Pengembangan Persamaan Geotermometer Empiris Untuk Estimasi Suhu Reservoir Sumber Mata Air Panas

Sismanto,dkk/ Pengembangan Persamaan Geotermometer Empiris Untuk Estimasi Suhu Reservoir Sumber Mata Air Panas

191

Pengembangan Persamaan Geotermometer Empiris Untuk Estimasi Suhu Reservoir Sumber Mata Air Panas Sismanto1 dan Helda Andayany2 1.Lab. Geofisika FMIPA, UGM; 2. Kependidikan Fisika, UNPATI, Ambon Email: [email protected]

Abstrak - Telah dikembangkan persamaan geotermometer empiris yang berbasiskan geokimia dan sudah diujicobakan pada beberapa sumur di dunia sehingga diperoleh kesalahan akar pukul rata kuadrat yang minimum. Metode geokimia yang digunakan berdasarkan pengembangan geotermometer empiris yang melibatkan sejumlah unsur-unsur kimia, yang diperoleh dari diperoleh dari hasil analisis kimia sampel air panas dengan metode Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS) yang berupa konsentrasi Na, K, Ca, Mg, dan SiO2 kemudian dimasukkan ke dalam rumusrumus geotermometer. Suhu yang dihitung menggunakan rumus-rumus geotermometer tersebut memiliki nilai rmserror < 5 % dimungkinkan sebagai suhu reservoir pada umumnya. Kata kunci: persamaan geotermometer, suhu reservoir. Abstract - An geochemical based empirical geothermometry equation had been developed and tried to some wells on the world to get the minimum rms error. The geochemistry method in the study involves some chemical elements that obtained from the result of chemical analysis of hot spring sample with Atomic Absorption Spectrophotometer method (AAS) such as Na, K, Ca, Mg, and SiO2 concentration are then inserted into the geothermometry formulas. The temperature measured by using those geotermometry formulas possesses rms error value < 5 %. Keywords:

geotermometry formula, reservoir temperature.

I.

PENDAHULUAN Geotermometer merupakan bentuk persamaan yang digunakan untuk memperkirakan suhu di bawah permukaan bumi (reservoir) berdasarkan konsep ketergantungan kesetimbangan kimia (larutan maupun gas) terhadap temperatur. Metode ini biasa digunakan dalam asesmen potensi panasbumi suatu daerah maupun dalam penelitian ilmiah lain. Suatu set kesetimbangan kimia yang telah terdefinisi persamaan kesetimbangannya terhadap suhu biasa disebut geotermometer. Contohnya geotermometer SiO2, Na-K, Na-K-Ca, Na-K-Ca-Mg [1]. Pada dasarnya, penelitian ini dilakukan untuk merumuskan persamaan geotermometer baru yang dikembangkan dari beberapa persamaan geotermometer empiris yang sudah ada [2] kemudian membandingkan hasil estimasinya dengan persamaan geotermometer yang sudah ada dengan melihat kesalahan akar pukul rata kuadrat (rms error). Pengukuran suhu reservoir tersebut dapat diestimasi dengan metode geokimia berdasarkan analisis kandungan unsur Na, K, Ca, Mg, dan SiO2 air panas yang diimplementasikan dalam persamaan geotermometer empiris. Data yang digunakan data dari berbagai sumur di seluruh dunia lapangan panas bumi. II. LANDASAN TEORI Panasbumi di Indonesia umumnya merupakan jenis hidrotermal yang mempunyai suhu tinggi (>225oC), hanya beberapa diantaranya yang mempunyai suhu sedang (150‐225oC). Bukti kegiatan panas bumi

