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 inidikelilingi 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.

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 listrikSinar 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 kecilSinar 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

Sifat-sifat sinar αααα ,sinar ββββ dan sinar γγγγ

� Sinar radioaktif pada suatu medan listrik

Peluruhan

� Adalah proses transformasi dari keadaan inti tidak stabil k e kondisi stabilX (radioaktif) Y (stabil)X disebut induk dan Y disebut anak luruh

Proses peluruhan :

N(t) = banyaknya atom yang tersisa pada saat waktu tN0 = banyaknya atom mula-mula

λ = tetapan peluruhan ( satuan SI )

).exp()( 0 tNtN λ−=

. Adalah lama waktu yang diperlukan oleh suatu bahan radioak tifuntuk meluruh sampai tinggal dari semula.

substitusi N(t) =

maka didapat :

grafik

λλ693,02ln

21 ≈=T

Waktu Paruh :

20N

Aktivitas bahan radioaktif didefinisikan sebagai ba nyaknya peluruhan per satuan waktu . Aktivitas sebanding de ngan banyaknya bahan radioaktif dirumuskan dengan persamaan :

Apabila setelah peluruhan 1 inti ’induk’ radioaktif kemud ianmenghasilkan 1inti ’anak’ yang masih besifat radioaktifdan begitu seterusnya sampai ke-n anak inti yang stabil , maka kondisi kesitimbangan dari inti radioatif tersebutadalah :

λ1 . N1 = λ2 . N2 = λ3 . N3 = ........ = λn . Nn (5-5)

Ni : jumlah mula-mula inti i λi : konstanta peluruhan inti ii = 1.. n

).exp(.. 0 tNdt

dN λλ −=−

Deret radioaktivitas

206Pb205Pb208Pb89% 40Ca (β-)11% 40Ar (e-capture)

4.5 x 109

7.1 x 109

1.4 x 109

1.3 x 109

238U235U232Th40K

Uranium series

Thorium SeriesPotassium isotope

End of seriesT1/2 in yearsParent

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 didalambatuan biasanya dituliskan kedalam bentuk ppm untukUranium 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 γγγγpengukuran sinar gamma alami yang dipancarkan formasi. Radiasi sinargamma berasal dari atom Uranium (U), thorium (TH) dan Potassium (K).karakteristik respon sinar gamma

Gpglempungan

Serpihpasiran

bentonitLempungpasiran

Dolomitbatubara

Abu vulkanik

GranitBatugamping

Salt

Batuanserpih

ArkosebatupasirAnhidrit

Radioaktiftinggi

(> 100 API)

Radioaktifsedang

(60-100 API)

Radioaktifrendah

(32,5-60 API)

Radioaktifsangatrendah

(0-32,5 API)

Interpretasi data Logging

Nilai rata-rata kandungan U, Th, dan K dalam kerakbumi. Heier and Roger, 1963 (H) dan Prutkina and Saskin, 1975 (P)

BATUAN BEKUBATUAN BEKU

Radioaktivitas pada batuan beku, meningkat daribatuan beku basa ke batuan beku asam

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN BEKURADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN BEKU

Nilai rata-rata kandungan U, Th, dan K 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


Batuan Vulkanik

Perbandingan elemen radioaktif dalam batuan vulkanikpada beberapa daerah tektonik yang berbeda


☻ Ocean floor : tholeiitic basalts, high partial melting →konsentrasi elemen radioaktifnya rendah

☻ Ocean islands : memiliki kandungan radioaktif yang tinggi

☻ Island arcs : terdapat tholeiitic dan andesitic

☻ Continental margins : terdapat andesitic, rhyolithic, dandacitic

☻ Intracontinental : kandungan SiO2 nya tinggi


BATUAN METAMORF

☻ Elemen radioaktif semakin berkurang denganpertambahan proses metamorfisme

☻ Penghabisan Uranium dan Thorium, disebabkan olehproses metamorfisme yang berlangsung secaraprogresif

☻ Uranium dan Thorium berkecenderungan mengalamimigrasi ke arah atas dalam kerak bumi→Karena adanya reaksi dehidrasi (pengeringan), atau

karena adanya peleburan batuan (melting) di dekatdasar kerak bumi (migmatites).

→Potassium tidak begitu terpengaruh oleh proses-proses tersebut

☻ Rata-rata perbandingan Thorium dengan Uranium dalambatuan metamorf menyimpang dari nilai tertentu padabeberapa batuan intrusif.

☻ Hal ini sesuai dengan jumlah radioaktif yang hilangselama proses metamorfisme, dimana pergerakanUranium sangat dominan.

☻ Penyebab mudahnya pergerakan dari U adalah bahwauranium ini ikatan ionnya yang mudah lepas, dalambatas antar butir batuan dan pada permukaan internal.

