Geokimia Panas Bumi
description
Transcript of Geokimia Panas Bumi
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