dinyatakan oleh manifestasi di permukaan yang menandakan bahwa fluida hidrotermal berasal dari reservoir telah keluar melalui rekahan-rakahan atau satuan-satuan batuan berpermeabilitas. Beberapa manifestasi menjadi penting untuk diketahui karena dapat digunakan sebagai indikator dalam penentuan suhu reservoir panas bumi, antara lain: mata air panas dan sinter silika [3]. Kolam air panas yang bersifat asam mungkin saja terdapat diatas suatu reservoar air panas. Sedangkan sinter silika berasal dari fluida hidrotermal bersusunan alkalin dengan kandungan cukup silika, diendapkan ketika fluida yang jenuh, silika amorf mengalami pendinginan dari 100oC ke 50oC. Endapan ini dapat digunakan sebagai indikator yang baik bagi keberadaan reservoir bersuhu >175oC. Reaksi kimia akan meningkat seiring dengan perubahan suhu air. Perubahan suhu menyebabkan pH air berubah dan perubahan pH air tersebut bergantung pada jenis endapan akuifernya. Apabila laju aliran air panas tidak terlalu besar, maka umumnya di sekitar mata air panas tersebut terbentuk teras-teras silika yang berwarna keperakan (silica sinter terraces atau sinter platforms). Lapangan panasbumi di setiap tempat mempunyai kondisi yang berbeda-beda dan sangat beraneka ragam. Keanekaragaman tersebut terjadi pula pada komposisi kimia dalam fluida yang mengalir dari reservoir ke permukaan. Komposisi kimia tersebut seringkali dapat digunakan untuk memperkirakan suhu reservoir. [4], Fournier dan kawannya menggunakan anggapan dasar untuk memperkirakan suhu reservoir, yaitu:

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012 ISSN : 0853-0823

192


1.

Reaksi-reaksi unsur kimia pokok yang terjadi di dalam reservoir tergantung suhu. 2. Adanya tambahan unsur-unsur kimia yang memadai atau tersedianya unsur-unsur kimia di dalam reservoir yang digunakan sebagai geotermometer. 3. Kesetimbangan kimia antara air dan batuan terjadi pada suhu reservoir. 4. Tidak ada evolusi atau tidak terjadi percampuran dengan air yang berbeda selama air mengalir ke permukaan. 5. Tidak terjadi kesetimbangan baru selama air mengalir dari reservoir ke permukaan. Secara analitik, bentuk umum ketergantungan konstanta kesetimbangan reaksi dengan temperatur dirumuskan sebagai: log . log (1) dengan K adalah konstanta kesetimbangan reaksi kimia; T adalah temperatur kesetimbangan (Kelvin); a, b dan c adalah konstanta-konstanta geotermometer. Konstanta kesetimbangan dan temperatur melibatkan dua bentuk persamaan, yaitu: ∆ Ѳ

(2)

dan (3) Dengan Cp adalah kapasitas kalor pada tekanan tetap; H adalah entalpi. Persamaan (2) merupakan persamaan Van’t Hoff dan persamaan (3) merupakan persamaan kapasitas kalor. Jika persamaan (3) diintegrasikan, diperoleh: (4) ∆ dengan c1 adalah konstanta hasil integrasi. Substitusi persamaan (4) ke persamaan (2) menjadi: (5) Jika persamaan (5) diintegrasikan akan menjadi: ln (6) ln jika dibandingkan dengan persamaan (1),diperoleh: c2 = a, -c1/R = b dan Cp/R = c. Geotermometri ini dapat diaplikasikan dengan mengasumsikan beberapa hal, yaitu: 1. Fluida panasbumi berada dalam kesetimbangan dengan mineral yang ada dalam reservoir, 2. Tidak ada mixing dengan air tanah dangkal, 3. Tidak ada pengendapan selama fluida naik menuju permukaan. Geotermometer tergantung dari adanya keseimbangan antara mineral dan fluida yang dipengaruhi oleh suhu dan keberadaannya terawetkan sampai fluida tersebut muncul di permukaan. Kelarutan berbagai jenis mineral silika merupakan fungsi terhadap suhu. Tekanan dan garam terlarut tidak memiliki efek yang signifikan terhadap kelarutan silika terutama quartz dan amorf di bawah temperatur 300oC. Kondisi ini memungkinkan penggunaan konsentrasi

silika dalam fluida panasbumi untuk digunakan sebagai geotermometer. Truesdell [1] menyatakan bahwa suhu reservoir dapat diperkirakan dari konsentrasi silika (ppm) dengan menganggap air jenuh dengan kuarsa, adiabatik, pendinginan isoentalpi. Rumus geotermometer silica yang menyatakan hubungan konsentrasi silika dengan suhu adalah: , 273,15 (7) ° ,

