GEOKIMIA PANAS BUMI

5/10/2018 GEOKIMIA PANAS BUMI - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/geokimia-panas-bumi 1/89

GEOKIMIA PANAS BUMI

Niniek Rina Herdianita

KK Geologi Terapan

Program Studi Sarjana dan Magister Teknik Geologi

Program Studi Magister Teknik Panas Bumi

Institut Teknologi Bandung



Geokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan

2. Geokimia Air Panas Bumi

3. Geokimia Gas Panas Bumi

4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir



Pendahuluan

Geokimia Panas Bumi/Geotermal mempelajari komposisifluida panas bumi (air dan uap) dan proses-proses yangmempengaruhinya untuk mengetahui kondisi dankarakteristik fluida reservoir.





Asumsi

Sistem geotermal adalah sistem hidrotermal terbuka dan air yang didominasi oleh air meteorik merupakanmedia pembawa panas.





Karakteristik Air (H2O)

Systematic name water

Alternative namesaqua, dihydrogen monoxide,hydrogen hydroxide

Molecular formula H2OMolar mass 18.0153 g/mol

Density and phase1.000 g/cm3, liquid0.917 g/cm3, solid

Melting point 0°

C (273.15 K) (32ºF)Boiling point 100°C (373.15 K) (212ºF)

Specific heat capacity (liquid) 4184 J/(kg.K)



Densitas H2O vs Temperatur



pH H2O



pH H2O vs Temperatur

pH adalah fungsi dari Konstanta Disosiasi Air (KwH2O)

H2O H+ + OH-

KwH2O = [H+][OH-]

-log KwH2O

= -log [H+] + [ – log [OH-]] pKwH2O

= pH + pOH

Kw adalah fungsi dari temperatur:

KwH2O (25oC) = 10-14 pKwH2O = 14

KwH2O (100oC) = 10-12 pKwH2O = 12 KwH2O (250oC) = 10-11 pKwH2O = 11





0 10 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

H2O 14.94 14.54 13.99 13.27 12.71 12.26 11.91 11.64 11.44 11.30 11.22 11.20 11.22 11.30

H2CO3 6.57 6.47 6.36 6.29 6.32 6.42 6.57 6.77 6.99 7.23 7.49 7.75 8.02 8.29

H2S 7.45 7.23 6.98 6.72 6.61 6.61 6.68 6.81 6.98 7.17 7.38 7.60 7.82 8.05

NH4 10.08 9.74 9.24 8.54 7.94 7.41 6.94 6.51 6.13 5.78 5.45 5.15 4.87 4.61

H4SiO4 10.28 10.00 9.82 9.50 9.27 9.10 8.97 8.67 8.65 8.85 8.89 8.96 9.07 9.22

H3BO3 9.50 9.39 9.23 9.08 9.00 8.95 8.93 6.94 8.98 9.03 9.11 9.22 9.35 9.51

HF 2.96 3.05 3.18 3.40 3.64 3.85 4.09 4.34 4.59 4.89 5.30 5.72 6.20 6.80

HSO4- 1.70 1.81 1.99 2.30 2.64 2.99 3.35 3.73 4.11 4.51 4.90 5.31 5.72 6.13

HCl -0.26 -0.24 -0.20 -0.14 -0.06 0.03 0.14 0.25 0.37 0.50 0.66 0.84 1.06 1.37

HCO3- 10.63 10.49 10.33 10.17 10.13 10.16 10.25 10.39 10.57 10.78 11.02 11.29 11.58 11.89

Expressed as -log Ka = pKa

Temperature (oC)



Solubilitas Air





Diagram Fasa H2O



Boiling point

VaporizationCondensation

(solid)

(liquid)

(gas)



Boiling = Mendidih

Terjadi di bagian atas, yaitu pada kedalaman < 2 km

Terjadi pemisahan 2 fasa fluida, yaitu air dan uap

Unsur non-volatil (Cl, SiO2) tinggal di air

Unsur volatil/gas (CO2, H2) berada pada fasa uap

Pemisahan 2 fasa fluida mengakibatkan terbentuknya:

