAN ₅₂₉

lAPORAN HAS11. PENELlT1AN TAHUN 2003

PENDAHULUAN

Latar Belakang

ISBN.978-979-99141-2-5

Tulisan ini merupakan realisasi dari Usulan Kegiatan Penunjang Penelitian (UKPP) Bidang Eksplorasi dan Geologi dengan NO.Kode:P2BGGN/Eks/K/02 /2002.

Pada sistem hidrologi yang penting untuk dipelajari didalam menentukan kualitas air tanah yaitu: kandungan kimia ( hidrokimia) dim kandimgan isotop aram (hidrologi isotop alam) .Kedua kandungan tersebut sangat penting dalam menentukan kualitas air tanah yang layak untuk dikonsumsi manusia sebagai contoh air tanah mengandung isotop

yang bersifat radioaktif yaitu tritium 3H tidak layak dikonsumsi manusia. Air tanah yang mengandung isotop alam antara lain: deutrium (2H ),Oksigen( 180), tritium ( 3H) dan carbon 14( 14C ). Isotop -isotop tersebut dalam air berupa molekul-molekul H2180, HDO,HTO,

14C02 dapat diketahui dengan analisis isotop. Di alam isotop- isotop terdapat dalam air hujan ( meteoric water ), meskipun berinteraksi secara kimia dan biologi dengan mineral-mineral batuan, isotop-isotop tersebut tidak mengalami perubahan, oleh karenaitu .isotoptersebut dapat digunakan sebagai perunut dalam menentukan umur, asal-usul , arah aliran, dan kualitas air tanah.Sedangkan kandungan kimia setelah berinteraksi dengan mineral-mineral batuan dapat terjadi perubahan akibat proses kimia dan biologi berupa anion dan kation antara lain

cr,

cot.,

S04=, Ca2+, M~+, K+, Mn2+dapat dianalisis secara kimia. Kedua kandungan tersebutsatudengan"yang lainnya tidak saling mempengaruhi.

Pada tulisan ini akan dibahas khusus mengenai isotop alam dalam system hidrologi, hal ini dilaksanakan dalam rangka menunjang kegiatan eksplorasi dan geologi dalam pencarian air tanah (studi geohidrologi). Studi hidrologi isotop alam perlu dilakukan guna ""mengembangkanpengetahuan agar dapat berperan serta dalam menunjang kegiatan pencarian

air tanah.

Tujuan

Tinjauan pustakaisotop alam dalam sistem hidrologi adalah untuk mendapatkan pengetahuan tentang isotop alam yang bermanfaat dalam menentukankualitas ,umur dan arah aliran air tanah pada proses hidrologi

l.APORAN HASl1. PENEUTlAN TAHUN 2003

PEMBAHASAN Sistem Hidrologi

ISBN.978-979-99141-2-5

Dalam sistem hidrologi berdasarkan proses terjadinya dapat dibedakan 3 macam air yaitu :air hujan ( meteoric water ), air permukaan ( surface water) dan air tanah (ground water). Ketiga jenis air tersebut mempunyai kandungan kimia ( hidrokimia) dan kandungan isotop ( hidrologi isotop alam ) yang berbeda-beda, seperti terlihat pada gambar 1 ( siklus hidrologi ). Siklus hidrologi adalah merupakan proses berantai antara air permukaan dan air tanah. Air hujan jatuh kebumi tersebar merata, sebagian meresap kedalam tanah dan batuan melalui bagian-bagian yang lolos air menjadi air tanah dan sebagian menjadi air permukaan. Aliran air tanah mencapai suatu lapisan penampungan yang disebut aquifer, dan bergerak mengikuti kemiringan lapisan batuan sesuai dengan keadaan topografi. Air tanah lebih berkualitas dibandingkan air permukaan ditinjau dari segi kimia dan fisika karena air tanah telah melalui peristiwa infiltrasi, absorpsi dan penukar ion ( ion exchange). Selama infiltrasi air tanah mengandung atau mengikat mineral-mineral garam alkali yang dibutuhkan oleh tubuh manusia dan juga komponen kimia yang bersifat disinfektan sebagai pembasmi kuman-kuman. Air tanah yang bergerak di bagian tanah lunak disebut soil water, sedangkan pergerakan air tanah disebut ground water movement.