dengan t = suhu reservoir terhitung oC; SiO2 = kosentrasi silika (ppm). Estimasi umum dengan penggunaan geotermometer Na-K didasarkan pada reaksi perubahan: Ellis, Fournier dan Truesdell [5] menyatakan bahwa untuk air dengan pH mendekati netral dengan konsentrasi kalsium rendah ((Ca1/2-Na) <1) maka geotermometer Na-K memberikan pengukuran yang baik pada rentang suhu (180-350)oC untuk batuan sedimen. Truesdell [5] menggunakan rumus sederhana untuk menghitung suhu reservoir dengan geotermometer Na-K, yaitu: , 273,15 (8) ,

dengan [Na] = konsentrasi natrium (ppm); [K] = konsentrasi kalium (ppm); t = suhu terhitung (oC). Suhu yang terhitung dengan geotermometer Na-K biasanya cocok dengan suhu yang terhitung dengan geotermometer SiO2 tetapi kadang-kadang lebih tinggi (beberapa puluh derajat). Geotermometer Na-K memberikan hasil yang baik untuk beberapa air panas bumi suhu tinggi tetapi akan tidak baik untuk air panas bumi dengan konsentrasi kalsium tinggi dan suhu permukaan rendah. Di bawah suhu 180oC maka pertukaran kation antara Na dan K feldspar mungkin tidak dominan. Fournier and Truesdell [5] menggunakan rumus geotermometer Na-K-Ca yang melibatkan kation Ca dalam reaksi aluminosilikat untuk menghitung suhu reservoir, yaitu: ° 273,15 (9) / ,

Dengan t = suhu terhitung (oC); [Na] = kosentrasi natrium (ppm); [K] = kosentrasi kalium (ppm); β = 4/3 untuk ([Ca]1/2/[Na])>1 dan t < 100 oC; β = 1/3 untuk ([Ca]1/2/[Na])<1 atau jika tβ=4/3<100 oC. Fluida panasbumi suhu tinggi dengan konsentrasi kalsium sangat rendah (beberapa ppm atau kurang) maka komponen β log ([Ca]1/2/[Na]) menjadi sangat negatif dan bervariasi. Geotermometer Na-K dalam kasus ini menjadi lebih berguna. Geotermometer Na-K dan Na-KCa tidak cocok apabila diterapkan untuk air geothermal yang bersifat asam. Hal ini disebabkan karena kesetimbangan feldspar tidak akan terjadi. Secara teoritis pendekatan Geotermometer Na-K-CaMg secara multidimensi dalam analisis data kimia yang dilakukan didasarkan pada bentuk dasar reaksi kimia yang terjadi pada mineral, yaitu: Wairakite Ca-Montmorillonite + Quartz



1,77CaAl2Si122H2O+2H Ca0,17Al2,33Si3,67O10(OH)2+SiO2+2H2O+Ca++;

3 Geotermometer (Na-K-Ca-Mg)p Geotermometer (Na-K-Ca-Mg)p adalah geotermometer yang melibatkan unsur Na, K, Ca, dan Mg, ditulis 273,15 /

= dengan Keq = konstanta kesetimbangan; [Ca++] konsentrasi kation kalsium; [H2O] = konsentrasi air; [H+] = konsentrasi kation hidrogen. Suatu korelasi empiris yang menggambarkan hubungan antara suhu dan anion-kation dalam fluida dapat dituliskan [2];

;

;

;

;

;

;

;

Dengan t = suhu; [K ] = konsentrasi kation kalium; [Na+] = konsentrasi kation natrium; [Ca++] = konsentrasi kation kalsium; [Mg++] = konsentrasi kation magnesium; [H+] = konsentrasi kation hidrogen; [HCO3]= konsentrasi asam karbonat; [Cl-] = konsentrasi anion klor; [SO=] = konsentrasi sulfat; [SiO2] = konsentrasi silika. Dari pengertian tersebut dibuat suatu fungsi:

………. (11) dengan C0, C1, C2, …..C8 = konstanta-konstanta. Persamaan (11) diselesaikan dengan perhitungan multidimensi. Berdasarkan percobaan [2] diperoleh deviasi tinggi maupun rendah yang tergantung dari kualitas dan jumlah data yang dimasukkan. Perhitungan multidimensi dilakukan terhadap empat unsur (Na, K, Ca, dan Mg) dengan deviasi rata-rata 1,4 %. Rumusan yang diperoleh adalah: ,

