Bab IV Hasil dan Diskusi
IV.1
Hasil
Dari hasil ekstraksi diperoleh mineral-mineral magnetik dengan bentuk dan komposisi yang variatif. Perbedaan ini dipahami sebagai pengaruh kondisi lingkungan tempat terbentuknya mineral tersebut (terjadi dalam lingkungan sedimen yang oxic atau anoxic). Hasil ekstraksi magnetik dari lumpur memperlihatkan bentuk mineral magnetik tersebut berada dalam beberapa keadaan: 1. Mineral magnetik yang masih ditutupi oleh komposisi besi (Fe) dan silikat (Si) di permukaannya. 2. Mineral magnetik yang mengalami intergrowth dengan ukuran yang sangat halus dan banyak menempel dalam matrix silicate (gambar IV.8 dan IV.9). 3. Berbentuk amorphous (individual grain) yang memiliki kandungan oksida besi (titanomagnetite, titanomaghemite) dan sulfida besi (pyrrhotite dan pyrite) dengan ukuran yang relatif cukup besar (> 20 µm). Selain bentuk yang variatif, dari hasil EDX diperoleh kandungan yang berbedabeda pada bulir yang ada, sehingga ada indikasi bahwa terdapat mineral magnetik yang sedang mengalami perubahan struktur magnetik (intergrowth) karena proses oksidasi. Gambar-gambar spektrum EDX berikut merupakan representasi dari hasil ekstraksi magnetik untuk beberapa area (spot). Dari hasil EDX kita belum bisa menentukan mineral secara tepat, tetapi metode ini sangat membantu kita dalam menentukan sulfida besi dan oksida besi (dengan kandungan titanium yang variatif).
IV.1.1 Oksida Besi Beberapa bulir magnetik yang dianalisa umumnya mengandung Fe-TiO. Bulirbulir ini merepresentasikan adanya sifat magnetik dengan komposisi mineral FeO, titanomagnetite dan titanomaghemite (keluarga besi-titanum oksida) yang banyak
18
terdapat di alam. Dari hasil spectrum EDX, hampir semua bulir yang tampak masih terkontaminasi oleh pengaruh matrix silicate (seperti: Al, Mg, Si, Ca, K) atau beberapa mineral lain dalam jumlah yang bervariasi. Dari gambar IV.2 diperoleh indikasi beberapa keadaan untuk mineral magnetik seperti; terdapatnya mineral magnetik yang masih ditutupi oleh matrix silicate (Si) di permukaannya (area 2), mineral magnetik dengan ukuran yang halus dan menempel pada cluster silikat (area 3). Bentuk cluster (individual grain) yang memiliki kandungan oksida besi tinggi dengan ukuran relatif besar (pada permukaan area 1), pada permukaan area 1 diindikasikan bahwa beberapa mineral saling berasosiasi dengan butiran FeO. Mineral-mineral yang berasosiasi ini diperkirakan merupakan hasil dari proses oksidasi pada permukaan FeO tersebut. Pada setiap titik pengamatan EDX selalu didapatkan senyawa yang mengandung unsur titanium (Ti). Hasil ini mempertegas kenyataan bahwa mineral magnetik dari lumpur ini tergolong kelompok Fe-TiO dan merupakan hasil proses sedimentasi dari material atau partikel vulkanik. Ukuran individualnya cendrung besar (> 20 µm). Hasil analisis EDX dari gambar (IV.3, IV.4 dan IV.5) merepresentasikan kandungan FeO yang tinggi. Selain senyawa ini, terdapat juga kandungan kadar Ti yang cukup signifikan. Keberadaan unsur Ti sangat penting dalam proses pembentukan senyawa Fe-TiO. Senyawa ini sebagian besar merupakan bagian dari kelompok ulvöspinel-magnetite atau bagian dari yang telah mengalami oksidasi seperti kelompok maghemite-titanomaghemite dan ilmenitehematite. Kelompok Fe-TiO jika mengalami proses oksidasi pada temperatur yang rendah dan tinggi akan memiliki teksture yang berbeda (gambar IV.6). Menurut Freeman (1986), hal ini merupakan proses oksidasi mineral magnetite yang dihasilkan oleh proses pelapukan, mineral yang dihasilkan adalah ilmenite lamellae.