rainfeil (hnilm)

lingkungan air tanah ( belt soil of water)

aliran dari dataran tinggj

water table (level air)

pcnnukaan

saturan air

Gambar 1. Siklus Hidrologi

lAPORAN HASH_ PENELlT1AN TAHUN 2003 TSBN.978-979-99141-2-5

Isotop Alam

Atom atau unsur terdiri dari inti yang dikelilingi oleh elektron yang bergerak dalam orbitnya. Inti terdiri dari proton bermuatan

+

dan netron tidak bermuatan. Jumlah elektron suatu atom sarna dengan jumlah proton. Isotop adalah unsur yang mempunyai nomer atom sarna tetapi masanya berbeda.sebagai contoh atom hydrogen mempunyai isotop : protium, deuterium dan tritium seperti terlihat pada gambar 2

Kulit P=l

8N:'

Deuterium (2IH) P= 1 N=2

G

Tritium (31H )

Gambar 2: Isotop Hidrogen

Isotop atom hidrogen teTdiri dari : protium mempunyai 1 proton, lelektron dan 0 neutron; deutrium mempunyai 1 proton , 1 elektron dan 1 neutron. Sedangkan tritium mempunyai 1 proton, 1 elektron dan 2 neutron.

Isotop alam yang sering diketahui keberadaannya pada siklus hidrologi terdiri dari : 1. Tritium (3H )

2. Carbon-14 ( 14C)

3. Oksigen-18 (

180)

dan Deutrium (2H)

Proses terjadinya isotop pada sistem hidrologi

1. Tritium (

3H

)

Tritium merupakan isotop hidrogen yang tidak stabi1 bersifat radioaktif dengan umUT paruh 12,43 tahun [1] dan proses terjadinya pada sistem hidrologi dapat secara alamiah

l.,APORAN HASH. PENEUTTAN TAHUN 2003 ISBN.978-979-99141-2-5

dan buatan. Proses terjadinya tritium secara. alamiah adalah sebagai. akibat .interaksi neutron capat dan sinar kosmik dengan nitrogen di atmosfer dengan reaksi inti seperti berikut :

+ _{--- 6}P_{-C + \}3_{H + E}

Energi yang dihasilkan 18 keY. Sebelum tahun 1953 besamya tritiumdalam air tanah mencapai 2-4 TU (TU= Tritium Unit) 1 TU = 13H / ( 10\8 H atom ).Pada 1953 di bumi belahan utara terdapat uji thermonuklir yang menyebabkan kandungan tritium meningkat karena hasil uji thermonuklir 10-20 TU hingga pada tahun 1960 nilai pengkayaan diperkirakan mencapai 103 TU. Namun sekarang terjadi penurunan secara berangsur-angsur karena me1uruh sehingga diperkirakan mencapai 5-10 TU . Pada studi hidrologi tritium dapat dipergunakan untuk menentukan umur air taoah yaitu : jika air tanah hasil akhir proses pengkayaan mencapai< 3 TU hal ini menunjukan bahwa air tersebut berumur lebih dari 25 tahun. Bila dalam air tanah terdeteksi adanya tritium maka hal ini menunjukan: terjadinyaproses' pencampuran antara air lama dengan air barn ( sesudah tahun 1953 ).

2. Carbon-14

(14C)

Proses terjadinya carbon secara alamiah hampir sarna dengan tritium yaitu , sebagai akibat interaksi neutron sinar kosmik sekunder dengan inti nitrogen [1].

--- 614C +

IIH

+ 156 keY

14Cteroksidasi menjadi 14C02 dalam air tanah membentuk ion bicarbonat HCO- dan CO2 yang larnt dalam air dan meresap kedalam tanah. Carbon -14 memancarkan sinar 13 dan mempunyai waktu paruh 5730 tahun.

TAPORAN HASH. PENEUTTAN TAHUN 2003 ISBN.978-979-99141-2-5

3..Oksigen~18(

180

)dan .Deutrium

(2B.)

Penyusun molekulair terdiri dari hidrogen dan oksigen. Hidrogen mempunyai 3 isotop yang terdiri dari 2 isotop stabil clan lisotop tidakstabil bersifat radioaktif

Protium dan deutrium proses pembentukannya berbeda dengan tritium.Proses pembentukannya protium dan deutrium ( isotop hidrogen stabil ) secara alamiah melalui evaporasi,presipitasi dan kondensasi menjadi air hujan. Seclangkan tritium··

( isotop hidrogen tidak stabiL ) proses' pembentukannya .secara alamiah sebagai akibat interaksi sinar kosmik dengan nitrogen.

