UNIVERSITAS GADJAH MADA
FAKULTAS MIPA/JURUSAN FISIKA/PRODI
GEOFISIKA
Sekip Utara, Po. Box. 21 Yogyakarta 55281, Indonesia
Buku 2: RKPM
(Rencana Kegiatan Pembelajaran Mingguan)
Modul Pembelajaran Pertemuan ke V
GEODINAMIKA
Semester 5 /3 sks/
MFG 3919
Oleh
Muhammad Darwis Umar, SSi, Msi
Dr.-Ing. Ari Setiawan, MSi
Didanai dengan dana BOPTN P3-UGM
Tahun Anggaran 2013
BAB VI GEOCHRONOLOGY
PENDAHULUAN
Dalam pokok bahasan mengenai Geochronology mahasiswa dapat menjelaskan:: penentuan
umur batuan baik secara relative maupun absolute, metode dating yang lazim digunakan dalam
geochronology
PENYAJIAN
Dating Rocks dan Geological Events (Geochronology)
Ada dua metode
• Relative Dating – membandingkan dengan batuan lain lebih tua atau lebih muda
• Absolute Dating – umur batuan ditentukan dengan radiometric dating
Relative Dating
Tiga metode untuk mengetahui usia relatif batu.
• Hukum superposisi - batuan tertua akan menenmpati urutan paling dasar kecuali ada
pembalikan.
• Hukum hubungan cross-cutting – batuan muda memotong melintasi batuan yang lebih
tua.
• Hukum included fragments - batuan yang memiliki fragmen harus lebih muda dari batuan
asal fragmen tersebut.
Hukum Superposisi
Batuan tertua diendapkan pertama kali sehingga mereka berada di bawah dari struktur
misalnya sebuah antiklin seperti dapat dilihat pada gambar di bawah (kiri). Namun hal ini
tidak selalu terjadi jika struktur kebetulan terbalik. Hal ini dapat terjadi pada sesar naik
(gambar kanan). Batuan yang diendapkan pertama akan berada diatas diendapkan yang
kedua.
Hukum Cross – Cutting
Hal ini menyatakan bahwa jika suatu batuan memotongan melintasi batuan yang lain maka
batuan tersebut harus lebih muda dari batuan yang dipotong.
Pada gambar di bawah vertikal dike memotong batuan sekitarnya, sehingga dike harus lebih
muda dari batuan yang dilintasinya.
Hukum Included Fragments
Jika batuan mengandung fragmen dari batuan yang lain maka batuan tersebut harus lebih
muda dari batuan fragmen ini berasal. Sebagai contoh gambar dibawah, batuan yang
berwarna kuning harus lebih muda dari asal batuan berwarna hitam.
Skala waktu geologi dapat ditentukan dari:
•
Radiometric methods
• Dendrochronology (tree-rings)
•
Geochronology - stratigraphy
• Biostratigraphy (typical fossils)
• Ice core stratigraphy
Relative Dating:
Geochronology – stratigraphy
Absolute Dating
Metode Radiometri:
Tokoh-tokoh dalam bidang Radiometri:
Henri Bequerel (1896):
Penemu peluruhan radioaktif alam Uranium
Ernest Rutherford (1905):
Metode Radiometri - Prinsip (1):
•
Nomer atom
Z: Jumlah proton → posisi dalam table Periodic
• Nomer n
eutron
N: Jumlah neutron
• Nomer ma
sa
A = Z + N
Isotope
: Elemen Z sama, tetapi N berbeda
Metode Radiometri - Prinsip (2):
• Nucleus dipengaruhi oleh kesetimbangan gaya Coulomb (tolak-menolak) dan gaya
nuklir lemah (tarik-menarik pada jarak yang pendek)
• Untuk nomer atom Z > 83: tidak stabil → peluruhan radioaktif
• Isotop induk → isotop anak
Radioaktif and Geokronologi
Lord Rutherford pertama menunjukkan potensi isotop radioaktif untuk memanaskan
interior Bumi. Pada tahun 1905 ia mengusulkan bahwa mineral uranium dapat ditentukan
umurnya dengan menentukan jumlah helium radiogenik di dalamnya. Boltwood (1907)
menerbitkan penentuan umur Lord Rutherford pertama menunjukkan potensi isotop radioaktif
untuk memanaskan interior Bumi. Pada tahun 1905 ia mengusulkan bahwa mineral uranium
dapat ditentukan umurnya dengan menentukan jumlah helium radiogenik di dalamnya. Boltwood
(1907) menerbitkan penentuan umur pertama untuk uranite berdasarkan rasio uranium-lead (U /
Pb). Umur uranite adalah 410-535 Ma secara umum konsisten dengan pengukuran modern pada
batuan ini. Rangkuman studi awal dating dan skala waktu geologi pertama diusulkan oleh
Holmes (1913).