2752,631

,

,

273,15

/

METODE PENELITIAN Persamaan (11) merupakan rumusan dasar geotermo-meter baru. Persamaan ini adalah persamaan umum yang masih bisa dimodifikasi. Persamaan geotermometer baru yang diusulkan dibuat dengan melibatkan dua, tiga, empat, dan lima unsur kimia. Persamaan geotermometer baru tersebut, antara lain: 1 Geotermometer (Na-K)p Geotermometer (Na-K)p adalah geotermo-meter yang melibatkan unsur Na dan K. Indeks p menunjukkan persamaan geotermometer yang baru ditulis dalam bentuk, log

273,15

(13)

2 Geotermometer (Na-K-Ca)p Geotermometer (Na-K-Ca)p adalah geotermo-meter yang melibatkan unsur Na, K, dan Ca, ditulis dalam bentuk log

/

273,15 (16) Persamaan (13), (14), (15), dan (16) inilah yang digunakan penulis sebagai rumusan geotermometer baru. Konstanta-konstanta C0, C1, C2, C3 dan C4 pada persamaan tersebut dapat dicari dengan mengetahui nilai t, [Na], [K], [Ca], [Mg] dan [SiO2] pada Tabel 1 dari data [1] dan [6] Setelah diperoleh nilai-nilai konstanta tersebut, diterapkan pada persamaan beserta data konsentrasi unsur kimia sumber mata air panas Hatuasa untuk mengestimasi suhu reservoirnya sebagai contoh uji kasus. Data-data konsentrasi unsur kimia dari Tabel 1 diambil sebagai data masukkan untuk persamaan (7), (8), (9), (12), (13), (14), (15), dan (16) untuk menghitung suhu reservoir. Suhu yang terhitung pada masing-masing persamaan tersebut kemudian dibandingkan dengan data suhu sumur pada Tabel 1 pula dengan parameter pembanding nilai kesalahan akar pukul rata kuadrat (rms error). Persamaan yang dianggap cukup baik adalah persamaan yang memiliki nilai kesalahan rms < 5 %.

(12)

III.

log

(15) 4. Geotermometer (Na-K-Ca-Mg-SiO2)p Geotermometer (Na-K-Ca-Mg-SiO2)p adalah geotermo-meter yang melibatkan unsur Na, K, Ca, Mg, dan SiO2, ditulis dalam bentuk,

(10)

+

193

273,15 (14)

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Konstanta hasil perhitungan persamaan (13), (14), (15), dan (16) ditampilkan pada Tabel 2. Data-data konsentrasi unsur-unsur kimia pada tabel 1 digunakan sebagai data masukan persamaan (7), (8), (9), (12), (13), (14), (15), dan (16) untuk menghitung suhu lalu hasilnya dibandingkan dengan suhu pada Tabel 1. Hasilnya disajikan pada gambar 1, dan menunjukkan bahwa kurva suhu reservoir yang dihitung dengan geotermometer (Na-K)p, (Na-K-Ca)p, (Na-K-Ca-Mg)p, dan (Na-K-CaMg-SiO2)p hampir saling berimpit dan selalu berada di atas kurva suhu uji, juga mengidentifikasi bahwa konsentrasi Ca dan Mg sangat berpengaruh terhadap hasil perhitungan dengan geotermometer Na-K-Ca-Mg dan Na-K-Ca-Mg-SiO2. Semakin tinggi konsentrasi Ca dan Mg, maka semakin tinggi pula hasil perhitungan suhu dengan geotermometer Na-K-Ca-Mg dan Na-K-CaMg-SiO2. Berdasarkan persamaan yang telah diuji, digunakan data mata air panas Hatuasa tabel 3 dan hasilnya pada gambar 2, menunjukkan bahwa kurva suhu yang dihitung dengan (Na-K)p, (Na-K-Ca)p, (Na-KCa-Mg)p, dan (Na-K-Ca-Mg-SiO2)p tampak hampir


194


berimpit dengan suhu uji menggunakan geotermometer Na-K-Ca.