Di alam komposisi isotop hidrogen, oksigen dan carbon kelimpahannya dapat dilihat pada tabel 1 sebagai berlkut [2]:

Tabel 1. Komposisi isotop Hidrogen, Oksigen danCarbon dalam sistem hidrologi [2]. Isotop Komposisi

(%)

Tipe

IH{protium ) 99,984 stabil 2H ( deuterium) 0,016 stabil 3H ( tritium ) 0-10-15 radioaktif (12,3th) 160 ( oksigen) 99,76 stabiL 170 ( oksigen ) 0,04 stabil 180 ( oksigen ) 0,20 stabil 14C ( carbon -14 )

<

0,001 radioak'1if(5730th)

Isotop-isotop dalam air berupa molekul-molekul H2180, HDO, HTO , molekul ringan H2160 masa 18 dan molekul berat 2H2180. Pada perubahan phase dari cair ke gas, molekul-molekul berat dengan komposisi isotop stabil ( 180 dan 2H ) mempunyai kecenderungan berupa phase cair, sedangkan molekul ringan berupa uap dengan komposisi isotop stabil

e60

dan

IH

). Komposisi isotop stabil di atmosfer dipengaruhi oleh' temperatur"dan kelembaban:' Uap qair yang'mengalcimi pendinginan kemudian terkondensasi membentuk awan dan hujan, molekul berat ( 000 dan H2180 ) akan terkondensasi lebih dahulu sehingga uap air ( molekul berat ) akan mengalami

TAPORAN HAS"_ PENEUTTAN TAHUN 2003 ISBN. 978-979-99141-2-5

pengurangan ( depleted). Siklus evaporasi dan presipitasi di atmosfer merupakan proses fraksinasi memegang peranan penting dalam hidrologi isotop alamo

Interaksi air permukaan dengan air tanah

Siklus hidrologi merupakan proses berantai air yang berada dibumi berlangsung secara terus menerus sehingga mengalami proses-proses evaporasi (uap air), presipitasi (air hujan),dan pengaliran (air tanah) seperti terlihat pada gambar 1.Air taut ( surface water) mengalami evaporasi menuju atmosfer menjadi uap air , komposisi isotop stabil dipengaruhi oleh temperatur dan garis lintang (latitude effect). Uap air yang terdiri dari molekul berat (

lIDO

dan H2180

)

yang lebih dulu terkondensasi menjadi hujan dengan demikian uap air mengalami pengurangan molekul berat (depleted). Siklus evaporasi,dan presipitasi di atmosfer merupakan proses ttaksinasi yaitu:air hujan jatuh menembus tanah mengalami peresapan (infiltrasi) terjadi pengisian air tanah menjadi aquifer dan sebagian mengalir ke sungai yang disebut air permukaan bergerak mengikuti kemiringan lapisan tanah. Kandungan isotop didalam siklus hidrologi dapat dipergunakan sebagai perunut asal usul air tanah. Komposisi isotop stabil setelah berinteraksi dengan mineral-mineral padatan tidak mengalami reaksi kimia dan biologi ( tidak berpengaruh terhadap proses kimia dan biologi ) [3]. Isotop yang bersifat radioaktif (3H ) dari air permukaan meluruh lebihdulu sebelum'mencapai'permukaanair tanah',karena mempunyai umur paruh yang relatif singkat 12,43 tahun dan dapat dipergunakan untuk menentukan umur air tanah begitu juga carbon-14 (14C ). Pada kenyataannya air permukaan mempunyai komposisi isotop stabil lebih kecil /pengurangan dibandingkan air tanah yang mengalam evaporasi dan infiltrasi kedalam tanah. Perubahan isotop yaitu pengurangan ( depleted ) dan pengkayaan ( enrichment) bukan proses kimia dan biologi. Hasil penyelidikan [I] hubungan sistem air permukaan dan air tanah sebagai berikut : setiap 100 m perubahan ketinggian permukaan, komposisi isotop 180 berkurang -0,2%0 sampai -0,3%0 sebagai hasil efek ketinggian daerah tangkapan hujan ( altituade effect ). Perubahan komposisi isotop stabildalam air tanah merupakan hasil pengisian air hujan dan peresapan air sebagai contoh sungai Rio Chimbo daerah sebelah selatan Guayaguil di Ecuador