Entalpi liquid (Hliq)

Entalpi uap (Hvap)

Manifestasi panas bumi di permukaan memberikangambaran tentang kondisi/proses bawah permukaan



Entalpi (H) = Panas Tersimpan





Tekanan vs Boiling Point



Boiling Point Depth (BPD)

Tekanan vs titik didih (boiling point) air

Tekanan air (P) sebagai fungsi dari kedalaman (h):

PHidrostatik = 0,1897 h0,8719 PHidrodinamik = 0,2087 h0,8719 = 1.1 PHidrostatik





290oC

1000 m













Geokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan


3. Geokimia Gas anas Bumi




Unsur-unsur Kimia Fluida

Terdiri dari unsur-unsur terlarut berupa:

Anion: Cl-, HCO3-, SO4

-2, NH4-, F-, I-, Br-

Kation: Na+, K +, Ca+2, Mg+2, Rb+, Cs+, Li+, Mn+2, Fe+2, Al+3, ion-ion As

Spesies netral: SiO2, B, CO2, H2S, NH3

SiO2 hadir sebagai silika total dan ekuivalen dengan konsentrasiH4SiO4

CO2 terlarut adalah ekuivalen terhadap konsentrasi H2CO3

Karbonat total adalah jumlah dari semua spesies karbonat

(CO2 = H2CO3 + HCO3-

+ CO3-2

) B adalah boron total (B = H3BO3 + H2BO3

- + HBO3-2 + B+)

As adalah arsenik total yang hadir dalam berbagai muatan ion

Amonia adalah sebagai amonia (NH3) atau amonium (NH4-)




Berasal dari interaksi antara batuan dan fluida (+ prosesmagmatik), terdiri dari:

Unsur-unsur pembentuk batuan

Solubilitasnya dipengaruhi oleh kesetimbangan antaramineral dan air

mis. kation Na, K, Ca, Mg, Rb, Cs, Mn, Fe dan Al

Unsur-unsur terlarut Lebih banyak berada di larutan dibanding dalam mineral

Tidak mudah bereaksi = unsur konservatif

mis. Cl, B, Li dan Br




Dipengaruhi oleh:

Asal air

Penambahan unsur volatil magmatik

Cl sebagai HCl, C sebagai CO2, S sebagai SO2

Kenampakan isotop Helium (3He/4He)

Kesetimbangan fluida-mineral

Mineral (jenis batuan)

Suhu

Dominasi batuan Proses

Boiling

Mixing (dilution)



Asal Fluida





Air Klorida (Cl)

Menunjukkan air reservoir

Mengandung 0,1 hingga 1,0 wt.% Cl

Perbandingan Cl/SO4 umumnya tinggi

Mengandung kation utama : Na, K, Ca dan Mg

Berasosiasi dengan gas CO2 dan H2S

pH sekitar netral, dapat sedikit asam dan basa tergantung CO2 terlarut

Sangat jernih, warna biru pada mataair natural

Kaya SiO2 dan sering terdapat HCO3-

Terbentuk endapan permukaan sinter silika (SiO2)



Air Sulfat (SO4)

Terbentuk di bagian paling dangkal sistem geotermal

Akibat kondensasi uap air ke dalam air permukaan (steam heatedwater)

SO4 tinggi (mencapai 1000 ppm) akibat oksidasi H2S di zona

oksidasi dan menghasilkan H2SO4 (H2S + O2 = H2SO4)

Mengandung beberapa ppm Cl

Bersifat asam

Ditunjukkan dengan kenampakan kolam lumpur dan pelarutan

batuan sekitar Tidak dapat digunakan sebagai geotermometer

Di lingkungan gunung api : air asam SO4-Cl terbentuk akibatkondensasi unsur volatil magmatik menjadi fasa cair



