HIDROGEOCHEMISTRY HIDROGEOMIA AIRTANAH WATER-ROCK INTERACTION WATERHUBUNGAN AIRTANAH DAN BATUAN
TJAHYO NUGROHO ADJI LABORATORIUM GEOHIDROLOGI FAK. GEOGRAFI UGM
DEFINISI • Pendekatan yang mengkaji proses dan reaksi k i yang terjadi t j di karena k adanya d interaksi antara airtanah dan batuan pada akuifer • Mendeskrispsikan karakter kimia air • Bertujuan untuk menjelaskan perubahan komposisi kimia airtanah pada berbagai lokasi atas dasar interaksi antara air dan a ua batuan
HIDROGEOKIMIA HARUS BISA MENJAWAB Perbukitan denudasional Lereng koluvial Piezometer 1 Formasi Sentolo
Pi Piezometer t 2
Piezometer 3
Aluvial bekas lagoon
Piezometer 4 Na+ = 21 ppm Ca2+ = 44 ppm Mg2+ = 17 ppm K+ = 12 ppm Cl- = 24 ppm SO42- = 32 ppm HCO3- = 56 ppm
Na+ = 25 ppm
Na+ = 35 ppm
Na+ = 95 ppm
Ca2+ = 57 ppm
Ca2+ = 67 ppm
Ca2+ =42 ppm
Mg2+ = 20 ppm
Mg2+ = 28 ppm
Mg2+ = 78 ppm
K+ = 15 ppm
K+ = 17 ppm
K+ = 17 ppm
Cl- = 28 ppm
Cl- = 28 ppm
Cl- = 222 ppm
SO42- = 21 ppm
SO42- = 45 ppm
SO42- = 45 ppm
HCO3- = 25 ppm
HCO3- = 78 ppm
HCO3- = 121 ppm
MINERALOGI Komposisi kimia 1
BATUAN Komposisi i i kimia 2
•Mengapa berubah dari 1 ke 2 ?? •Apa faktornya ?? •Berapa besar perubahannya ?? •Proses/reaksi kimia apa ??
FAKTOR BERPENGARUH TERHADAP KONDISI KUALITAS AIR
IKLIM GEOLOGI GEOMORFOLOGI / LERENG VEGETASI WAKTU MANUSIA
A Sc h emat i c Over vi ew o f Pr o c esses t h at Af f ec t t h10e Wat er Qu al i t y i n Th e H yd r o l o g i c al Cyc l e
1 3
4 56 7
2
1 l clay
1 7
11
8
8 5 1. Evaporation 2. Transpiration 3. Selective Uptake by Vegetation 4 Oxidation/ 4. O id ti / Reduction R d ti 5. Cation Exchange 6. Dissolution of Mineral
sh fre t sal
7. Precipitation of Secondary Mineral 8. Mixing of Water 9 Leaching 9. of Fertilisers, Manure 10. Pollution
1. Evaporation 2. Transpiration 10 3. Selective Uptake by Vegetation 4 Oxidation/ Reduction 4. 5. Cation Exchange 9 6. Dissolution of Mineral 7. Precipitation 1 of Secondary Mineral 8. Mixing 11 of Water 9. Leaching of Fertilisers, Manure 10. Pollution 11. Lake/Sea 11. Lake/Sea Biological Processes Biological Processes
EVAPORASI - TRANSPIRASI
Pada daerah dengan iklim kering sangat berpengaruh thd. komposisi kimia airtanah Karena akan mengurangi kandungan H2O murnii dari d i air i
Sehingga, gg , total unsur terlarut (TDS) ( ) akan meningkat
Contoh kasus di Central Australia (Jankowski & Jacobson Jacobson, 1990
)
Karena tingkat evapotranspirasi yang tinggi, mineral kalsit akan ter ter--precipitasi, setelah itu mineral dolomit, sehingga kandungan kand ngan alkalinitas (HCO3-) di airtanah ai tanah akan menurun
PELARUTAN - DISSOLUTION 1.
Pelarutan yang tidak menghasilkan padatan (CONGRUENT DISSOLUTION) CaCO3 + H2O CaSO4 + 2H2O
2.
