Aplikasi Isalop dan Radiasi. 1996

PENENTUAN SUHU RESERVOIR PANAS BUMI DENGAN METODE GEO-TERMOMETER ISOTOP

Zainal Abidin, Wandowo, Indrojono, Djiono, Alip dan Evarista

Pusat Aplikasi Isotop clan Radiasi, BAT AN

ABSTRAK

PENENTUAN SUHU RESERVOIR PANAS BUMI DENGAN METODE GEOTERMOMETER ISOTOP.

Penelitian ini dilakukan untuk menentukan suhu beberapa sumber panas bumi di Sumatera clan Sulawesi dengan metodegeotermometer isotop clan dibandingkan dengan cars geotermometer kimia. Metode geotermometer isotop dilakukan denganmengukur kandungan 180dalam air clan senyawa sulfat dalam air dari mats air panas dengan spektrometer massa, kemu-diaD suhu dihitung berdasarkan formula MIZUTANI-RAFTER. Hasil penelitian pengukuran suhu reservoir dari beberapasumber panas bumi di Sumatera clan Sulawesi Utara terhadap contoh boilinl!.sprinl!. menunjukkan nilai antara 200 hingga240°C. Hasil ini sesuai dengan pengukuran yang dilakukan dengan cara geotermometer kimia.

ABSTRACT

DETERMINATION OF GEOTHERMAL RESERVOIR TEMPERATURE USING ISOTOPE GEOTHER-

MAL METHOD. Isotope geothermometer method for reservoir temperature determination has been used parallel tochemical method to know the potential of geothermal resources. This investigation has been done in Sumatra andSulawesi Geothermal Area. The isotope geothermometer method was done by measuring 1"0 content in both water andsulfate compound of hot spring using mass spectrometer, then the temperature was determined based on the MI-ZUTANI-RAFTER formula. Investigation result of isotope geothermometer measurement to boiling spring samples fromSumatera and North Sulawesi showed that the reservoir temperature range was from 200-240°C. The result is iden-tical to the result of chemical geothermometer determination.

PENDAHULUAN

Pengembangan energi panas bumi menjadi ener-gi listrik di Indonesia kini mengalami kemajuan sangatpesat seiring dengan kebutuban tenaga listrik daD terse-dianya sumber daya. Penelitian eksplorasi untuk menge-tahui potensi sumber panas bumi merupakan tahapanyang sangat menentukan dalam rangka tindak lanjuteksploitasi, di mana penentuan subu merupakan faktorutama.

Penentuan subu reservoir daerah panas bumidalam rangka eksplorasi menggunakan geotermometerisotop di pelbagai negara seperti Amerika, ltalia, Selan-ilia Bam, dan Amerika Latin telah dilakukan dan paraleldengan cara kimia. Di Indonesia umumnya penentuansubu reservoir hanya dilakukan dengan cara kimia,sedangkan cara isotop masib belum banyak dimanfaatkan.Penentuan subu dengan cara kimia saja masih belum cu-kup untuk mendapatkan nilai subu yang komprehensif,karena cara kimia mempunyai beberapa kendala yangdisebabkan oleh pengaruh pengenceran fluida dengan airpermukaan serta kesetimbangan ulang (re-eQuilibrium)kimia pacta saat fluida naik ke permukaan. Keadaan iniakan mengurangi ketelitian basil pengukuran subu.

Makalah ini membahas basil penelitian daDmemperkenalkan aplikasi geotermometer isotop untukeksplorasi panas bumi. Dalam penelitian ini diambil be-

berapa confab daerah panas bumi di Sumatera dan Su-lawesi Utara. Geotermometer isotop yang digunakanadalah isotop 180yang terdistribusi (fraksinasi) di antarasenyawa H2OdaDS04 yang berada dalam kesetimbangankimia.

