Natural Radioactivity of Rocks. (Radioaktivitas Alami Batuan)

Natural Radioactivity of Rocks (Radioaktivitas Alami Batuan)

Dasar Fisis

Atom tersusun atas inti atom yang terdiri dari proton (bermuatan positif) dan neutron (netral). Inti atom ini dikelilingi oleh elektron yang bermuatan negatif

Isotop adalah nuklida-nuklida dengan nomor atom sama, tetapi nomor massanya berbeda. Sedangkan Isobar adalah atom-atom yang nomor atomnya berbeda, tetapi jumlah nukleonnya sama/nomor massa sama.

Radioaktivitas alami merupakan proses peluruhan secara spontan dari atom yang memiliki isotop tertentu ke isotop lainnya

Peluruhan dikarakterisasi oleh emisi partikel alfa (radiasi-α), atau partikel beta (radiasi-β), atau radiasi elektromagnetik (radiasi-γ).

Dalam prakteknya dalam dunia Geofisika radiasi gamma ini merupakan yang paling penting, karena radiasi partikel (α dan β) memiliki penetrasi yang rendah terhadap batuan.

Sinar α sangat mudah dihentikan hanya dengan selembar kertas, sinar β dapat dihentikan dengan beberapa milimeter aluminium, sedangkan sinar γ dapat dihentikan dengan beberapa centimeter timah. Jadi, yang dapat menembus batuan 50~75cm adalah sinar gamma.

Sifat-sifat sinar α ,sinar β dan sinar γ Sinar α dihasilkan oleh pancaran partikel α mempunyai daya penetrasi atau tembus terlemah dibandingkan dengan sinar β dan γ memiliki daya ionisasi paling kuat sebab muatannya paling besar dibelokkan oleh medan magnetik dan medan listrik Sinar β dihasilkan oleh pancaran partikel β mempunyai daya tembus lebih besar daripada sinar α, tetapi lebih kecil dari sinar γ dibelokkan dengan kuat oleh medan magnetik dan medan listrik karena massanya sangat kecil Sinar γ mempunyai daya tembus yang paling besar namun daya ionisasi paling lemah. Tidak dibelokkan oleh medan magnetik dan medan listrik Sinar γ merupakan radiasi EM dengan panjang gelombang yang sangat pendek. Sinar γ tidak bermuatan dan tidak bermassa Sinar radioaktif pada suatu medan listrik

Sinar radioaktif pada suatu medan listrik

Peluruhan

Adalah proses transformasi dari keadaan inti tidak stabil ke kondisi stabil X (radioaktif) Y (stabil) X disebut induk dan Y disebut anak luruh Proses peluruhan :

N (t ) = N 0 exp(−λ.t ) N(t) = banyaknya atom yang tersisa pada saat waktu t N0 = banyaknya atom mula-mula λ = tetapan peluruhan ( satuan SI )

Waktu Paruh : .

Adalah lama waktu yang diperlukan oleh suatu bahan radioaktif untuk meluruh sampai tinggal dari semula. substitusi N(t) =

N0 2

maka didapat : T1 = 2

grafik

ln 2

λ

≈

0 , 693

λ

Aktivitas bahan radioaktif didefinisikan sebagai banyaknya peluruhan per satuan waktu . Aktivitas sebanding dengan banyaknya bahan radioaktif dN = λ .N 0 . exp(−λ .t ) dirumuskan dengan persamaan : −

dt

Apabila setelah peluruhan 1 inti ’induk’ radioaktif kemudian menghasilkan 1inti ’anak’ yang masih besifat radioaktif dan begitu seterusnya sampai ke-n anak inti yang stabil , maka kondisi kesitimbangan dari inti radioatif tersebut adalah : λ1 . N1 = λ2 . N2 = λ3 . N3 = ........ = λn . Nn Ni : jumlah mula-mula inti i λi : konstanta peluruhan inti i i = 1.. n

(5-5)

