Aplikasi Isalop dan Radiasi. 1996
PENENTUAN SUHU RESERVOIR PANAS BUMI DENGAN METODE GEOTERMOMETER ISOTOP Zainal Abidin, Wandowo, Indrojono, Djiono, Alip dan Evarista Pusat Aplikasi Isotop clan Radiasi,
BAT AN
ABSTRAK PENENTUAN SUHU RESERVOIR PANAS BUMI DENGAN METODE GEOTERMOMETER ISOTOP. Penelitian ini dilakukan untuk menentukan suhu beberapa sumber panas bumi di Sumatera clan Sulawesi dengan metode geotermometer isotop clan dibandingkan dengan cars geotermometer kimia. Metode geotermometer isotop dilakukan dengan mengukur kandungan 180 dalam air clan senyawa sulfat dalam air dari mats air panas dengan spektrometer massa, kemudiaD suhu dihitung berdasarkan formula MIZUTANI-RAFTER. Hasil penelitian pengukuran suhu reservoir dari beberapa sumber panas bumi di Sumatera clan Sulawesi Utara terhadap contoh boilinl!.sprinl!. menunjukkan nilai antara 200 hingga 240°C. Hasil ini sesuai dengan pengukuran yang dilakukan dengan cara geotermometer kimia.
ABSTRACT DETERMINATION OF GEOTHERMAL RESERVOIR TEMPERATURE USING ISOTOPE GEOTHERMAL METHOD. Isotope geothermometer method for reservoir temperature determination has been used parallel to chemical method to know the potential of geothermal resources. This investigation has been done in Sumatra and Sulawesi Geothermal Area. The isotope geothermometer method was done by measuring 1"0 content in both water and sulfate compound of hot spring using mass spectrometer, then the temperature was determined based on the MIZUTANI-RAFTER formula. Investigation result of isotope geothermometer measurement to boiling spring samples from Sumatera and North Sulawesi showed that the reservoir temperature range was from 200-240°C. The result is identical to the result of chemical geothermometer determination.
PENDAHULUAN
Pengembangan energi panas bumi menjadi energi listrik di Indonesia kini mengalami kemajuan sangat pesat seiring dengan kebutuban tenaga listrik daD tersedianya sumber daya. Penelitian eksplorasi untuk mengetahui potensi sumber panas bumi merupakan tahapan yang sangat menentukan dalam rangka tindak lanjut eksploitasi, di mana penentuan subu merupakan faktor utama. Penentuan subu reservoir daerah panas bumi dalam rangka eksplorasi menggunakan geotermometer isotop di pelbagai negara seperti Amerika, ltalia, Selanilia Bam, dan Amerika Latin telah dilakukan dan paralel dengan cara kimia. Di Indonesia umumnya penentuan subu reservoir hanya dilakukan dengan cara kimia, sedangkan cara isotop masib belum banyak dimanfaatkan. Penentuan subu dengan cara kimia saja masih belum cukup untuk mendapatkan nilai subu yang komprehensif, karena cara kimia mempunyai beberapa kendala yang disebabkan oleh pengaruh pengenceran fluida dengan air permukaan serta kesetimbangan ulang (re-eQuilibrium) kimia pacta saat fluida naik ke permukaan. Keadaan ini akan mengurangi ketelitian basil pengukuran subu. Makalah ini membahas basil penelitian daD memperkenalkan aplikasi geotermometer isotop untuk eksplorasi panas bumi. Dalam penelitian ini diambil be-
berapa confab daerah panas bumi di Sumatera dan Sulawesi Utara. Geotermometer isotop yang digunakan adalah isotop 180yang terdistribusi (fraksinasi) di antara senyawa H2OdaD S04 yang berada dalam kesetimbangan kimia. Berdasarkan eksperimen yang dikembangkan oleh MIZUTANI daDRAFTER (I) faktor fraksinasi (a) isotop 180 senyawa H2O daD ion S02-4berhubungan langsung dengan suhu melalui persamaan matematik sebagaiberikut: 2,88 X 106