Berdasarkan eksperimen yang dikembangkan olehMIZUTANI daDRAFTER (I) faktor fraksinasi (a) isotop180 senyawa H2O daD ion S02-4berhubungan langsungdengan suhu melalui persamaan matematik sebagaiberikut:

2,88 X 1061000 In a = - 4,1

T2di mana:

a = faktor fraksinasiT = suhu dalam derajat Kelvin

Pacta tahap awal eksplorasi di mana sebelum actalubang bar, prediksi suhu reservoir untuk mengetahuipotensi daerah panas bumi dilakukan dengan analisis iso-top ISOdalam senyawa air daD SulCalmenggunakan alaIspektrometer massa. Perlakuan pendahuluan dilakukandengan carn mengendapkan ion sulfat yang terlamt dalamfluida panas bumi menjadi endapan barium sulfat. Kemu-diaD endapan tersebut direaksikan dengan grafit menjadigas CO2,daDdengan Cup menjadi gas 8°2 menggunakanalaI Sulphate and Sulphure Line.

111'7

Aplikasi Isotop dan Radiosi, 1996

BAHAN DAN METODE

Bahan, Mata air panas dengan suhu permu-kaan antara 60 hingga 90°C, Cu2O, grafit, N2cair, daDCO2padat.

Alat. Spektrometer massa, Preparasi sulfat daDsulfur serta alat isoprep-18 untuk analisis 18(),

Metode, Pengambilan sampel air panas untukanalisis isotop 18()dalam senyawa ~O dilakukan dengancara memasukkan air tersebut kedalam vial 20 mI dan di-usahakan jangan sarnpai ada gelembung udara, kemudianvial ditutup hingga kedap. Sedangkan untuk analisis iso-top 18()dalam senyawa S04 dilakukan dengan cara mema-sukkan 1 liter air ke dalam jerigen plastik hingga penuh,kemudian ditambahkan 0,5 gram serbuk HgCI untukmencegah reduksi bakteri (3),

Analisis isotop 18()dalam senyawa ~O dilakukanpada alat isoprep-18 dengan cara mengocok 2 ml confabair dengan gas CO2 yang OOrasaldari tangki gas yangOOrfungsisebagai pereaksi selania ~ jam hingga terca-pai sistem kesetimbangan antara ~O dan CO2,Pada kon-disi kesetimbangan. diperkirakan isotop 18()dalam ~OOOrpindahke dalam senyawa CO2, Setelah kesetimbangantercapai, gas CO2dialirkan ke dalam Spektrometer Massauntuk menentukan rasio 18()/16(),

Untuk analisis isotop 18()dan 34Sdalam senyawaS04' pertama dilakukan pengendapan ion sulfat yang ter-lamt dalam contoh menjadi endapan BaS04 dengan earnmenambahkan 10 mllamtan BaCI2 1 N ke dalam 500 mIcontoh yang dididihkan pada kondisi pH 3-4, EndapanBaS°4 akan terbentuk perlahan-Iahan kemudian didiamkanselama satu hari lalu disaring. Kemudian 20 mg endapanbarium sulfat tersebut direaksikan dengan 35 mg serbukgrafit dalam Boat Platinum pada suhu 1100°Cdalam kon-disi vakum pada alat Sulphate Line seperti reaksi di bawahini.

S02- + C >S + CO24

Gas CO2yang dihasilkan kemudian dialirkan ke-dalam alat spektrometer massa untuk ditentukan rasio 180116O,Sisa daTi reaksi di atas, selanjutnya direaksikandengan larutan peTak nitrat hingga terbentuk endapanperak sulfida seperti reaksi di bawah ini.

S2 + Ag+ > A~S

Sebanyak 15 mg endapan perak sulfidayang terbentuk darireaksi di atas, kemudian direaksikan dengan 35 mg ser-buk C~O pada suhu 11O0°Cdengan kondisi vakum didalam boat olatinum pada alat Sulphure Line sepertireaksi di bawah ini.