T.APORAN HASTI- PENEUTlAN TAHUN 2003 ISBN.978-979-99141-2-5

mempunyai variasi komposisi isotop stabil air tanah 180=4 %0 clan 2H=30 %0, hal ini

mengidentifikasikan bahwa air tanah tercampur 2 sumber yaitu sungai Rio Chimbo dan infiltrasi dari air hujan. [1]. Komposisi isotop stabil dalam pengukurannya dapat dipergunakan referensi standar isotop stabil oksigen dan hidrogen dalam air tanah dengan menggunakan SMOW ( Standart Mean Ocean Water) dan JAWS ( Jakarta Working Standart ); Air laut juga dapat diterima sebagai standar intemasionalkarena bersifat stabil, haL ini disebabkan karena penguapan tidak mempengaruhi jumLah air Laut yang berada di permukaan bumi yaitu sekitar 97,5 %.

Cara menentukan kandungan isotop dalam air tanah dapat digunakan rumus sebagai berikut: [1,2,3]

B

= (

Rs - R ref) / R ref x 1000 Dimana :

Rs

=

ratio isotopD/H atau 180 / 160

R ref

=

ratio isotop D / H atau 180/160 standar ( SMOW ,JAWS) B

=

konsentrasi isotop stabil180 dan 2H ( %0)

Sedangkan untuk menentukan kandungan isotop dalam air hujan ( meteoric water ), dengan menggunakan meteoric water line :

8 D

=

8 8 180

+

10

8

=

konsentrasi Deutrium dalam air hujan (0/00)

Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi isotop dalam air hujan

1. Pengaruh garis lintang dan temperatur ( latitude effect and temperature ). Faktor musim berpengaruh terhadap perubahan komposisi isotop stabil dalam air hujan . sebagai contoh air hujan di musim dingin isotop molekul berat bertambah dibandingkan musim panas karena pada temperatur rendah teIjadi kondensasi.

Sedangkan isotop molekul berat pada uap air di atmosfer mengalami pengurangi dan isotop masa ringan pada daerah garis lintang lebih besar.

/APORAN HASll, PENEUTlAN TAHUN 2003 ISBN.978-979-99141-2-5

2. Pengaruh ketinggian ( altitude effect) .Air hujan di daratan, 6 nya lebih kecil

dibandingkan air laut karena dipengaruhi oleh ketinggian rata-rata daerah tangkapan hujan.

Nilai 6 menurun dengan meningkatnya ketinggian 6 D =-4 %0 sampai -1,2 %0/100 meter dan 6 180 =-0,5 %0/100 meter [4]

3 Pengaruh jumlah curah hujan ( amount effect ). Jumlah hujan menunjukan komposisi isotop air diperkaya oleh isotop masa ringan ( IH dan 160 )pada setiap air hujandi daerah

tropis seperti di Indonesia jumlah curah hujan sangat berpengaruh terhadap kandungan deutrium 2H dan 180. Hubungan antara deutrium dan 180 dalam air hujan dapat

dipergunakan meteoric water line Setiap penambahan curah hujan 100mm akan menurunkan kandungan oksigen sebesar 15 %.Untuk menentukan komposisi isotop dalam air hujan dapat diperoleh dengan persamaan :

6 D

=

8 6 180

+

10

Hubungan sistematis ini dapat dipergunakan untuk mengevaluasi sejarah air tanah (asal usul air tanah).Diagram studi air tanah terlihat pada gambar 3 yaitu mengenai proses penyebab perubahan komposisi isotop stabilpada air tanah. Setiap negara mempunyai hubungan deutrium ( 2H ) dan 180 dengan slope yang tidak sarna.Wilayah yang curah

hujannya relatif sedikit , hubungan antara 2H dan 180 memiliki slope <8 pada meteoric

water line [1] tidak memberikan perubahan komposisi isotop yang berarti sebagai akibat efek ketinggian daerah tangkapan hujan ( altitude effect) . Pada masing-masing daerah mempunyai slope yang tidak sarna .Daerahdimana slope meteoric water line =8 dipengaruhi oleh temperatur dan-garislintang .Apabilatemperatur 'rendah' akan terjadi kondensaSi molekul isotop berat makin besar sehingga terjadi perubahan komposisi isotop stabil cukup berarti. Perbedaan temperatur kondensasi sangat berpengaruh pada perubahan komposisi isotop stabil dan proses-proses perubahan H2S , Si02nH20 , CO2 [3].