Deret radioaktivitas Uranium series

Parent

T1/2 in years

End of series

238U

4.5 x 109 7.1 x 109 1.4 x 109 1.3 x 109

206Pb

235U

Thorium Series Potassium isotope

232Th 40K

205Pb 208Pb

89% 40Ca (β-) 11% 40Ar (e-capture)

Kandungan Uranium , Thorium , dan Potassium pada mineral batuan Potassium Potassium biasanya banyak terdapat pada daerah Batuan berpasir (sand) yang terdiri dari sedimen (klastik,detrital) yang telah tererosi , melapuk dan tertranportasi sangat jauh dari batuan induknya . Unsur Potassium banyak ditemukan pada mineral –mineral berikut : mineral lempung (clay) yang terbentuk pada struktur mineral lempung . Contoh : kaolinite , chlorite mineral pembentuk batuan seperti feldspar, mika, ortoklas, biotit, muskovit dll yang secara kimia terbentuk menjadi struktur silikat. Mineral pada batuan hasil penguapan (evaporites) yang terbentuk melalui proses kimia seperti salts conthnya : syilvite dan carnalite Mineral pada algal limestone (limestone berfosil ganggang ).

Uranium ditemukan pada sedimen detrital dan kimia (shales, conglomerates, sandstones dan batuan karbonatan) ditemukan juga pada mineral tuff dan posfat secara umum , Uranium tidak terbentuk secara kimia terhadap batuan dengan kompak (erat ) seperti halnya Potassium , namun mudah lepas bersama komponen sekunder batuan .(Rider , 1986) Konsentrasi atom Uranium tinggi terdapat pada varian mineral Uranium (autunite, bequerelite, carnotite, pechblende, uraninite, tyuyamunite) sekitar 76%,dan mineral Uranium-bearing (betafite, chalcolite, fergusonite, pyrochlore, uranotile) sekitar 56% Uranium. Sebagian besar longgar pada batas butir, retakan (fracture) , permukaan dalam (internal surface) sehingga mudah lepas pada saat proses geologi . Hal ini dikarenakan sifat unsur Uranium yang high mobility. Pada bagian yang terpenting , Uranium digunakan sebagai indikator lingkungan dan proses pengendapan sedimen.

Thorium Thorium asal mulanya merupakan bagian dari batuan asam dan intermediet . Namun berbeda dengan Uranium ,Thorium lebih stabil dan tidak mudah lepas . Thorium dan mineral thorium terdapat pada sedimen sebagai butir detrial. Keduanya biasanya stabil pada mineral berat seperti zircon, thorite, monzite, epidote dan sphene (Rider, 1986). Thorium relatif dalam jumlah besar ditemukan pada bauxite dan diantara mineral lempung, dan lebih banyak lagi ditemukan pada kaolinite dibanding glauconites. Thorium tidak pernah ditemukan pada mineral kimia murni

Kandungan atau komposisi dari unsur tersebut didalam batuan biasanya dituliskan kedalam bentuk ppm untuk Uranium dan Thorium ( 1 ppm = 10-6kg U atau K, untuk 1 kg massa batuan ) dan ke dalam prosentase (%) untuk Potassium ( 1% = 10-2 kg K untuk 1 kg massa batuan )

Mineral-mineral lempung memliki perbedaan kadar rasio Th/K. Sifat fisik ini digunakan untuk identifikasi mineral lempung , dan ini merupakan dasar dari pengukuran dari spectrometric gamma log.

logging sinar γ pengukuran sinar gamma alami yang dipancarkan formasi. Radiasi sinar gamma berasal dari atom Uranium (U), thorium (TH) dan Potassium (K). karakteristik respon sinar gamma Radioaktif sangat rendah (0-32,5 API)

Radioaktif rendah

Radioaktif sedang

Radioaktif tinggi

(32,5-60 API)

(60-100 API)

(> 100 API)

Anhidrit

batupasir

Salt

Batugampi Granit ng

Abu vulkanik

batubara

Dolomit

bentonit

Arkose

Lempung pasiran Serpih pasiran Gpg lempungan

Batuan serpih

Interpretasi data Logging

Nilai rata-rata kandungan U, Th, dan K dalam kerak bumi. Heier and Roger, 1963 (H) dan Prutkina and Saskin, 1975 (P)