S2- + Cup > S02 + Cu

Gas S02 yang dibasilkan kemudian dialirkan ke dalamSpektrometer Massa untuk mengukur rasio 34Sp2S.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Data fisik basil pengukuran lapangan dan anali-sis isotop di laboratorium dari berbagai mata air panas

di Sumatera dan Sulawesi Utara tertera pada Tabel 1.Data suhu mata air panas di permukaan (Tp)

dalam taOOIdi atas mempunyai nilai antara 65 hingga96°C. Confab mata air panas yang mempunyai suhu 93-96°C merupakan mata air panas didih atmosfer atau dike-nal dengan nama boiling mring. Mata air panas tersebutdiperkirakan OOrasaldari fluida reservoir yang naik kepermukaan tanpa mengalami proses percampuran denganair metoorik, Penurunan suhu fluida berlangsung secaraperlahan-Iahan OOrdasarkanproses penguapan atau conduc-tive coolin2, Mata air yang mempunyai suhu < 90°Cmencerminkan adanya proses percampuran yang teljadidengan air metoorik ketika fluida naik ke permukaan.

Data isotop 180dalam senyawa sulfat menun-jukkan variasi mulai 1,4-16,7 °/00. Fumarole Km danmata air panas SL W -70 mempunyai konsentrasi 18() dalam

senyawa sulfat sangat tinggi. Keadaan ini mencerminkanbahwa atom oksigen dalam senyawa tersebut OOrasaldaripermukaan yang mengoksidasi gas H2Syang terlamt men-jadi senyawa sulfat. Sedangkan mata air yang mempunyaikandungan 18()dalam senyawa sulfat > 5°/00 menunjuk-tan OOrasaldari reservoir yang dalam.

Berdasarkan data analisis kandungan 18()dalam~O dan ion S04 seperti tertera pada TaOOI1, kemudiandihitung suhu reservoir dengan menggunakan persamaanMIZUTANI-RAFTER. Sebelum menghitung suhu, ter-IOOihdahulu dihitung faktor fraksinasi isotop 18()(a.) dalamsenyawa "2° dan SO4menggunakan persamaan seperti dibawah ini.

1000 + 0180(S04)a.=

1000 + 018()~0)

Kemudian nilai faktor fraksinasi (a.) dari perhitungan diatas, digunakan untuk menghitung suhu reservoir meng-gunakan persamaan MIZUTANI-RAFTER.

Geotermometer Isotop. Hasil perhitungan goo-termometer isotop suhu reservoir menggunakan formulaMIZUTANI dan RAFTER disajikan pada Tabel 2. Hasilter- schut dibandingkan dengan basil perhitungan secarageotermometer kimia. Perhitungan geotermometer kimiadilakukan dengan cara memasukkan nilai ppm kandungankation (Na, K, Mg, Ca, dan Li) dari basil analisis kimiaseperti tertera pada TaOOI3 ke dalam persamaan gooter-mometer TNa - Fournier, TNa-K-Ca - Fournier-Truesdell,TNaLi - Fouillac-Michard dan TK-Mg - Giggenbach se-peTti tertera pada Tabel 4 (2). Hasil perhitungan suhureservoir dengan tara geotermometer isotop daD kimiatertera pada Tabel 2.

Dan data di atas, terlihat bahwa tiga mata airpanas yang OOrsifatboilin2 mring, yaitu masing-masingTambang Sawah ([SA)- Bengkulu, Waipas (WP)-Lampungdan Kepondakan (KM-3). Kotamobagu mempunyai suhuyang relatif hampir sarna.,bait dihitung secara gootermo-meter isotop maupun kimia. Keadaan ini menunjukkanbahwa ketiga mata air panas tersebut OOrasaldari reser-voir di mana mineral dan isotop OOradadalam keadaankesetimbangan dengan spesiesnya masing-masing padasuhu tersebut. Berdasarkan perhitungan geotermometer di

148

ApI/kosi Isotop don Radios/, 1996

atas, diperkirakan reservoir panas bumi Tambang SawahdaDWaipanas mempunyai suhu reservoir antara 210 bing-ga 240°C, mempunyai kandungan entalpi tinggi dan layakuntuk dieksplorasi lebih lanjut. Sedangkan daerah panasbumi Kepondakan mempunyai subu reservoir antara 125hingga 145°C dan bersifat entalpi rendah. Sumber panasbumi ini diperkirakan berasal dari reservoir dangkal(sekunder).