Gambar 4 memperlihatkan perubahan komposisi isotop air meteorik yang terjadi pada formasi recharge area dan air tanah sebagai berikut :

l.APORAN HASH_ PENEUTlAN TAHUN 2003 ISBN.978-979-99141-2-5

A Presipitasi air hujan ( Precipitation Meteoric Water)

Air permukaan mengalami evaporasi menjadi uap air pada temperatur tinggi. Uap air mengandung komposisi isotop masa ringan ( H dan 160 ) dan komposisi isotop masa berat

( 2H dan 180) membentuk molekul-molekul masa ringan (H2160), molekul masa berat ( HDO ,2H2180 ) .Pada temperatur rendah molekul masa berat lebih mudah terkondensasi

menjadi endapan air hujan sehingga molekul-molekul berat akan mengalami pengurangan (depleted ).

B.Daerah Sera pan ( Recharge Area)

Komposisi isotop stabil 180 dan 2H dari air hujan ( meteoric water ) jatuh ke bumi menjadi air permukaan dan sebagian melalui recharge area menjadi air tanah. Pada air permukaan teIjadi penguapan menyebabkan komposisi isotop stabil berkurang, sehingga komposisi isotop stabil pada air tanah lebih besar dibandingkan air permukaan.

C Air tanah ( Ground Water)

Komposisi isotop stabil pada air tanah akan mengalami pengkayaan ( enrichment ),air tanah merupakan pencampuran air laut ,air permukaan , air purba ( paleo water) dan adanya proses geo thermal.

KESIMPULAN

Dari hasil pembahasan pustaka hidrologi isotop alam dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

1. Konsentrasi komposisi isotop stabil

e80

dan 2H ) pada air permukaan dan air tanah dapat ditentukan dengan standar SMOW dan JAWS.

2. Komposisi isotop stabil

180

dan

2H

dapat dipergunakan sebagai perunut dalam'

menentukan asal usul dan kualitas air tanah karena sifat isotop stabil tersebut tidak mengalami perubahan proses kimia dan biologi setelah berinteraksi dengan mineral-mineral batuan.

l.APORAN HASll. PENEHTlAN TAHUN 2003 TSBN.978-979-99141-2-5

3. 180 dan 2H merupakan komposisi isotop stabil dengan kandungan terbesar dalam sistem hidrologi yang tidak berpengaruh bagi kesehatan manusia.

4. Pada pengaruh ketinggian daerah tangkapan hujan ( altitude effect) setiap daerah tidak sarna untuk slope <8 pada meteoric water line tidak terjadi perubahan konsentrasi yang sangat berarti terhadap komposisi isotop stabil , sedangkan untukslope =8 pada meteoric water line maka terjadi perubahan konsentrasi komposisi isotop stabiL

5. Hasil ketinggian tangkapan hujan (altitude effect) Di Indonesia 180 = O,123%o/100m

2H = -O,919%o/100m.

6. Pengaruh temperatur dan garis lintang (temperature and latitude effect)

Musim dingin konsentrasi isotop stabillebih besar dibandingkan musim panas karena molekul-molekul masa berat mengalami kondensasi pada suhu rendah.

6. Pengaruhjumlah curah hujan (amount effect)

Setiap penambahan jumlah curah hujan 100mm akan menurunkan kandungan oksigen-18 sebesar 15%

DAFTAR PUSTAKA

1. IAEA;" Guide Book On Nuclear Technique In Hydrology ," Technical Report Serie No 91,Viena, 1983.

2. R. Allan Freeze / Jonh A Cherry ;" Ground Water ," Department of Geological Universitas of British Colombia, 1979.

3. IAEA; "Guide Book On Nuclear Technique In Hydrology", Technical Report Serie, Viena, 1968.

4. Gat JR and Gon Fiautini ; " Stabil Isotope Hydrology Deutrium and Oksigen-18 in water Cycle Technical Report ,Serie No.21O,Viena, 1981.

PUSATPENGEMBANGANGEOLOGINUKLIR-BATAN ₅₃₉