19
Gambar IV.1 Citra Backscatter Electron (BSE) dari hasil ekstraksi magnetik lumpur, memperlihatkan bentuk mineral magnetik tersebut berada dalam beberapa keadaan, bulir yang terang mengindikasikan bahwa terdapat kandungan besi yang tinggi di permukaannya. Untuk bulir yang berwarna gelap diindikasi bahwa pada permukaan masih ditutupi oleh lempung.
Gambar IV.2 Citra BSE dengan perbesaran 550 kali dan hasil analisa EDS (lampiran 1) yang menunjukan area 1 dan 3 memiliki kandungan oksida besi yang tinggi (permukaan yang berwarna terang). Pada area 2, bulir yang memiliki kandungan silikat tinggi (berwarna cendrung gelap) dan pada area 3 tampak bahwa bulir magnetik tersebut menempel pada matrix silicate.
20
Gambar IV.3 Citra BSE dari hasil ekstraksi magnetik untuk oksida besi yang diidentifikasi sebagai Fe-TiO, dengan morphology berupa cluster besar oksida besi. Analisis EDS (lampiran 1) memperlihatkan bahwa oksida besi ini cendrung memiliki komposisi titanomaghemite atau hematite.
Gambar IV.4 Citra BSE untuk oksida besi yang diidentifikasi sebagai Fe-TiO, dengan morphology oksida besi berupa cluster besar. Analisis EDS (lampiran 1) memperlihatkan bahwa oksida besi ini cendrung memiliki komposisi titanomaghemite atau hematite.
21
Gambar IV.5 Citra BSE untuk oksida besi yang diidentifikasi sebagai Fe-TiO (berwarna terang) dan mineral silikat untuk warna yang cendrung gelap, dengan morphology oksida besi berupa cluster besar. Dari analisis EDS (lampiran 1) memperlihatkan bahwa oksida besi ini cendrung memiliki komposisi yang terdiri dari titanomagnetite (area 1) dan titanomaghemite (area 2,3).
Gambar IV.6 dari citra BSE dan hasil EDS (lampiran 1) menunjukan bahwa area tersebut merupakan titanohematite lamellae. Pada permukaan bulir terdapat tekstur berbentuk jeruji yang disebabkan oleh proses oksidasi pada suhu tinggi (Garming et al., 2005).
22
Gambar IV.7 Citra BSE dan hasil EDS (lampiran 1) menunjukan bahwa spot tersebut mengandung oksida besi dan sulfida besi, mengalami proses transisi (intergrowth) pergantian dari oksida besi menjadi sulfida besi pada matrix silicate. Hal menarik lainnya spot tersebut memiliki kandungan carbon yang cukup tinggi.
Gambar IV.8 Citra BSE dan EDS menunjukan spot (1 dan 2) memiliki kandungan oksida besi yang tinggi, (3) bulir memiliki kandungan sulfida besi yang tinggi (dari hasil analisa EDS diduga bahwa mineral ini merupakan pyrrhotite), semua mineral magnetik tersebut menempel pada bongkahan besar yang memiliki kandungan silikat tinggi.
23
Gambar IV.9 Citra BSE dari hasil ekstraksi magnetik, hasil EDS (lampiran 2) menunjukan spot tersebut memiliki kandungan oksida besi dan sulfida besi. Bulir yang berbentuk framboidal ini diperkirakan sedang mengalami proses transisi pergantian (intergrowth) dari (titano-) magnetite menjadi sulfida besi (diidentifikasi sebagai pyrite) atau juga dikenal sebagai proses pyritisasi, pyritisasi ini biasanya berlangsung saat proses late diagenesis.
Gambar IV.10 Citra BSE dari hasil ekstraksi magnetik untuk sulfida besi yang diidentifikasi sebagai pyrrhotite (1 dan 2), dengan morphology hexagonal, analisis EDS (lampiran 2) memperlihatkan bahwa sulfida besi ini memiliki komposisi monoclinic pyrrhotite (Fe7 S8).
24
Gambar IV.11 Citra BSE dari hasil ekstraksi magnetik untuk sulfida besi yang diidentifikasi sebagai pyrrhotite (1, 2 dan 3), dengan morphology menyerupai hexagonal, analisis EDS (lampiran 2) memperlihatkan bahwa sulfida besi ini memiliki komposisi hexagonal pyrrhotite (FeS).