1000 In a =
-
4,1
T2
di mana: a = faktor fraksinasi T = suhu dalam derajat Kelvin Pacta tahap awal eksplorasi di mana sebelum acta lubang bar, prediksi suhu reservoir untuk mengetahui potensi daerah panas bumi dilakukan dengan analisis isotop ISOdalam senyawa air daD SulCalmenggunakan alaI spektrometer massa. Perlakuan pendahuluan dilakukan dengan carn mengendapkan ion sulfat yang terlamt dalam fluida panas bumi menjadi endapan barium sulfat. KemudiaD endapan tersebut direaksikan dengan grafit menjadi gas CO2,daDdengan Cup menjadi gas 8°2 menggunakan alaI Sulphate and Sulphure Line. 111'7
Aplikasi Isotop dan Radiosi, 1996
BAHAN DAN METODE Bahan, Mata air panas dengan suhu permukaan antara 60 hingga 90°C, Cu2O, grafit, N2 cair, daD CO2padat. Alat. Spektrometer massa, Preparasi sulfat daD sulfur serta alat isoprep-18 untuk analisis 18(), Metode, Pengambilan sampel air panas untuk analisis isotop 18()dalam senyawa ~O dilakukan dengan cara memasukkan air tersebut kedalam vial 20 mI dan diusahakan jangan sarnpai ada gelembung udara, kemudian vial ditutup hingga kedap. Sedangkan untuk analisis isotop 18()dalam senyawa S04 dilakukan dengan cara memasukkan 1 liter air ke dalam jerigen plastik hingga penuh, kemudian ditambahkan 0,5 gram serbuk HgCI untuk mencegah reduksi bakteri (3), Analisis isotop 18()dalam senyawa ~O dilakukan pada alat isoprep-18 dengan cara mengocok 2 ml confab air dengan gas CO2 yang OOrasaldari tangki gas yang OOrfungsisebagai pereaksi selania ~ jam hingga tercapai sistem kesetimbangan antara ~O dan CO2,Pada kondisi kesetimbangan. diperkirakan isotop 18()dalam ~O OOrpindahke dalam senyawa CO2, Setelah kesetimbangan tercapai, gas CO2dialirkan ke dalam Spektrometer Massa untuk menentukan rasio 18()/16(), Untuk analisis isotop 18()dan 34Sdalam senyawa S04' pertama dilakukan pengendapan ion sulfat yang terlamt dalam contoh menjadi endapan BaS04 dengan earn menambahkan 10 mllamtan BaCI2 1 N ke dalam 500 mI contoh yang dididihkan pada kondisi pH 3-4, Endapan BaS°4 akan terbentuk perlahan-Iahan kemudian didiamkan selama satu hari lalu disaring. Kemudian 20 mg endapan barium sulfat tersebut direaksikan dengan 35 mg serbuk grafit dalam Boat Platinum pada suhu 1100°C dalam kondisi vakum pada alat Sulphate Line seperti reaksi di bawah ini. S02- + C
>S
4
+
CO2
Gas CO2yang dihasilkan kemudian dialirkan kedalam alat spektrometer massa untuk ditentukan rasio 1801 16O,Sisa daTi reaksi di atas, selanjutnya direaksikan dengan larutan peTak nitrat hingga terbentuk endapan perak sulfida seperti reaksi di bawah ini. S2
+ Ag+
> A~S
Sebanyak 15 mg endapan perak sulfida yang terbentuk dari reaksi di atas, kemudian direaksikan dengan 35 mg serbuk C~O pada suhu 11O0°Cdengan kondisi vakum di dalam boat olatinum pada alat Sulphure Line seperti reaksi di bawah ini. S2- + Cup
> S02 + Cu
Gas S02 yang dibasilkan kemudian dialirkan ke dalam Spektrometer Massa untuk mengukur rasio 34Sp2S. BASIL DAN PEMBAHASAN Data fisik basil pengukuran lapangan dan analisis isotop di laboratorium dari berbagai mata air panas 148