Hasil perhitungan subu pada berbagai mata airpanas yang bersifat mixing seperti Seulawah (SLW)-Aceh, Lobong (LB)-Kotamobagu daD Bakan (BK-I)-Ko-tamobagu dengan menggunakan geotermometer kimiamempunyai nilai yang sangat berbeda jauh antara satumetode dengan metode kimia yang lainnya. Keadaan inimemberi indikasi bahwa mineral kimia pada mata air panastersebut sudah mengalami perubahan kesetimbangan ki-mia. Nampaknya, geotermometer isotop memberikan nilaisubu yang relatif hampir sarna dengan geotermometerkimia TNa-K-Ca, kecuali pada mata air panas Seulawah,geotermometer isotop menunjukkan nilai suhu palingrendah. Seperti dijelaskan sebelumnya, keadaan ini ke-mungkinan besar disebabkan oleh adanya campuran sul-fat yang berasal dari basil oksidasi asam sulfida yang larotdi dalam air panas dekat permukaan. Peristiwa ini dapatdilihat pada Gambar 2 mengenai proses percampurandalarn hubungan antara konsentrasi 34Sterhadap 18()(1).

Geotermometer TNa-K dan TNa-Li lebih menoo-jukkan subu reservoir yang sangat dalam, hat ini dapatdiperlihatkan dari perhitungan suhu yang amat tinggi, se-dangkan TK-Mg menunjukkan suhu dekat permukaan.

Kesetimbangan Kimia daD Proses Mixin2.Kesetimbangan isotop dan kimia dari fluida yang naik kepermukaan dapat dilihat melalui grafik hubungan antara34SVs 180 (Gambar I) dan trilinier Na-K-Mg (Gambar2). Pada Gambar I tampak bahwa fumarole KTB (No.13) terletak pada sisi kiri dengan nilai 180 kaya dan 34Smiskin. Posisi ini jelas menunjukkan pembentukan sulfatpada oksidasi gas ~S di permukaan. Posisi mata air panasSLW (No.1) menunjukkan keadaan kesetimbangan isotoppada subu rendah. Hal ini memberi informasi, kemungki-Danikut bercampurnya sulfat yang berasal dari oksidasi dipermukaan dan peristiwa kesetimbangan ulang dari isotopantara senyawa air dan sulfat karena menempuh perjalan-an jauh dari asal fluidanya. Seperti diketahui, mata airpanas SLW terletak kurang lebih 20 km dari sumber panasbumi Gunung Seulawah Agam. Mata air panas KM-3(No.12) dan BK-I (No.I4) pada Gambar 1 terletak di-antara mata air panas deep equilibrated dan low I eauil-ibration, demikian pula pada Gambar 2, keduanya ter-letak pada daerah partial eQuilibrium. Mineral daDisotopdari mata air panas ini mengalami sebagian kesetimba-ngan daD mempunyai suhu antara 140 hingga 170°C.Diperkirakan mata air panas tersebut berasal dari reser-voir dalam yang naik ke permukaan daD menempati res-ervoir sekunder pada kedalaman yang dangkal.

Mata air panas Lobong (No.8 daD 11) padaGambar I terletak dekat daerah fumarole, sedang padaGambar 2 terletak di luar daerah kesetimbangan. MineraldaD isotop mata air ini tidak mengalami kesetimbangan,karena ada pengaroh pengenceran yang intensif oleh airmeteorik maupun sulfat yang terbentuk dari oksidasipermukaan (5).

Mata air panas Waipanas dan Tambang Sawah(No.2 dan 5) merupakan mata air panas yang ideal ber-sifat boiling mrffig. Mineral dan isotop mengalami kesetim-bangan pada suhu reservoir ~ fluid). Pada Gambar 1,mata air panas ini terletak pada daerah ~ equilibrium,sedangkan pada Gambar 2 terletak pada daerah kesetim-bangan penub.

KESIMPULAN

Aplikasi geotermometer isotop dalam penelitianeksplorasi menunjukkan basil yang baik di samping dapatmenen~n tingginya suhu reservoir, juga dapat memberi-kan informasi tentang proses yang dialami fluida panasbumi pada saat naik ke permukaan. Aplikasi yang dilaku-kan paralel dengan cara kimia akan saling memberikandukungan dalam rangka memanfaatkan interpretasi.