Gambar IV.12 Citra untuk sulfida besi yang diidentifikasi sebagai pyrite (1), dan masih terdapatnya lempung di sekitarnya. dengan morphology framboidal, analisis EDS (lampiran 2) memperlihatkan bahwa sulfida besi ini memiliki komposisi pyrite (FeS2), merupakan hasil dari proses overgrowth magnetite.
25
IV.1.2 Sulfida Besi Hasil Scanning Elektron Microscope (SEM) mengindikasi bahwa mineral magnetik LUSI adalah sulfida besi seperti seperti pyrite dan pyrrhotite. Mineral-mineral ini berada dalam 2 keadaan: 1. Sulfida besi yang merupakan perubahan dari oksida besi karena proses overgrowth (berbentuk bulir halus dan menempel pada matrix silicate). 2. Berbentuk cluster dari sulfida besi dengan ukuran besar dari 20 µm. Mineral-mineral sulfida besi pada LUSI diduga terdapat dalam fasa authigenic pada lapisan sedimen yang anoxic. Keberadaan mineral magnetik sulfida besi dalam sedimen merupakan suatu hal yang menarik, karena memberikan implikasi atau gambaran mengenai magnetostratigraphy-nya. Proses diagenesis dan authigenesis dapat berperan dalam memberikan efek yang signifikan untuk mineral magnetik pada sedimen, khususnya mineral magnetik sulfida besi (Karlin dan Levi, 1983). Menurut Rickard (1995), pyrrhotite terbentuk setelah terjadinya proses kompaksi pada sedimen, sehingga tidak mungkin terjadi pada saat early diagenesis, dan pyrrhotite banyak ditemukan pada sedimen tua. Selain itu, beberapa penelitian sebelumnya menunjukan bahwa terbentuknya pyrrhotite di dalam batuan membutuhkan waktu paling sedikit beberapa juta tahun dengan proses kimia yang cukup panjang untuk membentuk monoclinic pyrrhotite (Horng dan Roberts, 2006). Hal ini memberi implikasi terhadap dugaan bahwa mineral magnetik LUSI terbentuk dari proses kompaksi yang lama. Dalam kondisi diagenesis, pembentukan monoclinic pyrrhotite (Fe7S8) terjadi sangat lambat dengan temperatur sekitar ~180°C, yang membuat hal ini tidak mungkin memberikan sifat remanen diagenesis dalam sedimen (Horng dan Roberts, 2006). Keberadaan monoclinic pyrrhotite dalam kawasan sabuk metamorf lebih cendrung berbentuk detrital jika dibandingkan dengan proses authigenesis mineral magnetik di kawasan cekungan atau lingkungan yang sama (Horng dan Roberts, 2006). Untuk itu dapat disimpulkan bahwa kecil kemungkinan terbentuknya pyrrhotite pada LUSI saat early diagenesis.
26
Pyrrhotite banyak terdapat dalam sedimen yang memiliki struktur halus, dan biasanya berdampingan dengan greigite (Horng, 1998; Sagnotti, 2001; Weaver, 2002). Dampak dari mineral-mineral besi yang reaktif terhadap material organik merupakan faktor yang mengontrol perubahan bentuk FeS menjadi greigite atau menjadi pyrrhotite (Kao et al., 2004). Dibandingkan dengan greigite, pyrrhotite secara istimewa dapat terbentuk dalam keadaan lingkungan reduktif dan kosentrasi H2S yang tinggi, hal ini dapat diidentifikasi dengan pemakaian karbon organic yang tinggi (Kao et al., 2004).