di Sumatera dan Sulawesi Utara tertera pada Tabel 1. Data suhu mata air panas di permukaan (Tp) dalam taOOIdi atas mempunyai nilai antara 65 hingga 96°C. Confab mata air panas yang mempunyai suhu 9396°C merupakan mata air panas didih atmosfer atau dikenal dengan nama boiling mring. Mata air panas tersebut diperkirakan OOrasaldari fluida reservoir yang naik ke permukaan tanpa mengalami proses percampuran dengan air metoorik, Penurunan suhu fluida berlangsung secara perlahan-Iahan OOrdasarkanproses penguapan atau conductive coolin2, Mata air yang mempunyai suhu < 90°C mencerminkan adanya proses percampuran yang teljadi dengan air metoorik ketika fluida naik ke permukaan. Data isotop 180dalam senyawa sulfat menunjukkan variasi mulai 1,4-16,7 °/00. Fumarole Km dan
-
mata air panas SL W 70 mempunyai
konsentrasi
18() dalam
senyawa sulfat sangat tinggi. Keadaan ini mencerminkan bahwa atom oksigen dalam senyawa tersebut OOrasaldari permukaan yang mengoksidasi gas H2Syang terlamt menjadi senyawa sulfat. Sedangkan mata air yang mempunyai kandungan 18()dalam senyawa sulfat > 5°/00 menunjuktan OOrasaldari reservoir yang dalam. Berdasarkan data analisis kandungan 18()dalam ~O dan ion S04 seperti tertera pada TaOOI1, kemudian dihitung suhu reservoir dengan menggunakan persamaan MIZUTANI-RAFTER. Sebelum menghitung suhu, terIOOihdahulu dihitung faktor fraksinasi isotop 18()(a.) dalam senyawa "2° dan SO4menggunakan persamaan seperti di bawah ini.
a.=
1000 + 0180(S04) 1000 + 018()~0)
Kemudian nilai faktor fraksinasi (a.) dari perhitungan di atas, digunakan untuk menghitung suhu reservoir menggunakan persamaan MIZUTANI-RAFTER. Geotermometer Isotop. Hasil perhitungan gootermometer isotop suhu reservoir menggunakan formula MIZUTANI dan RAFTER disajikan pada Tabel 2. Hasil ter- schut dibandingkan dengan basil perhitungan secara geotermometer kimia. Perhitungan geotermometer kimia dilakukan dengan cara memasukkan nilai ppm kandungan kation (Na, K, Mg, Ca, dan Li) dari basil analisis kimia seperti tertera pada TaOOI3 ke dalam persamaan gootermometer TNa - Fournier, TNa-K-Ca - Fournier-Truesdell, TNaLi - Fouillac-Michard dan TK-Mg - Giggenbach sepeTti tertera pada Tabel 4 (2). Hasil perhitungan suhu reservoir dengan tara geotermometer isotop daD kimia tertera pada Tabel 2. Dan data di atas, terlihat bahwa tiga mata air panas yang OOrsifatboilin2 mring, yaitu masing-masing Tambang Sawah ([SA)- Bengkulu, Waipas (WP)-Lampung dan Kepondakan (KM-3). Kotamobagu mempunyai suhu yang relatif hampir sarna.,bait dihitung secara gootermometer isotop maupun kimia. Keadaan ini menunjukkan bahwa ketiga mata air panas tersebut OOrasaldari reservoir di mana mineral dan isotop OOradadalam keadaan kesetimbangan dengan spesiesnya masing-masing pada suhu tersebut. Berdasarkan perhitungan geotermometer di
ApI/kosi Isotop don Radios/, 1996
atas, diperkirakan reservoir panas bumi Tambang Sawah daDWaipanas mempunyai suhu reservoir antara 210 bingga 240°C, mempunyai kandungan entalpi tinggi dan layak untuk dieksplorasi lebih lanjut. Sedangkan daerah panas bumi Kepondakan mempunyai subu reservoir antara 125 hingga 145°C dan bersifat entalpi rendah. Sumber panas bumi ini diperkirakan berasal dari reservoir dangkal (sekunder). Hasil perhitungan subu pada berbagai mata air panas yang bersifat mixing seperti Seulawah (SLW)Aceh, Lobong (LB)-Kotamobagu daD Bakan (BK-I)-Kotamobagu dengan menggunakan geotermometer kimia