GEOKIMIA PANAS BUMI

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. Pendahuluan

2. Geokimia Air Panas Bumi 3. Geokimia Gas Panas Bumi

Pendahuluan

Geokimia Panas Bumi/Geotermal mempelajari komposisi fluida panas bumi (air dan uap) dan proses-proses yang mempengaruhinya untuk mengetahui kondisi dan

Asumsi

Sistem geotermal adalah sistem hidrotermal terbuka

dan air yang didominasi oleh air meteorik merupakan media pembawa panas.

Karakteristik Air (H

₂

O)

Systematic name water

Alternative names aqua, dihydrogen monoxide, _{hydrogen hydroxide} Molecular formula H₂O

Molar mass 18.0153 g/mol

Density and phase 1.000 g/cm_{0.917 g/cm}3₃, liquid _{, solid} Melting point 0°C (273.15 K) (32ºF)

Boiling point 100°C (373.15 K) (212ºF)

pH H

₂

O vs Temperatur

 pH adalah fungsi dari Konstanta Disosiasi Air (Kw_H2O)

 H₂O  H+ _{+ OH}-

 Kw_H2O = [H+_][OH-_]

 -log Kw_H2O = -log [H+_{] + [– log [OH}-_{]]  pKw}

H2O = pH + pOH

 Kw adalah fungsi dari temperatur:

 Kw_H2O (25o_{C) = 10}-14 _{ pKw} H2O = 14  Kw_H2O (100o_{C) = 10}-12 _{ pKw} H2O = 12  Kw_H2O (250o_{C) = 10}-11 _{ pKw} H2O = 11

0 10 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 H2O 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 Expressed as -log Ka = pKa Temperature (oC)

Boiling point Vaporization Condensation (solid) (liquid) (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 (H_liq)  Entalpi uap (H_vap)

 Manifestasi panas bumi di permukaan memberikan

Boiling Point Depth (BPD)

 Tekanan vs titik didih (boiling point) air

 Tekanan air (P) sebagai fungsi dari kedalaman (h):

 P_Hidrostatik = 0,1897 h0,8719

 P_Hidrodinamik = 0,2087 h0,8719 _{= 1.1 P}

290o_C

Geokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan

2. Geokimia Air Panas Bumi 3. Geokimia Gas anas Bumi

Unsur-unsur Kimia Fluida

 Terdiri dari unsur-unsur terlarut berupa:

 Anion: Cl-_{, HCO}

3-, SO4-2, NH4-, F-, I-, Br-

 Kation: Na+_{, K}+_{, Ca}+2_{, Mg}+2_{, Rb}+_{, Cs}+_{, Li}+_{, Mn}+2_{, Fe}+2_{, Al}+3_,

ion-ion 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- _{+ CO} 3-2)

 B adalah boron total (B = H₃BO₃ + H₂BO₃- _{+ HBO}

3-2 + 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 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

Unsur-unsur Kimia Fluida

Dipengaruhi oleh:

 Asal air

 Penambahan unsur volatil magmatik

 Cl sebagai HCl, C sebagai CO₂, S sebagai SO₂  Kenampakan isotop Helium (3_He/4_He)

 Kesetimbangan fluida-mineral

 Mineral (jenis batuan)  Suhu

 Dominasi batuan

 Proses

 Boiling

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-

Air Sulfat (SO

₄

)

 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

Air Cl dan SO

₄

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

Air Bikarbonat (HCO

₃

)

 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

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.

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

Na K Mg Ca Cl SO₄ HCO₃

1 Ngawha NG-9, NZ 230 7.7 893 79 0 3 1,260 18 185

2 Wairakei WK-66, NZ 240 8.5 995 142 0 17 1,675 30 <5 3 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

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

Air tanah 6 - 7.5 jejak HCO₃

-Air klorida (Cl) 4 - 9 Cl, jejak HCO₃

-Air klorida-bikarbonat (Cl-HCO₃) 7 - 8.5 Cl, HCO₃

-Air bikarbonat (HCO₃) 5 - 7 HCO₃

-Air asam sulfat (SO₄) 1 - 3 SO₄2-_{, jejak Cl}

Tipe air apakah yang hadir

pada manifestasi ini?

Yellowstone National Park, USA Pohutu Geyser, Rotorua

Waimangu, New Zealand

Cl water

Geokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan

2. Geokimia Air Panas Bumi 3. Geokimia Gas Panas Bumi

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

CO

₂

 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,

H

₂

S

 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

NH

₃

 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 Hg_vapour dan gas HgS.