Air Cl dan SO4



Air Cl dan SO4

Ta: Taal

Ku: Kusatsu Shirane

Kb: Kaba

Tin, Tam: Kelimutu

Ij: Ijen

Po: Poas

Ma: Maly Semiachik

Pu: Kawah Putih

Dem: Dempo

Sv: Soufrière St.Vincent

Qu: Quilotoa

Kel: Kelud

Sa: Segara AnakNy, Mo: Nyos, Monoun

The discharge of magmatic gases (SO2 , H2S, HCl and HF) into a crater lake frequently lead to highly acidic

sulfate-chloride waters. The lakes are too acidic to convert and store CO2 gas as bicarbonate ions (HCO3-).



Air Bikarbonat (HCO3)

Terbentuk pada daerah pinggir dan dangkal sistem geotermal

Akibat adsorbsi gas CO2 dan kondensasi uap air ke dalam air tanah(steam heated water)

Anion utama HCO3 dan kation utama adalah Na

Rendah Cl dan SO4 bervariasi

Di bawah muka air tanah bersifat asam lemah, tetapi dapatbersifat basa oleh hilangnya CO2 terlarut di permukaan

Di permukaan dapat membentuk endapan sinter travertin (CaCO3)



Air Meteorik

Air tanah mengandung Ca, Mg, Na, K, SO4, HCO3 dan Cl, dan dapatmengandung Fe, SiO2 dan Al

Air tanah dapat mengandung gas terlarut O2 dan N2

Air sungai mempunyai anion utama HCO3 dan kation utama adalah

Ca Air hujan mempunyai anion utama Cl dan kation utama Na

Kandungan kimia air tanah sangat dipengaruhi oleh batuandasarnya.

Komposisi isotop stabil mengikuti Meteoric Water Line (MWL)



Air Asin

Terbentuk dengan berbagai cara (mis. pelarutan sekuen endapanevaporit, terperangkap pada cekungan sedimentasi/air formasi, dll)

Merupakan larutan yang berkonsentrasi tinggi

pH menunjukkan asam lemah

Unsur utama adalah Cl (10.000 hingga lebih dari 100.000 ppm) Konsentrasi Na (kation utama), K dan Ca tinggi

Densitas tinggi, sehingga tidak muncul di permukaan



Tipe air apakah sampel ini?



Na K Mg Ca Cl SO4 HCO3

1 Ngawha NG-9, NZ 230 7.7 893 79 0 3 1,260 18 185

2 Wairakei WK-66, NZ 240 8.5 995 142 0 17 1,675 30 <5

3 Champagne Pool, NZ 99 8.0 1,070 102 0 26 1,770 26 76

4 Miravalles 10, Costa Rica 250 7.8 1,750 216 0 59 2,910 40 27

5 Acque Albule, Italy 22 6.1 138 22 238 1,042 163 1,470 1,403

6 Well C32, Fuzhou, China 93 7.5 187 6 0 23 175 163 52

7 Spring 7, Manikaran, India 95 8.4 96 19 3 52 138 41 210

8 Golden Spring, NZ 45 7.0 224 20 7 11 51 8 670

9 Zunil spring 95 7.0 384 32 39 17 172 234 635

10 Zunil ZQ-3, Guatemala 295 8.1 933 231 0 15 1,810 31 51

No LOKASI t (°C) pHKimia Air (mg/kg)



