GEOKIMIA MINYAK BUMI Tugas Mata Kuliah Geokimia
Oleh : Dwi Indriyati H1F007005
KEMENTRIAN PENDIDIKAN NASIONAL UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK JURUSAN TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK GEOLOGI PURBALINGGA 2010
Resume buku Petroleum geochemistry 1
1. Perkembangan Geokimia Minyak Bumi dan Geologi Geokimia minyak bumi adalah aplikasi dari prinsip-prinsip kimia untuk mempelajari asal, migrasi, akumulasi, dan alterasi minyak bumi (minyak dan gas) dan ilmu pengetahuan ini digunakan dalam eksplorasi dan pengendalian minyak bumi. Dengan prinsip geologi yang telah berkembang, bahwa minyak lebih ringan dari pada air, dan berada di bagian tertinggi dari struktur lipatan di bawah tanah. Oleh karena itu , lebih menguntungkan untuk mengebor minyak di antiklin dari pada di sinklin. Ada awal 1900-an, Amerika dan Kanada adalah daerah penghasil minyak, para ahli geologi menyadari bahwa minyak dapat ditemukan dalam berbagai kondisi geologi yang tidak dijelaskan dalam teori antiklinal. Penemuan minyak di bawah struktur antiklin besar di Kansas, Oklahoma dan California pada saat perang dunia ke 1 membangkitkan kembali prospek geologi struktur dengan ketegasan ahli geologi dalam mengendalikan keputusan eksplorasi. Teori antiklin diperkuat dengan adanya aplikasi dari sismograf refleksi untuk pemetaan bawah permukaan pada tahun 1920. Pada tahun 1930, ditemukan kolam yang sangat besar di Texas Timur. Penemuan stratigrafi ini terdapat jebakan minyak dan reservoir gas yang membuat ahli pengeboran dan ahli geologi sama – sama menyadari bahwa mencari minyak membutuhkan pengetahuan dari semua prinsipprinsip yang tersedia dari ilmu bumi. Tidak ada ahli geologi eksplorasi yang hanya mencari struktur lipatan dan puncak Antiklin. Karena mereka harus memahami sedimentasi, stratigrafi, paleontologi, geokimia, mineralogi, petrologi, geomorfologi dan geologi sejarah. Karl. G. Bischof, profesor kimia di Universitas Bonn, Jerman, pertama kali menyatakan bahwa minyak bumi berasal dari dekomposisi bahan organik yang lambat. T. Sterry Hunt, yang telah disebut sebagai ahli minyak bumi pertama di dunia. (Owen 1975, hal 54), menguraikan teori ini dengan mendefinisikan bentuk-bentuk yang lebih rendah dari kehidupan laut sebagai sumber kemungkinan minyak (Hunt 1863, p.527 ). Kemudian, bapak geokimia Rusia, VI Vernadskii, yang merupakan inspirasi 2
dalam pengembangan sumber daya mineral Rusia, menegaskan kembali asal minyak organik : "pada umumnya asal-usul minyak harus jelas. Kita harus mempertimbangkan minyak sebagai mineral sedimen genetik yang terkait dengan. organisme organik penting. tidak diragukan lagi adalah bahan sumber minyak-minyak tidak dapat berisi sejumlah
besar
hidrokarbon
muda
(primordial)"
(Vernadskii
1934,
hal
152-
153). sekarang ada sejumlah besar data geokimia menunjukkan bahwa pada dasarnya semua hidrokarbon minyak dan gas berasal dari dekomposisi bahan organik yang diendapkan dalam cekungan sedimen. Konsep bitumen serpih sebagai batuan induk dasar untuk akumulasi minyak. Pennsylvania yang diusulkan sejak tahun 1860 oleh seorang ahli geologi John Newberry.