IV.2
Diskusi
Umumnya mineral magnetik alami utama dalam sedimen dan banyak terdapat di alam adalah magnetite (Fe3O4) dan hematite (Fe2O3) dari keluarga oksida besi (iron oxide). Mineral ini merupakan mineral pelengkap pada banyak batuan yang terbentuk dari proses oksidasi lava. selama proses sedimentasi, perubahan pada mineral magnetik dipengaruhi oleh proses diagenetik. Hal yang mempengaruhi antara lain: jenis lingkungan sedimentasi dan ukuran bulir magnetite yang mengalami oksidasi. Pada tahap awal dalam lingkungan yang kaya akan oksigen (oxic) terjadi perubahan mineralogy, seperti perubahan magnetite menjadi hematite atau maghemite. Proses ini, biasanya banyak terjadi pada sedimen yang berumur muda dan berada dekat pada permukaan. Sehingga besar kemungkinan bahwa beberapa mineral Fe-TiO yang memiliki ukuran relatif besar (gambar IV.3 dan IV.4) berasal dari lapisan sedimen yang masih muda dan diduga mineral ini merupakan detrital dari material atau partikel hasil proses vulkanik, karena belum terjadi proses dissolusi dan perubahan struktur karena proses diagenesis. 4Fe3O4 + O2 → 6 Fe2O3
...........................................................
(1)
Selain keadaan lingkungan, laju proses oksidasi juga di kontrol oleh rasio bulir (luas permukaan/volume bulir). Bulir dengan ukuran halus akan cendrung cepat mengalami proses oksidasi.
27
Untuk zona diagenesis yang berbeda, maka akan diperoleh kandungan atau jenis mineral besi yang berbeda juga, hal ini tidak hanya berlaku untuk oksida besi saja tetapi juga termasuk mineral besi lainnya. Berdasarkan SEM diperoleh mineral magnetik LUSI ada yang berbentuk butiran yang menempel pada matrix silicate (gambar IV.8 area 3) amorphous dengan kandungan silikat (gambar IV.10 dan IV.11). Bentuk ini mengindikasikan bahwa lingkungan tempat terbentuk mineral ini memiliki kandungan sulphate yang tinggi. Dalam lingkungan dengan tingkat reduksi yang tinggi maka biasanya terdapat mineral besi dalam beberapa keadaan: berupa mineral besi yang memiliki sedikit kandungan oksigen, pyrite dan mineral besi lainnya (gambar IV.9 dan IV.12). Selain itu, secara umum mineral magnetik LUSI terdiri dari titanomagnetite dan titanomaghemite. Dengan adanya kedua mineral ini ada kemungkinan terdapatnya suatu zona tempat terjadinya reduksi oksida besi LUSI menjadi sulfida besi. Dalam lingkungan anoxic, yang berada pada struktur yang dalam, hidrogen sulfida (H2S) sangat dibutuhkan dalam pembentukan sulfida besi. Hal ini sangat dipengaruhi oleh proses reduksi biogenik dari sulphate (SO42-) dan oksidasi dari methane (CH4). Menurut Boetius (2000) di dalam sedimen yang terdapat gas hydrate, terjadi proses reduksi pada sulphate dan oksidasi pada methane. Hasil reaksi dari sulphate-methane ini akan menghasilkan hidrogen sulphite (HS-) yang berperan penting dalam proses desolusi Fe-TiO khususnya magnetite. Reaksinya dapat ditunjukan pada persamaan di bawah ini (Garming et al., 2005): CH4 + SO42- → HCO3- + HS- + H2O
..........................................
(2)
Pada saat kadar hidrogen sulphite (HS-) melebihi konsentrasi besi yang tereduksi, sehingga terjadi proses disolusi pada magnetite (Evans dan Heller, 2003). Proses reduksi untuk magnetite adalah: Fe3O4 + HS- + 7H+ → 3Fe2+ + S0 + 4H2O
28
..........................................
(3)
Dalam konsentrasi air pori yang tinggi pada lingkungan hidrogen sulfida akan membutuhkan waktu yang cukup lama untuk membentuk pyrrothite dari mineral magnetite (Canfield dan Berner, 1987). Mineral magnetite dapat bertahan jika tidak terdapat formasi yang memiliki kandungan hidrogen sulfida (H2S), atau jika kandungan hidrogen sulfida tidak mencukupi maka dapat bereaksi dengan mineral oksida besi yang lebih reaktif (Canfield dan Berner, 1987). Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Emiroglu (2004) dan oleh Liu (2004) memperlihatkan hal yang sebaliknya, hematite dan geothite lebih cendrung resistant terhadap proses desolusi reduktif dalam kondisi sulfida jika dibandingkan dengan magnetite, walaupun pada akhirnya mineral ini akan tetap mengalami reduksi. Selanjutnya Fe2+ dari hasil persamaan reaksi 3 di atas dapat bereaksi dengan HS- secara langsung (Berner, 1970) : Fe2+ + HS- → FeS(s) + H+
...........................................................