Na K Mg Ca Cl SO4 HCO3

11 Radkersburg, Austria 72 8.9 2,215 182 47 3 264 398 4,130

12 Cerro Prieto, Mexico 280 7.3 5,600 1,260 0 333 10,500 14 40

13 Tongonan, Philippines 330 7.0 3,580 1,090 0 128 6,780 16 12

14 Morere spring, NZ 47 7.0 6,690 84 79 2,750 15,670 <3 28

15 Salton Sea well, USA 330 5.2 38,400 13,400 10 22,010 118,400 4 140

16 Reykjanes Spring, Iceland 99 6.2 14,325 1,670 123 2,260 26,100 206 <5

17 Oil well, Leda F., California 100 5.7 13,600 404 275 12,200 44,000 16 80

18 White Island, NZ 98 0.6 5,910 635 3,800 3,150 38,700 4,870 -

19 Kawah Ijen, Indonesia 60 0.6 1,030 1,020 680 770 21,800 62,400 -

20 Tamagawa, Japan 98 1.3 38 30 35 95 2,970 2,300 -

No LOKASI t (°C) pHKimia Air (mg/kg)



Kisaran pH Anion Utama

Air tanah 6 - 7.5 jejak HCO3-

Air klorida (Cl) 4 - 9 Cl, jejak HCO3-

Air klorida-bikarbonat (Cl-HCO3) 7 - 8.5 Cl, HCO3-

Air bikarbonat (HCO3) 5 - 7 HCO3-

Air asam sulfat (SO4) 1 - 3 SO42-, jejak Cl

Air asam sulfat-klorida (SO4-Cl) 1 - 5 SO42-, Cl



Tipe air apakah yang hadir

pada manifestasi ini?



Artist’s Palette, Waiotapu, New Zealand





Yellowstone National Park, USAPohutu Geyser, Rotorua



Champagne Pool, NZ



Travertin Stone, Pamukale, Turkey









Papandayan, Jawa Barat



Waimangu, New Zealand

Cl water

SO4 water



Geokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan






Gas-gas Panas Bumi

Gas dalam sistem panas bumi hadir sebagai:

Uap (H2O)

Non condensible gases (gas-gas yang tidak mudahterkondensasi) atau gas reaktif: CO2, H2S, NH3, H2, N2, CH4)

kondisi bawah permukaan Gas-gas inert atau konservatif: gas-gas mulia, hidrokarbon selain

metana) sumber gas

Konsentrasi gas bersama rasio gas/uap dan uap/air

dapat memberikan informasi mengenai kondisi bawahpermukaan dan perilaku reservoir.



Keluaran Gas

Fumarol

Kaipohan

Solfatara :

Fumarol dengan SO2 dan/atau H2S

Daerah steam discharge yang mengandung steaming grounddan fumarol

Steaming ground

Hot pools



Steaming ground @ Cibuni, Rancabali-Bandung



Steam vent @ Cibuni, Rancabali-Bandung



Grand Prismatic Hot Spring @ Yellowstone National Park



Warm ground with (organic) gas discharge @ Cipanas, Palimanan - Cirebon



CO2

Gas terbanyak pada sistem panasbumi (~ 95 wt.% atauvol.%)

Hadir 0.2 - 4% vol/vol dalam udara tanah

Terbentuk dari :

Magmatik

Larut dalam air meteorik

Alterasi termal batuan/mineral karbonat

Degradasi material organik pada batuan sedimen

Mengontrol kimia air, densitas, pH, BPD, alterasi batuan,dan pengendapan mineral sekunder dan skaling.



H2S

2 hingga 3 kali lebih mudah terlarut dibanding CO2

Merupakan gas reaktif dan akan hilang oleh interaksidengan batuan sekitar membentuk sulfida besi.

Terbentuk dari :

Magmatik

Alterasi termal batuan reservoir

Rasio CO2 /H2S dapat menunjukkan pola aliran fluida danproses boiling.



NH3

Gas panas bumi yang paling mudah larut.

Terbentuk dari alterasi material organik pada batuansedimen.

Gas reaktif dan akan hilang oleh interaksi dengan batuansekitar, terserap dalam mineral lempung, atau larutdalam kondensasi uap.



Volatil Logam dan Non Logam

Arsen (As) Kandungannya tinggi pada sistem entalpi sangat tinggi. Mudah hilang oleh proses kondensasi uap dan mixing dengan air

tanah. Boron (B)

Terkonsentrasi pada fasa liquid, tetapi dapat ditranspor sebagaiuap. Mudah larut dalam uap kondensat atau air steam heated.