Kemudian
Newberry
Ohio dan Kentucky minyak harus
dan
dicari
di
lainnya
menunjukkan
mana batupasir berada
bahwa
di
dalam kontak
dengan Ohio (Devon) serpih hitam. Tapi sejarah termal batuan induk belum diakui sampai David White memberikan teori rasio karbon. Ia menunjukan bahwa di Amerika Serikat timur ada hubungan geografis antara kejadian lapangan minyak dan gas bumi dan kematangan dasar batubara pada daerah yang sama. Ladang minyak dibatasi oleh batubara dengan kematangan rendah ( batubara dengan
kurang dari
60%,
atau karbon non volatile), sedangkan ladang gas terjadi pada kematangan yang tinggi (karbon tetap 60 sampai 70%), dan tidak ada ladang minyak atau gas ditemukan pada karbon batubara lebih dari 70% (antrasit). Baru-baru ini penggunaan batubara sebagai indikator kematangan dari asosiasi batuan induk telah digantikan oleh beberapa indikator yang lebih pasti termasuk batuan itu sendiri. Salah satunya adalah pemantulan vitrinit, komponen utama dari batubara, yang juga ditemukan tersebar sekitar 80% pada batuan sedimen. Indicator lainnya adalah warna dari mikrofosil (polen dan spora), yang dapat berubah dari kuning ke cokelat lalu hitam dengn kenaikan temperatur (kedalaman). Ratio hydrogen-ke-karbon dari bahan organic dan susunan ruang atom pada molekul fosil (stereoisomer) juga berubah seiring temperature. Indikator kematangan ini digunakan untuk menjelaskan batuan induk yang tidak matang, matang, atau lewat matang dengan kemampuan mereka untuk menghasilkan dan mengeluarkan minyak. (tidak matang berarti sedikit
3
atau tidak mengahsilkan; matang pada prinsipnya dapat menghasilkan; kelewat matang berarti tidak menghasilkan.) Tidak semua cekungan dapat menghasilkan hidrokarbon, walaupun terdapat batuan reservoir yang bagus dan batuan penutup. Terdapat berapa hal, diantaranya menurut Demaison pada tahun 1984, kesuksesan eksplorasi tergantung pada 3 faktor, yakni : 1) Terdapatnya perangkap (struktur, batuan reservoir, batuan penutup). 2) Tempat akumulasi minyak bumi (batuan asal, kematangan, migrasi ke perangkap, waktu) 3) Keawetan dari perangkap minyak bumi (sejarah termal, invasi air meteorik) Lipatan Penghasil Minyak Bumi Jones
(1987)
menjelaskan
suatu fasies organik sebagai cabang
dari
unit
pemetaan stratigrafi yang berbeda dari cabang lainnya dengan karakter bahan organic (OM) itu sendiri. Fasies organik yang berbeda menghasilkan dan bermigrasi dalam jumlah yang berbeda dan tipe minyak dan gas yang berbeda.(Demaison 1984). Dengan kata lain, fasies bahan organic yang berbeda maka dapat mengeluarkan dan menghasilkan jumlah minyak dan gas yang beberda. Lipatan penghasil minyak bumi bisa juga disebut sebahgai dapur hidrokarbon. Dimana tempat ini kaya akan bahan organik dari batuan asal yang terpendam dengan temperatur yang cukup tinggi untuk menghasilkan dan berpindah tempat (migrasi) minyak bumi dalam jumlah besar. Suatu cekungan produksi dapat memiliki satu atau bahkan lebih lipatan penghasil minyak bumi. Lipatan dikenal dengan bentuk perlapisan, atau peta fasies organik, dan peta kematangan dari setiap interval batuan induk pada cekungan. Sebagai contoh pemetaan kematangan terdapat pada Plate 1. Maksud dari sukses pada peta ini berarti bahwa memungkinkan untuk meghasilkan aliran minyak atau gas dari akumulasi di bawah permukaan tanah. Plate 1A area yang tidak matang (immaturity) terdapat pada daerah batuan induk serpih Kimmeridge dimana temperature tidak naik pada suhu diatas 93 oC (200o F) dan 4
minyak yang yang dihasilkan berwarna kuning. Temperatur diatas 93oC menghasilkan warna cokelat kekuning-kuningan. Plate 1B menunjukan pantulan vitrinit yang merupakan indikator pada cekungan Illinois. Ro (reflectance organic) 0.6% menunjukan “jendela minyak (oil window)”. Plate 1C merupakan peta kematangan pada gas., berbeda dengan ilustrasi lainnya yang untuk minyak. Pada batuan induk Permian di cekungan Cooper Australia, menghasilkan fasies organic gas. Dengan pantulan cokelat kekuningan Ro antara 0.9 dan 2%. Ketidak matangan gas sama dengan matangnya minyak, yakni berwarna kuning, dan yang kelewat matang pada gas berwana coklat. Bagian A, B, dan C pada Plate 1 semuanya menunjukan migrasi vertikal atau migrasi lateral jarak-pendek dari batuan induk ke batuan reservoir. Pada Plate 1D menunjukan migrasi serong jarak-panjang di sisi timur laut cekungan Williston. Dari semua contoh Plat 1, lokasi lapangan gas dan minyak bumi terbesar dapat dikorelasikan dengan identifikasi geokimia gas dan minyak bumi. Penilaian prospek memerlukan pemodelan untuk seluruh proses penghasilan hidrokarbon, pengeluaran, migrasi, perangkap, dan pengawetan.