Gambar 3. Grafik hasil perhitungan nilai rms error rumusrumus geotermometer persamaan (7), (8), (9) dan (12) serta (13), (14), (15) dan (16) terhadap suhu uji.

Gambar 1. Grafik perbandingan suhu uji pada tabel 1 dengan suhu yang dihitung dengan rumus-rumus geotermometer persamaan (13), (14), (15), dan (16).

Kurva geotermometer (Na-K)p terlihat dekat dengan suhu uji untuk suhu di atas 272oC sampai suhu di bawah 275oC, sehingga geotermometer (Na-K)p sangat tepat digunakan untuk air yang berasal dari reservoir dengan suhu di atas 100 oC atau antara (180-350)oC dan pH mendekati netral, serta perbandingan konsentrasi Ca/Na rendah untuk batuan sedimen. Kurva yang dihitung dengan geotermometer SiO2 selalu berada di bawah kurva uji. Hal ini menunjukkan keterlibatan SiO2 akan menurunkan suhu reservoir yang dihitung. Selain itu, geotermometer SiO2 ternyata tidak cocok digunakan untuk menghitung suhu reservoir di daerah Hatuasa karena menghasilkan perhitungan suhu di bawah 180oC. Sedangkan kurva suhu yang dihitung dengan geotermometer Na-K-Ca-Mg terlihat selalu berada di atas kurva suhu uji yang disebabkan oleh konsentrasi Na relatif lebih kecil. Estimasi Suhu reservoir berdasarkan persamaan (7), (8), (9) dan (12) serta (13), (14), (15) dan (16) pada gambar 3 menunjukkan bahwa nilai rms error relative kecil pada semua persamaan (< 0,1 %) dan gambar 4 menunjukkan bahwa nilai rms error terkecil terhadap suhu adalah rms error SiO2 yaitu sebesar 0,9 %. Sedangkan nilai rms error terbesar terhadap suhu reservoir adalah rms error Na-K-Ca-Mg, yaitu sebesar 4,5 %. Rumus geotermometer yang mempunyai rms error di bawah 5% dianggap baik.

Gambar 2. Grafik perbandingan suhu reservoir Hatuasa yang dihitung dengan rumus-rumus geotermometer persamaan (13) sampai (16).

Gambar 4

Grafik hasil perhitungan nilai rms error rumusrumus geotermometer persamaan (7), (8), (9) dan (12) serta (13), (14), (15) dan (16) terhadap suhu reservoir Hatuasa.

V. KESIMPULAN Telah berhasil dirumuskan persamaan geotermometer baru dengan kesalahan estimasi kurang dari 5 %. Hasil ujicoba pada mata air panas hatuas menunjukan bahwa suhu reservoir yang dihitung dengan rumus geotermometer (Na-K)p, (Na-K-Ca)p, (Na-K-Ca-Mg)p, dan (Na-K-Ca-Mg-SiO2)p dianggap paling baik diterapkan di Hatuasa karena keempat macam geotermometer tersebut memberi hasil perhitungan suhu yang tidak jauh berbeda dan memiliki nilai rms-error lebih kecil dari 5%. Suhu reservoir pada titik pertama mata air panas Hatuasa dimungkinkan bersuhu (150 ± 0,7 – 270 ± 2,1)oC. Namun demikian masih perlu digunakan geotermo-meter lain sebagai pembanding yang sudah ada. PUSTAKA [1] A. J. Ellis and W.A.J. Mahon. Geochemistry and Geothermal System, Academic Press. 1977. [2] D. Wintolo, Sutrisno, Supranto, S. Kamal, Sudjatmiko, Indarto, B. Toha, Sukrisno, H. Hendrayana. Konveksi Termal Reservoir Panas Bumi dan Konsep Geotermometer Baru untuk Eksplorasi. Kumpulan Makalah Sinposium III Kemajuan Kerjasama Riset Dasar Bidang Eksplorasi dan Produksi, Jakarta. 1995. [3] D.Z, Herman, Potensi Panas Bumi dan Pemikiran Kon-servasinya. Pusat Sumber Daya Geologi, Bdg. 2006. [4] Hutsinpiller, A. and Parry, W.T. Geochemistry and geothermometry of spring water from the blackfoot reservoir region. Southern Idaho, J. Volcanology and Geothermal, Research, 1985, Vol. 26: 275-296. [5] T., Benjamin, R. Charles and Vidale, R. Thermodinamic parameters and experimental data for the Na-K-Ca geothermometer, Journal of Volcanology and Geother-mal Research, 2003. Vol.15:167-186, Elsevier Scientific Publishing Company, Netherlands.