Merkuri (Hg) Kandungan Hg pada steam discharge dipengaruhi oleh

kandungan Hgvapour dan gas HgS.

Hgvapour akan berkurang dengan meningkatnya konsentrasi H2S. Asosiasi: sulfida, oksida, material organik dan unsur logam

Tritium (3H) Kandungannya berkurang dengan peningkatan residence times.



Komposisi Gas atau Uap

Temparatur dan tekanan reservoir

Kandungan gas pada fluida reservoir

Solubilitas gas pada fasa liquid

Koefisien distribusi massa gas dalam fasa uapdan liquid (Bgas=cvapour /cliquid)

Reaksi yang terjadi saat naik ke permukaan:

Boiling

Kondensasi Oksidasi

Interaksi batuan/mineral)



Solubilitas Gas

(least soluble) N2<O2<H2<CH4<CO2<H2S<NH3 (most soluble)



Kimia Keluaran Gas GeotermalField/feature Separation

pressure

Enthalpy Steam

fraction

Total gas

in steam

CO2 H2S CH2 H2 N2 NH3

(bg) (kJ/kg) (y) (mmol/mol steam) millimoles/mole total gas

Wells: liquid dominated systems

Wairakei, NZ Average 1 1135 0.3 0.2 917 44 9 8 15 6

Tauhara, NZWell 1 8.8 1120 0.2 1.2 936 64 - - - -

Ohaaki, NZWell 22 10 1169 0.19 10.04 956 18.4 11.8 1.01 8.89 4.65

Ngawha, NZ

Well 4 1.87 966 0.19 24.5 945 11.7 28.1 3.0 2.1 10.2Cerro Prieto, Mexico

Well 19A 6.6 1182 0.289 5.88 822 79.1 39.8 28.6 5.1 23.1Tongonan, Philippines

Well 103 7.6 1615 0.414 2.95 932 55 4.1 3.6 1.2 4.3Reykjanes, Iceland

Well 9 19.0 1154 0.135 0.248 962 29 1 2 6 -

Wells: vapour dominated systems

The Geyser, USA Average - 2793 1.0 5.9 550 48 95 150 30 125Larderello, Italy

Average - 2804 1.0 20.0 941 16 12 23 8 8

FumarolaWairakei, NZ

Karapiti - (115°C) 1.0 1.7 946 23 7.4 10 11 2.6Larderello, Italy

Average - (100°C) 1.0 30.0 923 20.6 14 26 10.7 -



Geokimia Panas Bumi

1. Pendahuluan






Estimasi karakteristik reservoir

Temperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.

pH fluida, yaitu dengan menggunakan dasarkesetimbangan reaksi tertentu.

Komposisi fluida, yaitu dengan mempertimbangkanterbentuknya fraksi uap (y) dan fraksi air (x) saat boilingterjadi.

Temperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.



Geotermometer

Berdasarkan variasi kandungan beberapa unsur dalamfluida panasbumi yang hadir sebagai fungsi daritemperatur

Unsur : terlarut, gas, isotop

Data : mata air panas, data pemboran/sumur

Kesalahan : 5 hingga 10oC

Kelebihan entalpi dapat memberikan estimasi suhu

reservoir yang lebih tinggiMengkombinasi beberapa perhitungan geotermometer



Geotermometer Unsur Terlarut

Berdasarkan reaksi kesetimbangan kimia antara fluidadan mineral

Fluida panas bumi muncul ke permukaan dengan cepat(> 2 kg/sec)

Tidak ada mixing dengan fluida lain. Bila terjadi, mixingharus dapat dihitung

Tidak ada steam atau gas yang hilang

Re-ekuilibrium fluida-mineral pada kondisi dingin (dipermukaan) berlangsung lambat, sehingga dapatdiabaikan