5
2. Karbon dan Asal Usul Kehidupan Karbon (dari carbo, berarti ‘arang’) adalah kelompokm keempat dari tabel unsur periodic, yang berarti bahwa karbon memiliki empat elektron pada kulit elektron terluar. Elemen yang paling stabil, atau kombinasi dari unsur-unsur, adalah elemen yang mengandung delapan elektron (oktet) di kulit terluar. karbon mengasumsikan
konfigurasi
ini dengan membentuk ikatan kovalen, yaitu, dengan membagi elektron dengan dirinya sendiri dan elemen lainnya. Selain itu, karbon juga elemen dasar dari kehidupan karena
keunikannya yang dapat menggabungkan dirinya sendiri untuk membentuk rantai karbon yang panjang, cincin dan komplek, struktur jembatan. Selain karbon, ada pula Silikon, hanya saja silicon tidak terdapat dialam, tetapi dapat dibuat di laboratorium. Hal ini karena : 1. Energi ikatan Si-Si 53 kcal/mol terlalu lemah daripada ikatan C-C dengan energi of 83 kcal/mol; 2. Kulit elektron terluar silicon mudah diserang oleh air, oksigen atau ammonia, sehingga rantai elektron menjadi tidak stabil pada senyawa tersebut; 3. Silicon tidak mampu untuk membentuk dua ikatan dengan oksigen untuk menghasilkan monomer SiO2 dengan cara yang sama seperti karbon membentuk gas CO2. Bumi Primitif Bumi diyakini setua meteorit dan timbal di daratan, sekitar 4.6 Ga (10 9 tahun lalu) (Patterson 1956). Bumi memiliki komposisi 90% besi, oksigen, silikon dan magnesium dan 10% semua elemen alam. Diferensiasi mungkin merupakan peristiwa yang paling signifikan dalam sejarah bumi. Hal tersebut itu mengarah pada pembentukan kerak dan benua. diferensiasi mungkin memulai meloloskan gas dari interior, yang akhirnya mengarah pada pembentukan atmosfer dan lautan
(Press dan Siever 1986, hal. 12). Tidak pernah ada batuan di bumi yang umurnya lebih tua dari sekitar 3.8 Ga, mengingat batuan di bulan memiliki rentan umur dari 3.1 sampai 4.6 Ga. Hidrogen membentuk sulfida besi dan juga dihancurkan oleh reaksi fotokimia termasuk ammonia dan metan, sehingga
tekanan parsial yang akan menjadi rendah. hidrogen secara 6
bertahap menyebar ke luar angkasa dan uap air terkondensasi, meninggalkan nitrogen dioksida dan karbon sebagai komponen utama atmosfer. Sekitar 3 Ga CO2 di atmosfer dapat
menyebabkan pelapukan kimia karena asam yang tinggi pada air permukaan. Pelapukan ini juga menyebabkan pemisahan silika untuk membentuk rijang yang luas dan endapan kuarsa pada Prekambrium. Holland (1984, hal. 332) memperkirakan sekitar 2 dan 3 Ga, tekanan CO2 di atmosfer kemungkinan sekitar 10-3.1 dan 10 -1.9. Holland dkk. (1986) memperkirakan sebagian dari tekanan oksigen pernah mencapai 3 x 10-5 atmosfer mendekati 2.5 Ga. Pada saat ini sebagian tekanan oksigen adalah 0.2 atmosfer dan karbon dioksida adalah 0.0003 atmosfer. Kehidupan Primitif Baru-baru ini ditemukan bukti kehidupan yakni stromatolit pada 3.5 Ga kelompok Warrawoona barat laut Australia (Walter 1983).sekitar 3.8 Ga telah terjadi peningatan rasio cahaya (12C) untuk berat (13C) isotop karbon bahan organik dari batuan sedimen, dibandingkan dengan rasio karbon purba. Dan saat itulah kemungkinan kehidupan dimulai (Schidlowski 1988) Organisme pertama disebut prokaryotes karena bahan genetik yang tidak beraturan pada inti sel dan tidak berkelamin. Prokaryotes pertama disebut photoaoutotroph, yaitu adalah suatu organisme yang menggunakan cahaya sebagai sumber cahayanya dan CO2 sebagai sumber utama dari sel karbon (CH 2O). Menurut Schopf (1983), CO2 + 2H2S
Light
[CH2O] + 2S + H2O
Fotosintesis bakteri Kejadian kedua yang paling penting setelah prokaryotes adalah pertumbuhan yang “menyerupai klorofilí” reaksi inti pada prokaryotes dengan potensi redoks yang mampu memisah air yang hadir pada cahaya. CO2 + H2O