DAFTAR PUSTAKA

1. MIZUTANI, Y., and RAFfER, T.A., Oxygen isotopiccomposition of sulfates, Part 3, Oxygen isotopicfrac-tionation in bisulpahte ion-water system, N.Z.J., Sci.12 (1969) 54.

2. AMORE, F.D., GlOVAN!, G., and CORAZZA, E., Thegeothermal area of Pilar Casandy state of Sucre,Venezuela, Geochemical, and model, Geothermics29 3 (1994) 289.

3. GlGGENBACH, W.F., Simple method for the collec-tion and analysis of volcanic gas sample, Bull.Volcanol. 39 (1975) 132.

4. MARINER, RH., PRESSER, T.S, and EVANS, W.C.,Geothermometry and water-rock interaction in se-lected thermal system in the cascade range andMocdoc Plateu, Western United Stated, Geotherm-ics 22 I (1993) 1.

5. ROBINSON, B.W., VILLASENOR, L.B., and CLEM-ENTE, V.C., "Preliminary stable isotope investiga-tion of acid fluids in geothermal system of Phili-phines", 9th NZ Geothermal Workshop, Philiphines(1987).

IAO

Aplikolt [,otop don Radiali. 1996

150

Tabe 1. Data fisik dan isotop mata air panas daerah panas bumi Bengkulu daDSulawesi Utara

Sampel Lokasi SOOu pH Rasio Isotop("C) 8180HP 818QS04 834SS04

.......... °/00 ............SLW (1) Aceh 84 7 -6,2 +16,7 +14,0TSA (2) Bengkulu 96 7 -72 +1,42 +14,2WP (5) Lampung 93 7 -6,5 +2,13 +13,9LB2 (8) Kotamobagu 65 6,5 -3,9 +5,49 +4,5LB6 (11) Kotamobagu 78 7 -4,4 +3,29 +7,4KM3 (12) Kepondakan 93 6 -6,1 +8,23 +16,3KTB (13) Kotamobagu 93 I -2,9 +9,92 -0,85BK3 (14) Bakan 88 6,7 -6,7 +5,77 +14,5

Tabe 2. SOOureservoir daerah panas bumi Sumatera dan Sulawesi Utara berdasar-lean geotermometer isotop dan kimia

Sampel TNo-K T No-K-Co TNo-w T T H2Q.S04K-MI

SLW-70 203 189 221 139 54TSA 240 216 224 212 208WP 218 200 - 210 202LB-2 273 220 167 136 185LB-6 321 257 343 126 123KM-3 145 132 143 126 123BK-I 222 172 323 104 143

Tabel 3. Data kimia mata air panas Sumatera daD Sulawesi Utara

Kandungan kation (ppm)Sampel

Na+ K+ Mg+ Ca+ Li+

SLW (I) 1559 132 8,9 275 4,4TSA (2) 1874 242 0,1 97 5,4WP (5) 467 47 0,0 23 -LB 2 (8) 631 114 7,7 196 0,9LB 6 (11) 417 114 5,0 38 3,5KM 3 (12) 306 II 0,1 8Q 0,3KTB (13) 81 3 49,6 6 0,06BK (14) 200 21 2,1 107 1,44

Tabel 4. Formula matematik geotermometer kimia

Aplikasi /sotop don Radiasi. /996

Geotermometer Formula matematika Somber

TNa-K1217

We) = - 2731483 + Log (Na/K)

Fournier

TNa-K-CaFounier andTruesdell

1647We) = -273

Log(Na/K) + B{Log(VCa/Na)+ 2,06} + 2,47dimana ~ = 1/3

44101J<.-Mg We) = -273

13,95+ Log (K2/Mg)

1000TNa-Li We) = 273

0,389 + Log (NalLi)

Giggenbachp

Fouillacand Michard

-------

15

10

Kesetimbangan ~suhu r-endah II

IIIIIIIIII 8

86--'-"

130

00-is00

~0 5

80

140

g 5

qj==========:;>Kesetimbangan

dalam

-5 II I I I I I I I I I I 1" i5 15

Sulfur-34 ("/00)

-5

--------

Gambar 1. Grafik hubungan isotop 34Svs 18()mala air panas di Sumatera dan Sulawesi Utara

."'.