Air Cl ber-pH netral



Geotermometer Unsur Terlarut

Geotermometer Silika (SiO2) Geotermometer Kuarsa

Geotermometer Kalsedon

Geotermometer Kristobalit

Geotermometer Opal CT Geotermometer Silika Amorf

Geotermometer K-Na

Geotermometer K-Mg

Geotermometer K-Na-Mg Geotermometer K-Na-Ca

Geotermometer Na-Li

Geotermometer Silika (SiO2) Geotermometer Kuarsa

Geotermometer K-Na

Geotermometer K-Mg

Geotermometer K-Na-Mg



Geotermometer Silika

Fournier (1981, 1985)

Reaksi dasar : SiO2 (s) + 2 H2O ↔ H2SiO4

Berdasarkan solubilitas berbagai jenis silika yangberbeda di air sebagai fungsi dari temperatur





Geotermometer Kuarsa

Treservoir = 0 –

250°C

Geotermometer kuarsa

Adiabatik (max steam loss) : baik untuk data sumur dan

mataair dengan kondisi boiling dan kecepatan aliran tinggi(> 2 kg/sec), disertai endapan sinter silika

Konduktif (no steam loss) : baik untuk data mataair dengankondisi sub-boiling



Geotermometer Kuarsa

1. Kuarsa – no steam loss

1309toC = -------------------- – 273

5.19 – log SiO2

t = 0 – 250oC

2. Kuarsa – max steam loss

1522toC = -------------------- – 273

5.75 – log SiO2

t = 0 – 250oC



Geotermometer K-Na

Fournier (1979), Giggenbach (1988)

K + + Na-feldspar ↔ K-feldspar + Na+

(albit) (adularia)

Rasio Na/K berkurang dengan meningkatnya temperaturfluida

tres > 180oC hingga 350oC

tres < 100oC, rasio Na/K tidak lagi mengontrol

kesetimbangan feldspar Tidak dipengaruhi oleh pelarutan (dilution) dan

hilangnya uap air



Geotermometer K-Mg

Giggenbach (1988)

0.8K-mika + 0.2klorit + 0.4silika + 2K +

2.8K-feldspar + 1.6H2O + Mg2+

Dapat digunakan bila Na dan Ca terlarut dalam fluidadan dalam batuan tidak setimbang

tres = 50 - 300oC




Giggenbach (1988)

K-Mg lebih cepat bereaksi, sehingga dapat digunakanuntuk menafsirkan suhu reservoar yang lebih rendah

K-Mg lebih sensitif terhadap mixing air asam

Baik digunakan untuk sampel yang tidak baik



Geotermometer K-Na, K-Mg, K-Na-Mg

1. Na-K (Fournier) 1271

toC = ------------------------- – 273log (Na/K) + 1.483

t > 150oC

2. Na-K (Giggenbach) 1390

toC = ------------------------- – 273log (Na/K) + 1.75

t > 150oC

3. K-Mg4410

toC = ------------------------- – 27314.0 – log (K2/Mg)

t > 150oC




i



Geotermometer lain

Geotermometer Gas

Geotermometer Isotop



“The choice and interpretation of geothermometer data are the art of the geochemist.”

L tih 1



Latihan 1

Tabel di bawah menunjukkan hasil analisa kimia air panas mata air panas A pada tahun 1964 dan 1978. Kajilah, adakah perubahan yang ditunjukkan mataair panas ini (tipe air, temperatur, dsb) yang dapat mengindikasikan perubahanyang terjadi di bawah permukaan?

Lokasi toC pH Na K Ca Mg Cl SO4 HCO3 SiO2

mg/kg

Mataair A (1964) 95 8,0 820 59 23,7 0,32 1342 62 18 200

Mataair A (1978) 97 2,5 30 2 15,7 3,59 < 7 865 - 350





GEOKIMIA PANAS BUMI

Documents