Ca2+ +HCO3- + OH2 + SO 2- + H O Ca2+ 4 2
Pelarutan yang menghasilkan padatan (INCONGRUENT DISSOLUTION) CaAl2Si2O8(s)+H2CO3+H2O
Ca2++ 2HCO3-+Al2Si2O5(OH)4(s)
Pelarutan P l mineral i l yang melepaskan l k unsur ke air merupakan proses yang paling penting terhadap komposisi kimia airtanah Beberapa mineral akan sangat mudah dan cepatt larut l t (karbonat, ((k k karbonat, b t evaporit) evaporit it) sehingga it) hi secara signifikan merubah komposisi kimia air tanah Sementara mineral seperti silika silika,, proses pelarutannya akan memakan waktu yang lama, dan efeknya sedikit terhadap komposisi kimia airtanah
PRECIPITATION / PENGENDAPAN • Jika, sebagai contoh pada pelarutan kalsit, konsentrasi kalsium di air sudah tinggi, maka air tersebut akan lebih lambat/sulit untuk melarutkan batuan gamping • Jika, makin lama makin tinggi dan mencapai ambang batas (equilibrium (equilibrium), ), maka prosesnya berubah menjadi j p proses pengendapan p g p ( (p (precipitation precipitation) p p ) dan membentuk padatan (solid (solid)) • Precipitation p of Calcite : Ca2+ + HCO3- + OH• Gypsum precipitation : Ca2+ + SO42- + 2H2O
CaCO3(s) + H2O CaSO4.2H2O
SATURATION INDEX (SI) atau INDEKS KEJENUHAN
Suatu nilai yang menunjukkan bahwa suatu larutan itu sudah jenuh atau belum terhadap mineral tertentu Sehingga bisa digunakan untuk memprediksi bahwa yang terjadi pada airtanah adalah proses dissolution atau precipitation Jika SI = - (undersaturated undersaturated--pelarutan) Jika SI = 0 ((seimbang/equilibrium (seimbang/ g equilibrium) q ) Jika SI =
+ (supersaturated supersaturated--pengendapan)
Cari menghitungnya adalah dengan hukum termodinamika (akan dijelaskan kemudian)
Contoh di barat S. Bogowonto Indek Kejenuhan Airtanah terhadap Mineral pada Sistem Perbukitan - Dataran 3,0 25 2,5 2,0
Inde ek Kejenuhan
1,5 1,0 0,5 0,0 , 8
9
10
7
6
5
3
-0,5 Sampel
-1,0 -1,5 -2,0 -2,5 Kalsit
Dolomit
Gypsum
Kwarsa
REAKSI REDUKSIREDUKSI-OKSIDASI (REDOX)
• Reaksi redox menunjukkan adanya transfer elektron • Oksidasi berarti kehilangan elektron dan menambah valensi positif • Reduksi berarti memperoleh elektron dan mengurangi valensi positif • Tidak bisa berdiri sendiri, setiap terjadi oksidasi pasti ditemani oleh reduksi dan sebaliknya, sehingga tidak mungkin ada elektron bebas berkeliaran di airtanah ((selalu balance))
Contoh :reaksi besi di airtanah
Fe 2H+ + e2H+ + Fe
Fe2+ + H2 (oksidasi) ½ H2 (reduksi) Fe2+ + H2 (redox komplit)
Kapan terjadi reaksi redox ? 1.
2.
Jika air hujan sebagai recharge ketemu airtanah dalam. Air hujan yang terinfiltrasi banyak mengandung oksigen (SO4 dan NO3) dan akan berkurang ketika menjadi airtanah. Sementara itu, itu airtanah dalam miskin oksigen Sehingga ketika bertemu akan terjadi reaksi redox Jika terjadi pencemaran, maka akan terjadi d k dekomposisi i ib bakteri kt i dari d i materi t i organik ik yang larut di air. Sehingga, materimateri-mater organik g atau berubah menjadi j kearah akan bermigrasi reduksi
