GEOKIMIA PANAS BUMIGEOKIMIA PANAS BUMI

Niniek Rina HerdianitaKK Geologi Terapan

Program Studi Sarjana dan Magister Teknik GeologiProgram Studi Magister Teknik Panas Bumi

Institut Teknologi Bandung

Geokimia Panas BumiGeokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan2. Geokimia Air Panas Bumi3. Geokimia Gas Panas Bumi4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

PendahuluanPendahuluan

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

AsumsiAsumsi

Sistem geotermal adalah sistem hidrotermal terbuka dan air yang didominasi oleh air meteorik merupakan media pembawa panas.

Karakteristik Air (HKarakteristik Air (H22O)O)

Systematic name water

Alternative namesaqua, dihydrogen monoxide,hydrogen hydroxide

Molecular formula H2O

Molar mass 18.0153 g/mol

Density and phase1.000 g/cm3, liquid0.917 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 HDensitas H22O vs TemperaturO vs Temperatur

pH HpH H22OO

pH HpH H22O vs TemperaturO 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

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)

Solubilitas AirSolubilitas Air

Diagram Fasa HDiagram Fasa H22OO

Boiling point

VaporizationCondensation

(solid)

(liquid)

(gas)

Boiling = MendidihBoiling = 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 TersimpanEntalpi (H) = Panas Tersimpan

Tekanan vs Boiling PointTekanan vs Boiling Point

Boiling Point Depth (BPD)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 BumiGeokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan2. Geokimia Air Panas Bumi3. Geokimia Gas anas Bumi4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

Unsur-unsur Kimia FluidaUnsur-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, 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

- + 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 FluidaUnsur-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 mis. Cl, B, Li dan Br

Unsur-unsur Kimia FluidaUnsur-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 FluidaAsal Fluida

Air Klorida (Cl)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 (SOAir Sulfat (SO44))

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 SOAir Cl dan SO44

Air Cl dan SOAir Cl dan SO44

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 (HCOAir Bikarbonat (HCO33))

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 MeteorikAir 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 AsinAir 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?Tipe air apakah sampel ini?

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

No LOKASI t (°C) pHKimia 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 -

No LOKASI t (°C) pHKimia Air (mg/kg)

Kisaran pHKisaran pH Anion UtamaAnion 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

Air asam sulfat-klorida (SO4-Cl)

1 - 5 SO42-, Cl

Tipe air apakah yang hadirTipe air apakah yang hadir

pada manifestasi ini?pada manifestasi ini?

Artist’s Palette, Waiotapu, New Zealand

Yellowstone National Park, USAPohutu Geyser, Rotorua

Champagne Pool, NZ

Travertin Stone, Pamukale, Turkey

Papandayan, Jawa Barat

Waimangu, New Zealand

Cl waterCl water

SOSO44 water water

Geokimia Panas BumiGeokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan2. Geokimia Air Panas Bumi3. Geokimia Gas Panas Bumi4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

Gas-gas Panas BumiGas-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 GasKeluaran 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

COCO22

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.

HH22SS

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.

NHNH33

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 LogamVolatil 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 UapKomposisi 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 (Bgas=cvapour/cliquid)

Reaksi yang terjadi saat naik ke permukaan: Boiling Kondensasi Oksidasi Interaksi batuan/mineral)

Solubilitas GasSolubilitas Gas

(least soluble) N2<O2<H2<CH4<CO2<H2S<NH3 (most soluble)

Kimia Keluaran Gas GeotermalKimia Keluaran Gas GeotermalField/ 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 BumiGeokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan2. Geokimia Air Panas Bumi3. Geokimia Gas Panas Bumi4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

Estimasi karakteristik reservoirEstimasi 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.

Temperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.

GeotermometerGeotermometer

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 TerlarutGeotermometer 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

Air Cl ber-pH netral

Geotermometer Unsur TerlarutGeotermometer 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 K-Na-Mg

Geotermometer SilikaGeotermometer Silika

Fournier (1981, 1985)

Reaksi dasar : SiO2 (s) + 2 H2O ↔ H2SiO4

Berdasarkan solubilitas berbagai jenis silika yang berbeda di air sebagai fungsi dari temperatur

Geotermometer KuarsaGeotermometer 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 KuarsaGeotermometer Kuarsa

1. Kuarsa – no steam loss 1309toC = -------------------- – 273 5.19 – log SiO2

t = 0 – 250oC

2. Kuarsa – max steam loss 1522toC = -------------------- – 273 5.75 – log SiO2

t = 0 – 250oC

Geotermometer K-NaGeotermometer 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 tidak lagi mengontrol kesetimbangan feldspar

Tidak dipengaruhi oleh pelarutan (dilution) dan hilangnya uap air

Geotermometer K-MgGeotermometer 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-MgGeotermometer 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-MgGeotermometer K-Na, K-Mg, K-Na-Mg

1. Na-K (Fournier) 1271toC = ------------------------- – 273 log (Na/K) + 1.483

t > 150oC

2. Na-K (Giggenbach) 1390toC = ------------------------- – 273 log (Na/K) + 1.75

t > 150oC

3. K-Mg 4410toC = ------------------------- – 273 14.0 – log (K2/Mg)

t > 150oC

Geotermometer K-Na-MgGeotermometer K-Na-Mg

Geotermometer lainGeotermometer lain

Geotermometer Gas Geotermometer Isotop

““The choice and interpretation of geothermometer dataThe choice and interpretation of geothermometer dataare the art of the geochemist.”are the art of the geochemist.”

Latihan 1Latihan 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