Bab 5 Radioaktivitas 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
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN BEKU
Nilai rata-rata kandungan U, Th, dan K dalam batuan beku
RADIOAKTIF ALAMI 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
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN BEKU
Batuan Vulkanik
Perbandingan elemen radioaktif dalam batuan vulkanik
pada beberapa daerah tektonik yang berbeda
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN BEKU
☻
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.
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
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).
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
1.
Korelasi berdasarkan intensitas radiasi sinar
gamma.
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
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)
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
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
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
Perbandingan dari Vsh vs ∆Iγ secara empiris
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
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
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
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
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
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
RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN
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
RADIOACTIVE HEAT GENERATION
Konsentrasi Radioaktif dan Panas yang Dihasilkan
oleh Beberapa Tipe Batuan
RADIOACTIVE HEAT GENERATION
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 (%)
RADIOACTIVE HEAT GENERATION
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.