 Hg_vapour akan berkurang dengan meningkatnya konsentrasi H₂S.  Asosiasi: sulfida, oksida, material organik dan unsur logam

 Tritium (3_H)

Komposisi Gas atau Uap

 Temparatur dan tekanan reservoir  Kandungan gas pada fluida reservoir  Solubilitas gas pada fasa liquid

 Koefisien distribusi massa gas dalam fasa uap

dan liquid (B_gas=c_vapour/c_liquid)

 Reaksi yang terjadi saat naik ke permukaan:

 Boiling

 Kondensasi  Oksidasi

Solubilitas Gas

Kimia Keluaran Gas Geotermal

Field/feature Separation

pressure Enthalpy Steam fraction Total gas in steam CO2 H2S CH2 H2 N2 NH3 (bg) (kJ/kg) (y) (mmol/mol steam) millimoles/mole total gas

Wells: liquid dominated systems

Wairakei, NZ Average 1 1135 0.3 0.2 917 44 9 8 15 6 Tauhara, NZ Well 1 8.8 1120 0.2 1.2 936 64 - - - - Ohaaki, NZ Well 22 10 1169 0.19 10.04 956 18.4 11.8 1.01 8.89 4.65 Ngawha, NZ Well 4 1.87 966 0.19 24.5 945 11.7 28.1 3.0 2.1 10.2 Cerro Prieto, Mexico

Well 19A 6.6 1182 0.289 5.88 822 79.1 39.8 28.6 5.1 23.1 Tongonan, Philippines

Well 103 7.6 1615 0.414 2.95 932 55 4.1 3.6 1.2 4.3 Reykjanes, Iceland

Well 9 19.0 1154 0.135 0.248 962 29 1 2 6 -

Wells: vapour dominated systems

The Geyser, USA

Average - 2793 1.0 5.9 550 48 95 150 30 125 Larderello, Italy Average - 2804 1.0 20.0 941 16 12 23 8 8 Fumarola Wairakei, NZ Karapiti - (115°C) 1.0 1.7 946 23 7.4 10 11 2.6 Larderello, Italy Average - (100°C) 1.0 30.0 923 20.6 14 26 10.7 -

Geokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan

2. Geokimia Air Panas Bumi 3. Geokimia Gas Panas Bumi

Estimasi karakteristik reservoir

 Temperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.  pH fluida, yaitu dengan menggunakan dasar

kesetimbangan reaksi tertentu.

 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

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

 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 K-Na  Geotermometer K-Mg

 Geotermometer K-Na-Mg  Geotermometer K-Na-Ca  Geotermometer Na-Li

 Geotermometer Silika (SiO₂)

 Geotermometer Kuarsa

 Geotermometer K-Na

 Geotermometer K-Mg

Geotermometer Silika

 Fournier (1981, 1985)

 Reaksi dasar : SiO_{2 (s)} + 2 H₂O ↔ H₂SiO₄

 Berdasarkan solubilitas berbagai jenis silika yang

Geotermometer Kuarsa

 T_reservoir = 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

Geotermometer Kuarsa

1. Kuarsa – no steam loss 1309 t _{5.19 – log SiO}oC = --- – 273

2 t = 0 – 250

o_C

2. Kuarsa – max steam loss 1522 t _{5.75 – log SiO}oC = --- – 273

2 t = 0 – 250

Geotermometer K-Na

 Fournier (1979), Giggenbach (1988)  K+ _{+ Na-feldspar ↔ K-feldspar + Na}+

(albit) (adularia)

 Rasio Na/K berkurang dengan meningkatnya temperatur

fluida

 t_res > 180oC hingga 350oC

 t_res < 100o_{C, rasio Na/K tidak lagi mengontrol}

kesetimbangan feldspar

 Tidak dipengaruhi oleh pelarutan (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

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 t _{log (Na/K) + 1.483} oC = --- – 273 t > 150o_C

2. Na-K (Giggenbach) 1390 t _{log (Na/K) + 1.75} oC = --- – 273 t > 150o_C

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 to_{C pH Na K Ca Mg Cl SO}

4 HCO3 SiO2

mg/kg

Mataair A (1964) 95 8,0 820 59 23,7 0,32 1342 62 18 200