mempunyai nilai yang sangat berbeda jauh antara satu metode dengan metode kimia yang lainnya. Keadaan ini memberi indikasi bahwa mineral kimia pada mata air panas tersebut sudah mengalami perubahan kesetimbangan kimia. Nampaknya, geotermometer isotop memberikan nilai subu yang relatif hampir sarna dengan geotermometer kimia TNa-K-Ca, kecuali pada mata air panas Seulawah, geotermometer isotop menunjukkan nilai suhu paling rendah. Seperti dijelaskan sebelumnya, keadaan ini kemungkinan besar disebabkan oleh adanya campuran sulfat yang berasal dari basil oksidasi asam sulfida yang larot di dalam air panas dekat permukaan. Peristiwa ini dapat dilihat pada Gambar 2 mengenai proses percampuran dalarn hubungan antara konsentrasi 34Sterhadap 18()(1). Geotermometer TNa-K dan TNa-Li lebih menoojukkan subu reservoir yang sangat dalam, hat ini dapat diperlihatkan dari perhitungan suhu yang amat tinggi, sedangkan TK-Mg menunjukkan suhu dekat permukaan. Kesetimbangan Kimia daD Proses Mixin2. Kesetimbangan isotop dan kimia dari fluida yang naik ke permukaan dapat dilihat melalui grafik hubungan antara 34SVs 180 (Gambar I) dan trilinier Na-K-Mg (Gambar 2). Pada Gambar I tampak bahwa fumarole KTB (No. 13) terletak pada sisi kiri dengan nilai 180 kaya dan 34S miskin. Posisi ini jelas menunjukkan pembentukan sulfat pada oksidasi gas ~S di permukaan. Posisi mata air panas SLW (No.1) menunjukkan keadaan kesetimbangan isotop pada subu rendah. Hal ini memberi informasi, kemungkiDan ikut bercampurnya sulfat yang berasal dari oksidasi di permukaan dan peristiwa kesetimbangan ulang dari isotop antara senyawa air dan sulfat karena menempuh perjalanan jauh dari asal fluidanya. Seperti diketahui, mata air panas SLW terletak kurang lebih 20 km dari sumber panas bumi Gunung Seulawah Agam. Mata air panas KM-3 (No.12) dan BK-I (No.I4) pada Gambar 1 terletak diantara mata air panas deep equilibrated dan low
I eauil-
ibration, demikian pula pada Gambar 2, keduanya terletak pada daerah partial eQuilibrium. Mineral daD isotop dari mata air panas ini mengalami sebagian kesetimbangan daD mempunyai suhu antara 140 hingga 170°C. Diperkirakan mata air panas tersebut berasal dari reservoir dalam yang naik ke permukaan daD menempati reservoir sekunder pada kedalaman yang dangkal.
Mata air panas Lobong (No.8 daD 11) pada Gambar I terletak dekat daerah fumarole, sedang pada Gambar 2 terletak di luar daerah kesetimbangan. Mineral daD isotop mata air ini tidak mengalami kesetimbangan, karena ada pengaroh pengenceran yang intensif oleh air meteorik maupun sulfat yang terbentuk dari oksidasi permukaan (5). Mata air panas Waipanas dan Tambang Sawah (No.2 dan 5) merupakan mata air panas yang ideal bersifat boiling mrffig. Mineral dan isotop mengalami kesetimfluid). Pada Gambar 1, bangan pada suhu reservoir ~ mata air panas ini terletak pada daerah ~ equilibrium, sedangkan pada Gambar 2 terletak pada daerah kesetimbangan penub.
KESIMPULAN Aplikasi geotermometer isotop dalam penelitian eksplorasi menunjukkan basil yang baik di samping dapat menen~n tingginya suhu reservoir, juga dapat memberikan informasi tentang proses yang dialami fluida panas bumi pada saat naik ke permukaan. Aplikasi yang dilakukan paralel dengan cara kimia akan saling memberikan dukungan dalam rangka memanfaatkan interpretasi.