(4)
Untuk fasa (Mono) sulphidic (seperti mackinawite, greigite dan pyrrhotite) merupakan mineral yang pertama kali terbentuk ketika besi yang mengalami reduksi bereaksi dengan hidrogen sulfid (Berner, 1984; Roberts dan Turner, 1993) sehingga dapat diindikasi bahwa untuk mineral pada gambar IV.10 dan IV.11 yang merupakan monoclinik pyrrhotite dan hexagonal pyrrhotite terbentuk pada reaksi ini, beberapa literatur mengatakan bahwa pyrrhotite merupakan mineral intermediate pada saat terjadi proses perubahan dari FeS menjadi pyrite. Selama sisa atau kelebihan dari hydrogen sulfid ini masih ada di dalam lingkungan tersebut maka mineral ini akan tidak stabil dan akan berubah menjadi pyrite (Schoonen dan Barnes, 1991). Menurut Morse (2002) proses oksidasi FeS oleh hidrogen sulfida cendrung lebih cepat jika dibandingkan dengan proses oksidasi oleh unsur sulfur. Selain phyrrotite mineral lain yang dimiliki LUSI adalah pyrite (gambar IV.12). Mineral ini diduga terbentuk karena proses oksidasi oleh adanya kandungan HSdalam lingkungan dimana mineral ini terbentuk. Menurut Rickard (1997) proses
29
terbentuknya pyrite karena proses oksidasi oleh HS- terjadi dalam keadaan thermodinamic: FeS(s) + HS- (aq) + H+ (aq) → FeS2(s) + H2(g)
........................
(5)
Menurut Shuh-Ji Kao (2004), perbedaan antara distribusi ukuran bulir pada greigite dan pyrrhotite dipengaruhi oleh lingkungan tempat terbentuknya mineral ini, hal ini didukung oleh penelitian yang dilakukan oleh Horng. Greigite ditemukan dalam lingkungan sedimen laut dengan kedalaman sekitar 500-1500 m, sedangkan pyrrhotite ditemukan dalam sedimen laut dangkal dengan kedalaman 30-750 m. Kuat dugaan bahwa mineral-mineral sulfida besi LUSI terbentuk oleh proses authigenesis dalam lingkungan sedimen yang anoxic dengan kandungan carbon organic yang cendrung tinggi. Hal ini tampak dari kadar konsentrasi karbon yang cukup tinggi dan menempel pada bulir oksida besi (gambar IV.7 – IV.12). Beberapa penelitian sebelumnya menunjukan bahwa proses authigenesis pada mineral magnetik terjadi dalam lingkungan sedimen yang anoxic dengan kandungan carbon organic (Berner, 1984; Roberts dan Turner, 1993). Proses authigenesis dari mineral magnetik sulfida besi (pyrrhotite dan greigite) biasanya juga dapat berubah menjadi paramagnetic pyrite (FeS2; Berner, 1964; 1970; 1984; Canfield dan Berner, 1987). Dengan proses reduksi kimia pada unsur Fe. Proses ini dapat dimediasi oleh bakteri, dengan mereduksi sulphate dari air pori (SO42-) menjadi sulphide (S-) dan berasosiasi dengan mengkonsumsi carbon organic selama pengendapan. Selanjutnya Hidrogen sulfat (H2S) bereaksi dengan mineral besi menjadi pyrite. Sulfida besi seperti greigite dan pyrrhotite cendrung metastabil jika ada H2S dengan cendrung berubah menjadi pyrite. Selain itu ada indikasi bahwa sebagian besar mineral magnetik LUSI kemungkinan besar mengalami proses sedimentasi yang diikuti dengan diagenesis dan berasal dari kawasan sulphidic yang merupakan kawasan transisi antara sulphate dan methane, dalam keadaan anoxic zona tersebut cendrung
30