Geokronologi didasarkan pada peluruhan isotop induk radioaktif dengan densitas mol j
(mol per satuan massa) menjadi isotop anak radiogenik dengan densitas mol i * dan isotop
referensi non radiogenik anak dengan densitas mol i. Rasio isotop α didefinisikan sebagai
(10.1)
dan rasio komposisi induk-anak μ didefinisikan oleh
(10.2) Sebagai contoh spesifik, mempertimbangkan sistem isotop rubidium-strontium. Isotop induk radiogenik orubidium adalah 87Rb, isotop anak radigenetik strontium adalah 87Sr, dan isotop non radiogenik referensi strontium adalah 86Sr. Konsentrasi isotop induk radioaktif j dan isotop radiogenic anak i * bervariasi dengan waktu t sesuai dengan prinsip peluruhan radioaktif
(10.4)
dimana λ adalah konstanta peluruhan dan waktu t diukur ke depan. Konsentrasi isotop induk radioaktif mengalami penurunan terhadap waktu pada laju yang sebanding dengan konsentrasi isotop induk, sedangkan konsentrasi isotop anak radiogenik meningkat terhadap waktu dengan kecepatan yang sama. Integral dari Persamaan (10-3) dan (10-4) adalah
(10.5)
(10.6) dimana subscript nol mengacu pada konsentrasi pada t = 0. Waktu paruh t1/2 dari 764 Geodinamika
Kimia isotop induk radioaktif didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk setengah dari atom yang ada pada t = 0 meluruh. Dengan menempatkan j = j0 / 2 dalam Persamaan (10-5) kita memperoleh
(10.7) atau
(10.8)
Beberapa sistem isotop dipelajari lebih luas bersama-sama dengan konstanta peluruhan dan
waktu paruh diberikan dalam Tabel 10-1. Isotop dan komposisi rasio α dan μ dapat ditentukan
dengan menggunakan Persamaan (10-1), (10-2), (10-5) dan (10-6). Jika awal isotop dan
komposisi rasio pada waktu t = 0, α
0dan μ
0masing-masing ditentukan, evolusi waktu berikutnya
dari sistem tertutup diberikan oleh
(10.10) Eliminasi rasio komposisi awal μ0 dari pasangan ini memberikan persamaan
(10.11) Hubungan ini dapat digunakan untuk menentukan "umur" dari batu. Usia mengacu pada waktu ketika unsur-unsur yang relevan menjadi "beku" ke batu. Dalam kondisi ideal tidak ada penambahan atau pengurangan dari unsur-unsur ini akan terjadi sampai batuan tersebut dipelajari di laboratorium. Jadi pengukuran penanggalan dapat mewakili waktu sejak kristalisasi dari batu atau waktu sejak peristiwa metamorf ketika batu dipanaskan sampai suhu yang cukup tinggi untuk perubahan kimia terjadi. Untuk sejumlah sistem isotop adalah tepat untuk berasumsi bahwa λt «1.