DAFTAR PUSTAKA 1. MIZUTANI, Y., and RAFfER, T.A., Oxygen isotopic composition of sulfates, Part 3, Oxygen isotopicfractionation in bisulpahte ion-water system, N.Z.J., Sci. 12 (1969) 54. 2. AMORE, F.D., GlOVAN!, G., and CORAZZA, E., The geothermal area of Pilar Casandy state of Sucre, Venezuela, Geochemical, and model, Geothermics 29 3 (1994) 289. 3. GlGGENBACH, W.F., Simple method for the collection and analysis of volcanic gas sample, Bull. Volcanol. 39 (1975) 132. 4. MARINER, RH., PRESSER, T.S, and EVANS, W.C., Geothermometry and water-rock interaction in selected thermal system in the cascade range and Mocdoc Plateu, Western United Stated, Geothermics 22 I (1993) 1. 5. ROBINSON, B.W., VILLASENOR, L.B., and CLEMENTE, V.C., "Preliminary stable isotope investigation of acid fluids in geothermal system of Philiphines", 9th NZ Geothermal Workshop, Philiphines (1987).
IAO
Aplikolt [,otop don Radiali. 1996
Tabe 1. Data fisik dan isotop mata air panas daerah panas bumi Bengkulu daD Sulawesi Utara Lokasi
Sampel
SLW (1) TSA (2) WP (5) LB2 (8) LB6 (11) KM3 (12) KTB (13) BK3 (14)
Aceh Bengkulu Lampung Kotamobagu Kotamobagu Kepondakan Kotamobagu Bakan
SOOu ("C)
pH
84 96 93 65 78 93 93 88
7 7 7 6,5 7 6 I 6,7
8180HP -6,2 -72 -6,5 -3,9 -4,4 -6,1 -2,9 -6,7
Rasio Isotop 818QS04
834SS04
.......... °/00 ............ +16,7 +14,0 +1,42 +14,2 +2,13 +13,9 +4,5 +5,49 +7,4 +3,29 +8,23 +16,3 +9,92 -0,85 +5,77 +14,5
Tabe 2. SOOureservoir daerah panas bumi Sumatera dan Sulawesi Utara berdasarlean geotermometer Sampel
TNo-K
SLW-70 TSA WP
203 240 218
LB-2 LB-6 KM-3 BK-I
273 321 145 222
isotop dan kimia TNo-w
T K-MI
189 216 200
221 224
139 212
54 208
220 257 132 172
167 343 143 323
210 136 126 126 104
202 185 123 123 143
T No-K-Co
-
T H2Q.S04
Tabel 3. Data kimia mata air panas Sumatera daD Sulawesi Utara Kandungan kation (ppm) Sampel SLW (I) TSA (2) WP (5) LB 2 (8) LB 6 (11) KM 3 (12) KTB (13) BK (14)
150
Na+
K+
Mg+
Ca+
Li+
1559 1874 467 631 417 306 81 200
132 242 47 114 114 II 3 21
8,9 0,1 0,0 7,7 5,0 0,1 49,6 2,1
275 97 23 196 38 8Q 6 107
4,4 5,4
-
0,9 3,5 0,3 0,06 1,44
Aplikasi /sotop don Radiasi. /996
Tabel 4. Formula matematik geotermometer kimia Geotermometer
Somber
Formula matematika 1217
TNa-K
We) =
Fournier
- 273 1483 + Log (Na/K) 1647
TNa-K-Ca
Founier and Truesdell
-273
We) =
Log(Na/K) + B{Log(VCa/Na) + 2,06} + 2,47 dimana ~ = 1/3
4410 1J<.-Mg
We) =
TNa-Li
We) =
-273 13,95+ Log (K2/Mg)
Giggenbachp
1000
273
Fouillac and Michard
0,389 + Log (NalLi)
-------
-------1
0 15
~
Kesetimbangan r-endah
suhu
8
II II II II II II
13
0
-
6-'-" 00
8
is 00
~ 0
14
8
0
0
5
g
5
qj ==========:;> Kesetimbangan dalam
-5 -5
II
I
I
I
I
5
I
I
I
I
I
I
1"
i
15
Sulfur-34 ("/00)
Gambar 1. Grafik hubungan isotop 34Svs 18()mala air panas di Sumatera dan Sulawesi Utara
."'.
