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 Desember 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 • Warves chronology (sediments)
Relative Dating: Geochronology – stratigraphy
Relative Dating: Biostratigraphy (typical fossils)
Absolute Dating Metode Radiometri: Tokoh-tokoh dalam bidang Radiometri:
Henri Bequerel (1896): Penemu peluruhan radioaktif alam Uranium
Ernest Rutherford (1905): Mengusulkan penggunaan radioaktif sebagai alat untuk mengukur waktu geologi
Metode Radiometri - Prinsip (1):
• Nomer atom Z: Jumlah proton → posisi dalam table Periodic • Nomer neutron N: Jumlah neutron • Nomer masa A = Z + N Isotope: Elemen Z sama, tetapi N berbeda Uranium: Z = 92, N = 142, 143 or 146 234U, 235U, 238U
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
Metode Radiometri - Prinsip (3):
Metode Radiometri - Prinsip (4):
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
86
Sr. Konsentrasi isotop induk radioaktif j dan isotop radiogenic anak i * bervariasi
dengan waktu t sesuai dengan prinsip peluruhan radioaktif
(10.3)
(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, α0 dan μ0 masing-masing ditentukan, evolusi waktu berikutnya dari sistem tertutup diberikan oleh
(10.9)
(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. Tabel 10.1 Sistem Isotop yang Umum Digunakan dalam geodinamika Kimia dan Sifatnya
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
143
Nd , 40K ke 40Ar ,
235
U ke
207
Pb , dan
238
U ke
206
Pb . 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 %
85
87
84
88
87
86
Rb dan 28,8 %
Rb . Alami strontium biasanya berisi 82,5 % Sr , 7,0 % Sr , 9,9 % Sr , dan 0,6 % Sr . Radiogenic
87
Rb meluruh menjadi putri stabil 87Sr dengan emisi partikel beta dan antineutrino .
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.
PENUTUP 1. Apa yang dimaksud dengan: a) Law of superposition b) Law of cross-cutting relationships c) Law of included fragments 2. Apa yang dimaksud dengan absolut dating dan terangkan mengenai cara menentukan umur batuan berdasarkan Rb_Sr dating 3. Terangkan yang dimaksud dengan: a) nomer atom b) nomer neutron c) nomer massa d) isotop e) jumlah atom induk f) jumlah atom anak g) waktu paruh