BATUAN BEKU

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN BEKU

Radioaktivitas pada batuan beku, meningkat dari batuan beku basa ke batuan beku asam


Nilai rata-rata kandungan U, Th, dan K dalam batuan beku


Radioaktivitas pada batuan beku intrusif ☻

Jika terintrusi di atas zona subduksi → Kandungan U, Th, dan K rendah

☻

Jika terintrusi di zona subduksi atau di bawahnya → Kandungan U, Th, dan K tinggi


Batuan Vulkanik Perbandingan elemen radioaktif dalam batuan vulkanik pada beberapa daerah tektonik yang berbeda


☻

Ocean floor : tholeiitic basalts, high partial melting → konsentrasi elemen radioaktifnya rendah

☻

Ocean islands : tinggi

☻

Island arcs : terdapat tholeiitic dan andesitic

☻

Continental margins : terdapat andesitic, rhyolithic, dan dacitic

☻

Intracontinental : kandungan SiO2 nya tinggi

memiliki kandungan radioaktif yang

BATUAN METAMORF

☻

Elemen radioaktif semakin berkurang pertambahan proses metamorfisme

dengan

☻

Penghabisan Uranium dan Thorium, disebabkan oleh proses metamorfisme yang berlangsung secara progresif

☻

Uranium dan Thorium berkecenderungan mengalami migrasi ke arah atas dalam kerak bumi → Karena adanya reaksi dehidrasi (pengeringan), atau karena adanya peleburan batuan (melting) di dekat dasar kerak bumi (migmatites). → Potassium tidak begitu terpengaruh oleh prosesproses tersebut

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN METAMORF

☻

Rata-rata perbandingan Thorium dengan Uranium dalam batuan metamorf menyimpang dari nilai tertentu pada beberapa batuan intrusif.

☻

Hal ini sesuai dengan jumlah radioaktif yang hilang selama proses metamorfisme, dimana pergerakan Uranium sangat dominan.

☻

Penyebab mudahnya pergerakan dari U adalah bahwa uranium ini ikatan ionnya yang mudah lepas, dalam batas antar butir batuan dan pada permukaan internal.

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN METAMORF

Distribusi frekuensi normal dari hasil perhitungan Gamma-Ray pada sumur bor dengan kedalaman 0 – 3900 meter (Bucker et all, 1990); n : jumlah sample, 1 : metabasites, 2 : gneisses

Tabel nilai radioaktif dalam batuan metamorf Reference : D – Dortman (1976) untuk granulite dan eclogite; B – Bucker et al., (1990); R – Rybach and Cermak, (1982) dalam basis data beberapa penulis yang berbeda (P – Puzankov, Bobrov, and Duchkov, 1977; Rybach, 1973)

BATUAN SEDIMEN

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN

Kecenderungan radioaktivitas alam secara umum, dalam batuan sedimen

☻

Secara rata-rata, konsentrasi Potasium dalam batuan lebih rendah daripada Uranium dan Thorium.

☻

Karbonat memiliki kandungan radioaktif alami yang paling rendah diantara batuan sedimen lainnya.

☻

Secara umum, Shale memiliki tingkat radioaktif alami yang paling tinggi dibandingkan dengan batuan sedimen lainnya.

☻

Untuk membedakan antara Shale dengan batuan sedimen lainnya, digunakan Gamma-ray Sonde.


Korelasi antara kandungan clay dengan radiasi batuan sedimen sangat penting dalam penentuan karakteristik reservoar, yaitu dengan memperhatikan beberapa hal berikut ini : ☻ ☻ ☻

Perbedaan antara Clay dengan lapisan-lapisan pasir (sand layers) Penentuan kandungan Clay dalam batuan sedimen Pengkarakteristikkan tipe-tipe Clay

Korelasi ini dapat berubah bila mineral radioaktif lainnya (contoh : feldspar, mica, glauconite, monazite, dan zircon) terdapat dalam batuan klastik (clean clastic rocks).


1.

Korelasi berdasarkan intensitas radiasi sinar gamma.