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN METAMORFRADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN METAMORF

Distribusi frekuensi normal dari hasil perhitungan Gamma-Ray padasumur bor dengan kedalaman 0 – 3900 meter (Bucker et all, 1990); n : jumlah sample, 1 : metabasites, 2 : gneisses

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN METAMORFRADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN METAMORF

Tabel nilai radioaktif dalam batuan metamorfReference : D – Dortman (1976) untuk granulite dan eclog ite; B –Bucker et al., (1990); R – Rybach and Cermak, (1982) dalam basis data beberapa penulis yang berbeda (P – Puzankov, Bobro v, and Duchkov, 1977; Rybach, 1973)

BATUAN SEDIMEN

Kecenderungan radioaktivitas alamsecara umum, dalam batuan sedimen

RADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMENRADIOAKTIF ALAMI DALAM BATUAN SEDIMEN

☻ Secara rata-rata, konsentrasi Potasium dalam batuanlebih rendah daripada Uranium dan Thorium.

☻ Karbonat memiliki kandungan radioaktif alami yang paling rendah diantara batuan sedimen lainnya.

☻ Secara umum, Shale memiliki tingkat radioaktif alamiyang paling tinggi dibandingkan dengan batuan sedimenlainnya.

☻ Untuk membedakan antara Shale dengan batuansedimen lainnya, digunakan Gamma-ray Sonde.

☻ Perbedaan antara Clay dengan lapisan-lapisan pasir(sand layers)

☻ Penentuan kandungan Clay dalam batuan sedimen☻ Pengkarakteristikkan tipe-tipe Clay

Korelasi antara kandungan clay dengan radiasi batuansedimen sangat penting dalam penentuan karakteristikreservoar, yaitu dengan memperhatikan beberapa halberikut ini :

KorelasiKorelasi iniini dapatdapat berubahberubah bilabila mineral mineral radioaktifradioaktif lainnyalainnya((contohcontoh : feldspar, mica, : feldspar, mica, glauconiteglauconite, monazite, , monazite, dandan zircon) zircon) terdapatterdapat dalamdalam batuanbatuan klastikklastik (clean (clean clasticclastic rocks). rocks).


1. Korelasi berdasarkan intensitas radiasi sinargamma.


Beberapa nilai Vsh yang dipublikasikan oleh Fertl (1983) :

(5-11)

(5-12)

(5-13)

(5-14)

)0.12(083.0 7.3 −⋅= ∆⋅ γISHV

)0.12(33.0 2 −⋅= ∆⋅ γISHV

γγ

I

IV SH ∆⋅−

∆=0.20.3

[ ] 2/12)7.0(38.37.1 +∆−−= γIVsh


2. Korelasi berdasarkan komponen spektrum (Th, K) dalam intensitas sinar gamma.


TidakTidak berlakuberlaku bilabila terdapatterdapat pengaruhpengaruh UraniumUranium

UntukUntuk tertiary tertiary clasticsclastics

For highly consolidated and For highly consolidated and mesozoicmesozoic rocksrocks

∆∆IIss = = IntensitasIntensitas atauatau konsentrasikonsentrasi ThTh / K/ K


PerbandinganPerbandingan daridari VVshsh vsvs ∆∆IIγγ secarasecara empirisempiris

Radioaktivitas pada Sandstones

☻ Feldspathic sandstones atau arcoses : Terdapatkandungan Potassium, yang tergantung dari jumlahfeldspar 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, danP yang rendah.

Perbandingan Th/K sangat tinggi


Radioaktivitas pada Karbonat Murni

☻ Kandungan Th dan K mendekati nola) Jika U bernilai 0 → oxidizing environmentb) Jika ada U → reducing environment, atau stylolithes,

atau phosphate bearing layers

☻ Terdapat Th, K, dan U → terdapat kandungan lempungpada karbonat tersebut.

☻ Terdapat Potassium, dengan atau tanpa U → carbonate of Algal Origin atau karbonat dengan Glauconite


Karakteristik LingkunganPengendapan

☻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


DalamDalam kaitankaitan dengandengan mobilitasmobilitas Uranium yang Uranium yang tinggitinggi, , dandanperilakuperilaku Thorium yang Thorium yang stabilstabil

Distribusi Th dan U dalam batuan sedimen, Dortman (1976)


(A) Sand, Clay(A) Sand, Clay(B) (B) QuartziticQuartzitic SchistsSchists(C) (C) CarbonaticCarbonatic RocksRocks(D) Dolomite(D) Dolomite(E) Evaporates(E) Evaporates(F) (F) CaustobiolithesCaustobiolithes(coals)(coals)

RADIOACTIVE HEAT GENERATION

☻ Nilai rata-rata aliran panas pada permukaan bumi~ 65 mW/m2

☻ Aliran panas dari mantle pada area continental ~ 20 mW/m2

☻ Adanya perbedaan sebesar ~ 45 mW/m2 ini berkaitandengan adanya pembangkitan panas pada radioaktif dibatuan kerak bumi.

☻ 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 GENERATIONRADIOACTIVE HEAT GENERATION

KonsentrasiKonsentrasi RadioaktifRadioaktif dandan PanasPanas yang yang DihasilkanDihasilkanoleholeh BeberapaBeberapa TipeTipe BatuanBatuan

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 (%)


Hubungan antara Heat Generation A dan Densitas d , dari Batuan :


d : densitas batuan (10 3 kg m -3)A : heat generation (µW/m -3)

☻ Nilai radioactive heat generation semakin tinggi daribasa ke asam, pada batuan beku.

☻ Nilai radioactive heat generation semakin tinggi dariclean ke shaly, pada batuan sedimen.

bab 5 radioaktivitas batuan

Documents