Eh-REDOX POTENSIAL ( (mV) ) Oksidasi
- 400
-300
-200
Reduksi
-100
0
+ 100
+ 200 +300
+400 mV
Oksidasi Pirit : FeS2 + 15/4 O2 + 7/2 H2O
Fe(OH)3(s) + 2 SO42- + 4H+
Reduksi sulfat : SO42- + CH2O + H2O
2H+ + S2- + 2HCO3-
Pasangan redox yang sering terjadi di airtanah 2 /S22 SO42-
NO3-/NH4+ NO3-/NO2Fe3+/Fe2+ As5+/As3+ HCO3-/CH4 dll
ION EXCHANGE
Biasa terjadi j p pada akuifer dengan g materi lempung Terjadi karena pola dan karakteristik adsorpsi pada valensi di dekat permukaan lempung Guy Chapman Model
ELECTRICAL DOUBLE LAYER DIFFUSE LAYER STERN LAYER
• Layer pertama (stern layer) mempunyai valensi yang selalu menempel p p pada p permukaan lempung p g • Layer kedua (diffuse) bergerak pada cairan ketika ada airtanah • Diffuse layer akan berubah-ubah tergantung dari kenaikan jumlah kation yang diserap (sering terjadi), terjadi) atau penurunan jumlah anion yang dilepaskan (jarang terjadi) • Akibatnya, ada pertukaran kation pada airtanah di akuifer lempungan • Yang lazim terjadi : Na+ - Ca2+ Na+ - Mg2+ K+
- Ca2+
K+
- Mg2+
Na-clay K-clay + Mg2+ 2 Na-clay + Mg2+
K+ + Mg-clay
Na+ K+ + Mg-clay K+ + Mg-clay
K-clay + Mg2+
Cara mengetahui kalau terjadi ion exchange di airtanah – dengan bivariate plot Piezometer 4A 4
• Rasio Na:Cl diatas garis diagonal (1:1) menunjukkan bahwa ada ion exchange Ca2+ untuk Na+ , sehingga Natrium meningkat, sementara kalsium turun
Na (meq/l)
3
2
1
0 0
1
2
Cl (meq/l)
3
4
PROSES HIDROGEOKIMIA LAIN
Mixing (percampuran) Diffusion Adsorption Di Dispersion i
SUMBER KALSIUM (Ca2+) No
Mineral
Rumus kimia
1
K l it Kalsit
C C03 CaC0
2
Aragonit
CaCO3
3
Dolomit
CaMg(CO3)2
4
Ca-feldspar
CaAl2Si2O8
5
Fluoroapathite
Ca(PO4)3F
6
G Gypsum
C SO4. 2H2O CaSO
7
Anhydrite
CaSO4
8
Ca-monmorilonit
Ca0,33 Al4,67 Si7,33 O20 (OH)4
9
Glauberite
CaSO4.Na2SO4
10
Tachyhydrite y y
CaCl2. 2MgCl g 2 . 12H2O
SUMBER MAGNESIUM (Mg2+) No
Mineral
Rumus kimia
1
Dolomit
CaMg(C03)2
2
Forsterit
Mg2SiO4
3
Magnesit
MgCO3
4
Brucit
Mg(OH)2
5
T lk Talk
M 3Si4 O10(OH)2 Mg
6
Chlorit
Mg5Al2Si3O10(OH)2
7
Biotit
KMg3AlSi3O10(OH)2
8
Sepiolit
Mg4Si6O15(OH)2 . 6H2O
9
Epsomit p
MgSO g 4. 7H2O
SUMBER NATRIUM (Na+) No
Mineral
Rumus kimia
1
Halite
NaCl
2
Albite (Na-feldspar)
NaAlSi3O8
3
Na-montmorilonit
Na0,33 Al2,33 Si3,67 O10 (OH)2
4
Thenardite
Na2SO4
5
Glauberite
CaSO4 . Na2SO4
6
Mirabilite
Na2SO4 . 10H2O
7
Trona
NaHCO3 . Na2CO3 . 2H2O
8
Dawstone
NaAlCO3((OH))2
SUMBER KALIUM (K+) No
Mineral
Rumus kimia
1
Silvit
KCl
2
Orthoclase (K-feldspar)
KAlSi3O8
3
Mika
KAlSi3O8
4
Biotit
KMg3AlSi3O10(OH)2
5
Karnalit