Ketika pendekatan ini diterapkan untuk Persamaan (10-9) dan (10-10) kita memperoleh
α = α0 + λtμ0 (10.12)
μ = μ0. (10.13)
From Table 10–1 we see that this will be a good approximation for both the rubidium–strontium and samarium–neodymium systems. As a specific example of age dating, consider a rock that crystallized from a melt at timet=0. We assume that the isotope ratio in the melt α0 is a constant. The crystallized
rock will have a variety of minerals in it. As these minerals form, fractionation of the parent and daughter isotopes occurs.
Gambar 10.1 Rubidium - strontium isochron untuk gneiss Amitsoq dari distrik dthaab dari barat daya Greenland . Rasio isotop α diberikan sebagai fungsi dari rasio komposisi μ untuk berbagai mineral . ( Data dari Moorbath et al . , 1972) . Ini adalah salah satu batu terestrial tertua . Korelasi dengan Persamaan ( 10-12 ) memberikan τ umur = 3.65 Ga
Dalam beberapa mineral isotop induk diperkaya relatif terhadap isotop anak . Dalam mineral ini μ besar dan rasio isotop α menjadi semakin besar dari waktu ke waktu . Jika α0 adalah konstan dan jika batu
itu tidak megalami perubahan kimia , maka pengukuran α terhadap μ untuk mineral yang berbeda di batu harus berada pada garis lurus yang dikenal sebagai isochron keseluruhan -rock . Umur sebanding dengan kemiringan garis ini menurut Persamaan ( 10-12 ) .
Teknik penanggalan radiometrik saat ini digunakan secara luas termasuk peluruhan 87Rb ke 87Sr ,
147
Sm ke 143Nd , 40K ke 40Ar , 235U ke 207Pb , dan 238U ke 206Pb . Pertama-tama kita mempertimbangkan metode kencan Rb - Sr . Dari Tabel 10-1 paruh untuk sistem adalah 48,8 Gyr , sehingga pendekatan linear yang diberikan dalam Persamaan ( 10-12 ) berlaku . Rubidium adalah logam alkali yang pengganti untuk kalium dalam mika dan K - feldspar . Strontium adalah logam alkali tanah yang pengganti untuk kalsium dalam mineral seperti plagioklas dan apatit . Alami rubidium biasanya berisi 72,2 % 85Rb dan 28,8 %
87
Rb . Alami strontium biasanya berisi 82,5 % 88Sr , 7,0 % 87Sr , 9,9 % 86Sr , dan 0,6 % 84Sr . Radiogenic
87
Sebuah contoh dari isochron keseluruhan -batuan Rb - Sr diberikan pada Gambar 10-1 . Pada10.2 Radioaktivitas dan Geochronology 767 batu adalah gneiss Amitsoq dari West Greenland dan merupakan salah satu dari batuan terestrial tertua. Nilai sekarang dari isotop rasio α diplot terhadap nilai-nilai sekarang dari induk - anak rasio μ dari beberapa mineral dalam batuan ini. Garis lurus adalah yang paling cocok dari Persamaan ( 10-12 ) dengan data . Untuk mendapatkan kecocokan ini , didapatkan usia batuan menjadi τ = 3.65 Ga dan bahwa rasio isotop dari batu menjadi α0 = 0,70 . ( Kami menggunakan symbol t
dan satuan yr ketika waktu diukur maju dari masa lalu dan simbol τ dan satuan ketika waktu diukur mundur dari sekarang . )
Penanggalan radiometrik batuan tidak selalu sesederhana contoh ini . Pertama , karena produk peluruhan adalah isotop dari unsur-unsur seperti strontium , timbal , dan argon , ada ketidakpastian dalam jumlah elemen anak hadir pada t = 0 . Selain itu, batu-batu tidak merupakan sistem tertutup sempurna, ada beberapa pertukaran kedua atom induk dan anak dengan bahan sekitarnya . Ini menjadi perhatian khusus ketika produk peluruhan adalah gas seperti argon.