menyebabkan unsur besi untuk mengalami reduksi untuk menjadi stabil pada bentuk Fe2+. Sehingga dalam lingkungan sulphidic ini, titanomagnetite cendrung untuk berubah menjadi titanohematite. Dari gambar IV.5 diperoleh indikasi bahwa bulir tersebut mengalami proses maghemitisasi yang disertai terjadinya retakan dan rekahan dipermukaan bulir (gambar IV.5). Menurut Garming (2005) proses ini dapat berlangsung dalam lingkungan sulphidic, proses maghemitisasi ini merupakan proses yang penting pada lingkungan sulphidic. Proses ini dapat mengubah karakteristik magnetik dari fraksi (titano-) magnetite yang tersisa. Kesimpulan lain yang dapat diperoleh dari proses difusi dari Fe2+ yang keluar dari (titano-) magnetite, menunjukan bahwa hematite dan titanohematite cendrung bersifat stabil pada lingkungan sulphidic (gambar IV.8). Pada gambar IV.7 dan IV.9 diperoleh indikasi terjadinya proses intergrowth mineral magnetik yang menempel pada cluster silikat, ukuran kristal yang dihasilkan cukup halus (kurang dari 10 µm), proses intergrowth ini merupakan bagian dari authigenesis pada mineral oksida besi dan terjadi selama proses diagenenesis. Dari gambar IV.6 yang merupakan titanohematite lamellae memperkuat bahwa telah terjadi proses pelapukan pada mineral magnetik tersebut, proses pelapukan tersebut memperkuat bahwa mineral tersebut telah mengalami proses authigenesi pada saat sedimentasi. Sebagian mineral magnetik LUSI selalu disertai oleh kandungan silikat yang tinggi, kandungan silikat yang tinggi ini memberikan korelasi yang positif dengan lingkungan tempat terbentuknya mineral magnetik ini. Struktur yang sangat mungkin adalah mineral magnetik ini terbentuk pada daerah sedimentasi lempung yang kaya akan kandungan Si. Berdasarkan stratigrafi pada gambar III.2 daerah yang cendrung mendekati keadaan zona sulphidic ini tidak dapat diinterpretasi secara tepat, namun jika dilihat dari keberadaan H2S yang cendrung konstan semenjak terjadinya erupsi mengindikasikan adanya kontribusi campuran biogenik gas yang berasal dari kedalaman tertentu dan kaya akan kandungan hydrocarbon, seperti H2S yang dihasilkan dari daerah dengan kandungan SO42- dan methane yang tinggi.
31
Garming (2005) mengindikasikan bahwa zona ini merupakan sulphate–methane transition (SMT) dan zona ini merupakan kawasan yang anoxic yang juga dikenal dengan zona sulphidic. Menurut Mazzini (2007) daerah yang terdiri dari overpressured clayey unit (dengan kedalaman 1323-1871) merupakan sumber yang memiliki kemungkinan yang tinggi sebagai lapisan kaya akan biogenik gas. Jika dilihat pada gambar III.2 zona ini memiliki umur 0,8 juta tahun (Pleistocene), bagian dari formasi upper kallibeng dan merupakan lempung dengan warna abu kebiru-biruan. Dengan laju pengendapan pada kedalaman 2833.73 m – 847.35 m adalah sekitar 1986.38 m dalam 0,8 juta tahun (2480 m/ma), tingginya laju pengendapan ini menyebabkan lapisan ini memiliki tekanan yang tinggi. Temperature lumpur Sidoarjo (LUSI) yang muncul di permukaan dapat mencapai 100oC (Mazzini et al., 2007). Kondisi ini mengindikasikan ada kemungkinan jika daerah tempat lumpur itu berasal memiliki temperatur yang mendekati fasa uap air. Selain itu, dari gradient temperatur-tekanan yang diperoleh terhadap kedalaman (gambar III.2), daerah yang memiliki temperature mendekati fasa uap air berada pada kedalaman diatas 1700 m (yang merupakan bluish gray clay). Selain itu, diduga mekanisme yang terjadi adalah material padatan yang memiliki kandungan mineral magnetik (bluish gray clay) tersebut mengalami pengikisan oleh air dari aquifer sehingga terbentuklah material lumpur yang mengalami erupsi kepermukaan. Menurut Rubiandini (2006) air yang bergerak ke atas dan mengikis lapisan bluish gray clay ini merupakan air yang berasal dari Batugamping Kujung (Formasi Kujung) yang berada pada kedalaman 9290 feet.
32