KCl . MgCl2 . 6H2O
SUMBER KLORIDA (Cl-) No
Mineral
Rumus kimia
1
Halit
NaCl
2
Silvit
KCl
3
Anarktitit
CaCl2 . H2O
4
Biskofit k f
MgCll2 . 6H2O
5
Karnalit
KCl . MgCl2 . 6H2O
6
Tachyhidrit
CaCl2 . 2MgCl2 . 12H2O
SUMBER SULFUR DAN SULFAT Mineral
Rumus kimia
Gipsum
CaSO4 . 2 H2O
Anhidrit
CaSO4
Glauberit
CaSO4 . Na2SO4
Thenardit
Na2SO4
Mirabilit
Na2SO4 . 10 H2O
Kieserit
MgSO4 . H2O
Epsomit
MgSO4 . 7H2O
Pirit
FeS2
Galena
PbS
S h l it Sphalerit
Z S ZnS
SUMBER KARBONATKARBONAT-BIKARBONAT Mineral
Rumus kimia
Kalsit
CaCO3
Dolomit
CaMg(CO3)2
Siderit
FeCO3
Magnesit
MgCO3
Otavit
CdCO3
Strontianit
SrCO3
N hk lit Nahkolit
N HCO3 NaHCO
Trona
NaHCO3 . Na2CO3 . 2H2O
Dawsonit
NaAlCO3(OH)2
REPRESENTASI DATA •Konsentrasi massa
ppm =
ppb =
massa unsur terlarut (mg) massa larutan (kg) massa unsur terlarut (µg) massa larutan (kg)
mg/lt =
µg/lt =
massa unsur terlarut (mg) volume larutan (liter) massa unsur terlarut (µg) volume larutan (kg)
• berat/volume=(berat/berat) x kerapatan larutan • sehingga, sehingga kerapatan larutan=massa larutan massa larutan (kg)/volume larutan (liter) • jika kerapatan airtawar = 1,00 g/cm3 ; air laut 1,025 g/cm3, maka pada p = 1 kg/liter • ppm (mg/kg) = mg/liter
Molaritas
angka g yang y g menunjukkan j jumlah j mol dari unsur pada 1m3 larutan
Molaritas = (mg/liter) x 10
Milimol = (mg/liter) / berat atom
-3
/ berat atom
Contoh : pada air terdapat Na+ terlarut sebesar 125 mg/lt, maka molalitasnya adalah : Mol = 125/22.99 / = 5,458 , mmol/lt / ((dimana 22.99 adalah berat atom unsur Na+)
Berat Ekuivalen
Berat ekuivalen adalah satuan yang sering digunakan untuk merepresentasikan data kualitas air karena semua reaksi dari reaktan yang bereaksi menghasilkan produk akan mempunyai kesetimbangan berat ekuivalen. Satuan berat ekuivalen yang biasa dipakai adalah miliekuivalen/liter (meq/l)
meq /l = (mg/l) / berat atom /valensi dari ion
atau meq/l = (mmol/l) x valensi ion
Contoh : pada air terdapat Mg 2+ terlarut sebesar 80 mg/lt, maka berat ekuivalen ekuivalen--nya adalah : Meq/l = (80 / 24,305) 24 305) x 2 = 80/12,15 = 6,32 meq/lt ((dimana 24,305 , adalah berat atom unsur Mg g adalah jumlah ion valensi Na)
2+
dan 2
CHARGE BALANCE ERROR (Na+) + (K+) + 2(Ca2+) + 2(Mg2+) = (Cl-) + (HCO3-) + 2(SO42-) sehingga :
∑
zmc = ∑ zma
∑ E= ∑
zmc − ∑ zma
zmc + ∑ zma
× 100
STIFF DIAGRAM
+K
Expanded SquareSquare-Piper Diagram Na + K
a v a r a g e s e a w a te r Vc
5
2
lin e
HCO3 + C CO3
IV c
ixi n
g
III
IV b
ci pa lm
11
p in
1 9
II
8
IV a
I 4 36
7
av arag e b ic i a rbon at w a te r
10 0 %
10
Vb
Cl + SO4
VI
mixing with conate sa line water incre easing total me eq
0 %
Va c a t io n e x c h a n g e c o n s t a n t ( m e q )
10 0 %
0 %
Ca + Na
BAGAIMANA MENGKUANTIFIKASI PERUBAHAN KOMPOSISI KIMIA AIRTANAH?