[6] L. Rybach and L.J.P. Muffler. Geothermal System: Principles and Case Histories, New York: John Wiley & Sons. 1981. TANYA JAWAB Kusminarto, UGM ? Data unsur yang dideteksi / diukur untuk banyak unsur? apa dasar penelitian unsur yang digunakan dalam persamaan tersebut? Sismanto, UGM √ Hasil analisa air sebenarnya memiliki banyak unsur namun, unsur-unsur tertentu saja seperti SiO2, Na, Ca ,Mg yang mendominasi air panas yang keluar dari reservoir panas bumi. Sehingga unsur tersebut yang dipilih untuk mengekstimasi suhu reservoir panas bumi. Hasnel Sofyan, BATAN ? Sensor yang digunakan sampai batas berapa? ? Apakah bisa digunakan untuk pergeseran lempeng? ? Dari pengembangan ini input apa yang akan diperoleh? Sismanto, UGM √ tidak digunakan sensor, hanya mengambil sempel air panasnya, dan geotermometer ini tidak mengestimasi kedalaman √ tidak bisa. √ Diharapkan diperoleh geotermometer yang akurat dan stabil. Purborini, ? Jelaskan penentuan suhu reservoir secara sederhana.? Sismanto, UGM √ Sudah ada rumusnya , seberapa besar kandungan Na dan K nya. Kandungan Na dan K menentukan suhu reservoir.

Tabel 1.

195

Data konsentrasi unsur-unsur kimia terkandung dalam sampel air dan suhu terukur (Ellis and Mahon (1977)

No

Lokasi

Suhu o C

Na, (ppm)

K, (ppm)

Ca, (ppm)

Mg, (ppm)

SiO2, (ppm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Tr 1 Tr 2 Tr 3 Tr 4 Tr 5 Tr 6 TD-1 TD-2 TD-4 AL-2 NG-4 NG-8 NG-11 NG-18 Ng-2 Ng-3 Ng-12 Ng-13

234 298 296 300 302 295 262 215 240 220 224 209 225 220 229 224 228 226

1711 3036 3663 1650 1623 2422 462 690 685 505 891 762 876 818 843 854 897 881

154,4 680 624 246 359,9 553 51 68 75 38 77 69 78 69 64 65 78 69

144 74,1 148 27,5 18,3 49 8,2 14,6 7,8 9,5 2,5 6,8 2,5 5,4 2 3,4 2,7 3,3

0,093 0,0666 0,0195 0,58 0,0854 0,168 0,1 0,018 0,028 0,02 0,09 0,4 0,13 0,16 0,14 0,04 0,09 0,15

220,8 600,4 578,5 428 730,8 726,6 640 459 477 342 399 363 394 357 365 370 378 405

Tabel 2. Konstanta hasil perhitungan persamaan (13), (14), (15), dan (16) dengan data masukan dari Tabel 1. Rumus geotermometer

C0

C1

C2

(Na-K)p,

510,15

-0,2984

(Na-K-Ca)p

510,15

-0,2984

-0,0115

(Na-K-CaMg)p

510,15

-0,2984

-0,0115

-0,3387

(Na-K-CaMg-SiO2)p

510,15

-0,2984

-0,0115

-0,3387

Tabel 3. Hasil analisa air mata air panas Hatuasa

Surya, ? Apakah ada kemungkinan komponen-komponen kimia tersebut berasal dari permukaan (sumber air panas permukaan)? Sismanto, UGM √ Komponen-komponen tertentu saja yang dapat dibentuk pada suhu dan kedalaman tertentu . jadi sumber air panas permukaan kecil kemungkinannya memproduksi mineral-mineral dari sumber panas reservoir panas bumi.


C3

C4

-0,6981

Pengembangan Persamaan Geotermometer Empiris Untuk Estimasi Suhu Reservoir Sumber Mata Air Panas

Recommend Documents