klorofil + cahaya
[CH2O] + O2 7
Chapman dan Schopf (1983, hal. 318) menunjukan bahwa perintis bakteri primitive nonsulfur ungu mungkin telah menjadi produsen oksigen pertama. Termasuk cyanobacteria (alga biru-hijau), tidak mungkin dapat berkembang tanpa membangun lingkungan oksigen.tersebarnya oksigen di atmosfer menyebabkan 3 peristiwa biologi yang sangat penting yakni asal mula organisme eukaryote, kromosom dan inti sel dibandingkan dengan kehidupan yang tinggi. Chemoautotrophs aerobik datang setelah oksigen tersedia dari fotosintesis tanaman hijau. Selain itu, juga mampu mensintesis bahan organik dalam ketiadaan cahaya, menjadi aktif sebagai berikut (Jannasch dan Wirsen 1979) : CO2 + O2 + 4H2S [CH2O] + 4S + 3H2O: Bakteri kemosintesis Proses ini mengakibatkan kaya akan kelompok hewan di kegelapan pada lantai samudera di sekeliling zona pemekaran dengan mata air panas bawah laut.batu induk yang kaya akan minyak bumi mengakibatkan meluasnya periodik kondisi anoksik. Potensi Minyak Bumi pada Precambium Rock. Banyak hidrokarbon yang terdapat pada batuan muda dan migrasi ke reservoir prekambrium. Lopatin (1980) menyatakan serpih minyak pada pterozoikum di rusia. Pada tahun 1986 dilaporkan minyak yang berumur paling tua berasal dari batuan sedimen prekambrium Australia yang tidak termetamorfosiskan. Berumur sekitar 1.4 Ga (Jackson dkk. 1986). Dan umur minyak paling muda berumur 1.05 Ga, yang ditemukan terperangkap sebagai inklusi cairan primer pada kristal kalsit prekambrium. Dari sudut geokimia, beberapa faktor meningkatkan resiko dry hole (lubang kering/tidak ada minyak). Pertama, mikroba pada era pterozoikum tampak diendapkan pada rendah karbon pada sedimen di seluruh dunia, lalu mereka melakukannya selama setara waktu fanerozoikum. Tidak ada kontribusi dari darat, sebagian besar berasal dari air. Analisis Total Organic Carbon (TOC) yang dilakukan oleh Hayes dkk. (1983) menunjukkan keragaman ini dengan nilai untuk serpih kelompok Hamersley (2,5 Ga) berkisar dari 0.01 sampai 6.5% wt.
8
Faktor geokimia yang kedua adalah ketersediaan hidrogen, yang merupakan kunci penghasil minyak bumi. Rasio hidrogen karbon (H/C) untuk plankton sekitar 1.6. selama pengendapan meningkat, sebagian plankton diubah menjadi minyak bumi, dan perbandingan H/C dari sisa-sisa bahan organik (kerogen) terus menurun. Hal ini karena minyak dan gas memiliki perbandingan 1.8 dan 4, masing-masing memerlukan hidrogen lebih. Saat H/C dari kerogen turun ke angka 0.3, nilai yang tersedia pada hidrogen sangat rendah sehingga tidak ada minyak dan hanya menghasilkan gas dalam jumlah yang tidak berarti. Kerogen prekambrium pada umumnya rendah hidrogen. Sebagian besar terdehidrogenasi secara ekstensif, dengan memiliki banyak perbandingan H/C yang kurang dari 0.2 (Hayes dkk. 1983). Secara struktural, kerogen memiliki rumus H 30C150 akan berisi 61 cincin aromatik yang bersatu, seperti tanda pada grafit. Akhirnya, ada kecenderungan untuk kehilangan akumulasi minyak dari waktu ke waktu geologi. Lopatin (1980) mengutip bukti bahwa banyak ditemukan akumulasi minyak bumi dalam jumlah besar yang terbentuk selama pterozoikum dan akhirnya dihancurkan. Kesimpulannya, analisis endapan prekambrium mengindikasikan bahwa tidak ada kualitas batuan induk pada sedimen fanerozoikum, pada kedua kuantitas kerogen atau isi hydrogen itu sendiri. Minyak dan gas selanjutnya akan ditemukan, sebagian di sedimen prekambrium yang tak terubahkan, tetapi kuantitasnya tidak akan lebih besar kecuali batuan induk yang kaya akan bahan organic, kerogennya terdehidrogenasi secara ekstensif dan batuan reservoir terjaga luar biasa dengan baik.
9