Aplika.~i
1sotop
don Radiasi,
1996
N,l /1000
"'1, - Na"
K/l00
10
20
30
~O
50 "
60
70
60
'I. - Mg..
Gambar2. Diagram trilinier Na-K-Mg mala air panas di Sumateradan Sulawesi Utara
152
90
VMg
Aplikasi Isotop dan Radiasi. 1996
DISKUSI
WAffi,AN 1. Cara pengukuran temperatur dengan isotop daD kirnia dipergunakan secara paralel, apakah pengukuran di lapangan selalu dilakukan berbarengan? 2. Apa keunggulan daD kelemahan cara pengukuran dengaD isotop? ZAINAL ABIDIN 1. Pengukuran temperatur isotop dan kimia tidak diukur secara langsung di lapangan, tetapi sampel air dibawa . kelaboratorium untnk dianalisis isotop 018 daD kation terlarut kemudian dengan formUla matematik diinterprestasikan kelayakan daTimetode itu. Metode kimia dan isotop saling mendukung. 2. Metode isotop, waktu kesetimbangannya cukup lama, sehingga menampilkan subu yang lebih dalam. Kelemahannya, treatment sampel mmit daD mudah tercampur dengan sulfat daTi shallow reservoir. AMlR FAUZI 1. Harap penjelasan tentang basil perhitungan daTicontoh SLWI yang tidak sinkron alias terlalu jauh menyimpang dari basil perhitungan dengan metode-metode lain? 2. Saran, agar dibuat persyaratan-persyaratan fisika dan kirnia untuk aplikasi geotermometer H2SO4? ZAINAL ABIDIN 1. Pada SLWI jelas bahwa mala air panas tersebut mempakan sifat out flow sulfat yang ada terbentuk daTi oksidasi dekat permukaan, sehingga dalam hal ini metode isotop kurang relailable, tetapi dapat menceritakan tentang shallow eQuilibrium. 2. Dalam menentuan geotermometer memang diperlukan korelasi dari kondisi mala air panas, rnisalnya: korelasi evaporasi daD korelasi mixin~.
2. Apakah tara ini sudah dilakukan di negara lain/peneliti lain? Metode pembanding buku-buku? 3. Apakah ada pengaruh pengukuran terhadap komposisi gas (kadar air dalam gas atau gas murni)? ZAINAL ABIDIN 1. Penelitian ini belum dalam bentuk suatu model, kami hanya memperkenalkan suatu metode geotermometer. 2. Cara ini sudah umum dilakukan di berbagai negara yang mempunyai sumber panas burni. Cara isotop dilakukan paralel dengan cara kirnia. SRIW AHYUNI
Dari data yang Anda tampilkan menunjukan bahwa pH mala air yang dipantau rata-rata 6,5-7,tetapi pada sampel KM 13 (Kota Mobagu) pH-nya= 7. lni menyatakan air tersebut bersifat asam. 1. Apakah pH ini tidak berpengaruh pada perhitungan yang Anda lakukan? 2. Apakah berbahaya air yang mempunyai pH = 1 daD bagaimana pengaruhnya pada lingkungan? ZAINAL ABIDIN 1. pH mala air yang berasal dari unsur air umumnya bersifat netral. 2. KM 13 bukan mala air, tetapi fumarol. Sifat fumarol adalah asam, di mana sifat asam berasal dari asam sulfat daD ~S. MOCH. RUSLAN Anda menjelaskan persenyawaan kirnia antara air dan asam sulfat terjadi perpindahan isotop oksigen sebagai akibat terjadinya oksidasi. Apa yang terbentuk sebagai oksidator pada reaksi ini? ZAINAL ABIDIN
NAZLY HILMY 1. Dalam penelitian ini apakah Anda menggunakan suatu model? Parameter apa saja yang mempengaruhi model tersebut?
Perpinti.ahan isotop antara 180 H202dengan 160 ion sulfat bukan asam sulfat. Oksidasi suUida menjadi ion sulfat dapat dilakukan oleh mineral di reservoir atau O2 yang terlamt dalam air permukaan.
153