Aplika.~i 1sotop don Radiasi, 1996

N,l /1000

"'1, - Na"

K/l00 10 20 30 ~O 50

" 'I. - Mg..60 70 60 90 VMg

Gambar2. DiagramtrilinierNa-K-Mg mala air panas di Sumateradan SulawesiUtara

152

Aplikasi Isotop dan Radiasi. 1996

WAffi,AN

1. Cara pengukuran temperatur dengan isotop daD kirniadipergunakan secara paralel, apakah pengukuran dilapangan selalu dilakukan berbarengan?

2. Apa keunggulan daDkelemahan cara pengukuran den-gaD isotop?

ZAINAL ABIDIN

1. Pengukuran temperatur isotop dan kimia tidak diukursecara langsung di lapangan, tetapi sampel air dibawa .kelaboratorium untnk dianalisis isotop 018 daD kationterlarut kemudian dengan formUla matematik diinter-prestasikan kelayakan daTimetode itu. Metodekimia danisotop saling mendukung.

2. Metode isotop, waktu kesetimbangannya cukup lama,sehingga menampilkan subu yang lebih dalam. Kele-mahannya, treatment sampel mmit daD mudah tercam-pur dengan sulfat daTi shallow reservoir.

AMlR FAUZI

1. Harap penjelasan tentang basil perhitungan daTicontohSLWI yang tidak sinkron alias terlalu jauh menyimpangdari basil perhitungan dengan metode-metode lain?

2. Saran, agar dibuat persyaratan-persyaratan fisika dankirnia untuk aplikasi geotermometer H2SO4?

ZAINAL ABIDIN

1. Pada SLWI jelas bahwa mala air panas tersebut mem-pakan sifat out flow sulfat yang ada terbentuk daTioksidasi dekat permukaan, sehingga dalam hal inimetode isotop kurang relailable, tetapi dapat menceri-takan tentang shallow eQuilibrium.

2. Dalam menentuan geotermometer memang diperlukankorelasi dari kondisi mala air panas, rnisalnya: korelasievaporasi daDkorelasi mixin~.

NAZLY HILMY

1. Dalam penelitian ini apakah Anda menggunakan suatumodel? Parameter apa saja yang mempengaruhi modeltersebut?

DISKUSI

2. Apakah tara ini sudah dilakukan di negara lain/pene-liti lain? Metode pembanding buku-buku?

3. Apakah ada pengaruh pengukuran terhadap komposisigas (kadar air dalam gas atau gas murni)?

ZAINAL ABIDIN

1. Penelitian ini belum dalam bentuk suatu model, kamihanya memperkenalkan suatu metode geotermometer.

2. Cara ini sudah umum dilakukan di berbagai negara yangmempunyai sumber panas burni. Cara isotop dilakukanparalel dengan cara kirnia.

SRIW AHYUNI

Dari data yang Anda tampilkan menunjukan ba-hwa pH mala air yang dipantau rata-rata 6,5-7,tetapipada sampel KM 13 (Kota Mobagu) pH-nya= 7. lni me-nyatakan air tersebut bersifat asam.1. Apakah pH ini tidak berpengaruh pada perhitungan

yang Anda lakukan?2. Apakah berbahaya air yang mempunyai pH = 1 daD

bagaimana pengaruhnya pada lingkungan?

ZAINAL ABIDIN

1. pH mala air yang berasal dari unsur air umumnya ber-sifat netral.

2. KM 13 bukan mala air, tetapi fumarol. Sifat fumaroladalah asam, di mana sifat asam berasal dari asam sul-fat daD ~S.

MOCH. RUSLAN

Anda menjelaskan persenyawaan kirnia antara airdan asam sulfat terjadi perpindahan isotop oksigen sebagaiakibat terjadinya oksidasi. Apa yang terbentuk sebagaioksidator pada reaksi ini?

ZAINAL ABIDIN

Perpinti.ahan isotop antara 180 H202dengan 160ion sulfat bukan asam sulfat. Oksidasi suUida menjadi ionsulfat dapat dilakukan oleh mineral di reservoir atau O2yang terlamt dalam air permukaan.

153