Model hidrogeokimia • Forward Model • Inverse Model
FORWARD MODEL
Kita sudah harus tahu betul jjenis reaksi yang terjadi di airtanah Termasuk besarannya Akan Ak tahu t h berapa b komposisi k i i kimia ki i suatu t sampel tanpa mengukur atau analisis laboratorium Sulit untuk menentukan jenis reaksi yg.terjadi H il Hasilnya biasanya bi jauh j h dari d i kenyataan k t sebenarnya
FORWARD MODEL BAIK UNTUK LATIHAN MENGENALI KESETIMBANGAN PROSES HIDROGEOKIMIA TDS mg/l
160
pH 5.76
Eh (mV) 190
O2
2+
Ca
3.4
34
Mg
2+
3
+
Na
2
+
K
2+
Fe
1
0
2
SO4
-
13
-
Cl
3
Hitunglah bagaimana komposisi kimia pada sumur dibawah searah aliran airtanah jika terjadi prosesproses berikut ini : •0.37 mmol/l of sodium chloride has been dissolved •0.09 mmol/l sodium sulphate has been dissolved •0 12 mmol/l potassium chloride has been dissolved •0.12 •198 mg/l calcite has been dissolved •45 mg/l dolomite dissolved •17 mg/l (0.142 mmol/l) pyrite has been oxidized
HCO 3
104
INVERSE MODEL - HIDROGEOKIMIA Sumur A Sumur B
Na+ = 30 mg/l SO42- = 21 mg/l Cl- = 13 mg/l HCO3- = 45 mg/l
Flow
Na+ = 45 mg/l SO42- = 29 mg/l Cl- = 20 mg/l HCO3- = 87 mg/l
Menggunakan initial dan final komposisi kimia airtanah untuk memprediksi reaksi kimia di airtanah Semua laju mass balance model dapat teridentifikasi Mass balance dan laju proses hidrogeokimia dapat didefinisikan secara 100 % akurat Dapat digunakan untuk memprediksi reaksi kimia apapun dalam airtanah, termasuk pencemaran dan intrusi air laut
Tujuan j
Mendefiniskan reaksi2 hidrogeokimia yang bertanggung jawab terhadap komposisi kimia airtanah pada beberapa unit geomorfologi
Mengevaluasi kondisi kualitas air, air dan faktor faktor-faktor (alami/non) yang mempengaruhinya
Membuat model (forward (forward)) hydrogeochemical reactions yang dapat diterapkan untuk memprediksi p kualitas airtanah p pada tempattempat p -tempat p lain yang mempunyai kondisi hampir mirip
Ca2+
Mg2+
Na+
K+
HCO3-
Mataair
pH
SiO2
Recharge Discharge
6,2 6,8
0,273 0.078 0,029 0,13 0,03 0,328 0,410 0,260 0,071 0,26 0,04 0,895
SO42- Cl0,010 0,014 0,025 0,030
Mineral di akuifer = halite, gypsum, kaolinite, Ca-mont, karbondioxida gas, calcite, silica, biotite, plagioclas
Mineral
Komposisi
Mass Transfer (mmol/kg)
Halite Gypsum Kaolinite Ca-montmorilonite CO2 gas Calcite Silica Biotite Plagioclase
NaCl 0 016 0,016 CaSO4 0,015 -0,033 Al2Si2O5(OH)4 , Ca0,17Al2,33Si3,67O10((OH))2 -0,081 CO2 0,427 0,115 CaCO3 0,0 SiO2 KMg3AlSi3O10(OH)2 0,014 0,175 Na0,62Ca0,38Al1,38Si2,62O8
INVERSE MODEL - HIDROGEOKIMIA Sumur A Sumur B
Na+ = 30 mg/l SO42- = 21 mg/l Cl- = 13 mg/l HCO3- = 45 mg/l
Flow
Na+ = 45 mg/l SO42- = 29 mg/l Cl- = 20 mg/l HCO3- = 87 mg/l
Menggunakan initial dan final komposisi kimia airtanah untuk memprediksi reaksi kimia di airtanah Semua laju mass balance model dapat teridentifikasi Mass balance dan laju proses hidrogeokimia dapat didefinisikan secara 100 % akurat Dapat digunakan untuk memprediksi reaksi kimia apapun dalam airtanah, termasuk pencemaran dan intrusi air laut
Tujuan j
Mendefiniskan reaksi2 hidrogeokimia yang bertanggung jawab terhadap komposisi kimia airtanah pada beberapa unit geomorfologi
Mengevaluasi kondisi kualitas air, air dan faktor faktor-faktor (alami/non) yang mempengaruhinya
Membuat model (forward (forward)) hydrogeochemical reactions yang dapat diterapkan untuk memprediksi p kualitas airtanah p pada tempattempat p -tempat p lain yang mempunyai kondisi hampir mirip
Ca2+
Mg2+
Na+
K+
HCO3-
Mataair
pH
SiO2
Recharge Discharge
6,2 6,8
0,273 0.078 0,029 0,13 0,03 0,328 0,410 0,260 0,071 0,26 0,04 0,895
SO42- Cl0,010 0,014 0,025 0,030
Mineral di akuifer = halite, gypsum, kaolinite, Ca-mont, karbondioxida gas, calcite, silica, biotite, plagioclas
Mineral
Komposisi
Mass Transfer (mmol/kg)
Halite Gypsum Kaolinite Ca-montmorilonite CO2 gas Calcite Silica Biotite Plagioclase
NaCl 0 016 0,016 CaSO4 0,015 -0,033 Al2Si2O5(OH)4 , Ca0,17Al2,33Si3,67O10((OH))2 -0,081 CO2 0,427 0,115 CaCO3 0,0 SiO2 KMg3AlSi3O10(OH)2 0,014 0,175 Na0,62Ca0,38Al1,38Si2,62O8