Beberapa nilai Vsh yang dipublikasikan oleh Fertl (1983) : VSH = 0.083 ⋅ ( 2 3.7⋅∆Iγ − 1.0) (5-11)

VSH = 0.33 ⋅ (2 V

SH

=

2⋅∆Iγ

− 1.0)

∆ Iγ 3 .0 − 2 .0 ⋅ ∆ I γ

[

Vsh =1.7− 3.38−(∆Iγ +0.7)

]

2 1/ 2

(5-12) (5-13) (5-14)



2.

Korelasi berdasarkan komponen spektrum (Th, K) dalam intensitas sinar gamma.

Untuk tertiary clastics

For highly consolidated and mesozoic rocks ∆Is = Intensitas atau konsentrasi Th / K Tidak berlaku bila terdapat pengaruh Uranium


Perbandingan dari Vsh vs ∆Iγ secara empiris


Radioaktivitas pada Sandstones ☻

☻

☻

Feldspathic sandstones atau arcoses : Terdapat kandungan Potassium, yang tergantung dari jumlah feldspar pada Batupasir tersebut. Perbandingan Th/K sangat rendah < 10-4 Micaceous sandstones : Memiliki kandungan Potassium dan Thorium yang tinggi. Perbandingan Th/K 2.5 x 10-4 Heavy minerals within sandstones : (zircon, allanite, monazite) memiliki kandungan Th dan U yang tinggi, dan P yang rendah. Perbandingan Th/K sangat tinggi


Radioaktivitas pada Karbonat Murni ☻

Kandungan Th dan K mendekati nol a) Jika U bernilai 0 → oxidizing environment b) Jika ada U → reducing environment, atau stylolithes, atau phosphate bearing layers

☻

Terdapat Th, K, dan U → terdapat kandungan lempung pada karbonat tersebut.

☻

Terdapat Potassium, dengan atau tanpa U → carbonate of Algal Origin atau karbonat dengan Glauconite


Karakteristik Lingkungan Pengendapan Dalam kaitan dengan mobilitas Uranium yang tinggi, dan perilaku Thorium yang stabil ☻ Th/U

> 7 : continental, oxydizing environment, weathered soils

☻ Th/U

< 7 : marine deposits, gray and green shales, graywackes

☻ Th/U

< 2 : marine black shales, phosphates


Distribusi Th dan U dalam batuan sedimen, Dortman (1976)

(A) Sand, Clay (B) Quartzitic Schists (C) Carbonatic Rocks (D) Dolomite (E) Evaporates (F) Caustobiolithes (coals)

RADIOACTIVE HEAT GENERATION

☻

☻

☻

Nilai rata-rata aliran panas ~ 65 mW/m2 Aliran panas dari mantle ~ 20 mW/m2 Adanya perbedaan sebesar ~ dengan adanya pembangkitan batuan kerak bumi.

pada permukaan bumi pada

area

continental

45 mW/m2 ini berkaitan panas pada radioaktif di

☻

Radioactive Heat Generation A (µW/m-3)

☻

1 µW/m-3 = 2.39 x HGU

☻

1 HGU = 0.418 x 10-6 W/m-3


Konsentrasi Radioaktif dan Panas yang Dihasilkan oleh Beberapa Tipe Batuan


Pembangkitan panas radioaktif dari beberapa batuan, dapat dihitung dengan persamaan : (Rybach, 1976 dan Rybach and Cermak, 1982)

d : densitas batuan (dalam kg m-3) CU, CTH, dan CK : Kandungan Uranium (ppm), Thorium (ppm), dan Potassium (%)


Hubungan antara Heat Generation A dan Densitas d , dari Batuan :

d : densitas batuan (103 kg m-3) A : heat generation (µW/m-3) ☻

☻

Nilai radioactive heat generation semakin tinggi dari basa ke asam, pada batuan beku. Nilai radioactive heat generation semakin tinggi dari clean ke shaly, pada batuan sedimen.

Natural Radioactivity of Rocks. (Radioaktivitas Alami Batuan)

Recommend Documents