karangsambung1

Karangsambung Laboratorium Alam Geologi

sangperintis1

Sang Perintis : Arie Frederick Lasut & Soenoe Soemosoesastro

23/06/2011 Comments (0) Artikel Geologi Populer

Menginterogasi Batuan dengan Metode 40Ar-39Ar

menginterogasi

menginterogasiUmur geologi, selain ditentukan secara relatif melalui fosil, juga dapat ditentukan secara mutlak melalui radiometrik, atau terkadang disebut juga sebagai umur isotop. Terobosan itu dimulai dengan ditemukannya keradioaktifan di awal abad ke-19. Ilmuwan menemukan bahwa batuan dapat menjadi penunjuk waktu, melalui unsur-unsur kimia yang berada dalam bentuk yang berbeda-beda yang disebut isotop. Isotop-isotop tertentu bersifat tidak stabil dan terus meluruh menjadi isotop tertentu. Waktu yang diperlukan untuk meluruh hingga tinggal setengahnya disebut masa paruh. Sebagai contoh, sekitar 1,5% dari sejumlah 238Uranium akan meluruh menjadi timbal (Pb) setiap 100 juta tahun. Dengan mengukur rasio timbal terhadap uranium dalam batuan, maka umurnya dapat ditentukan. Teknik ini disebut penarikhan radiometrik.

Metode radiometrik mengukur panjang waktu yang berlalu sejak jam radiometrik disetel. Banyak metode yang dipakai untuk penarikhan umur isotop ini. Penarikhan radiokarbon 14C misalnya. Metode ini hanya melibatkan material organik yang berasal dari makhluk hidup yang telah mati. Metode ini akan mengukur waktu yang telah dilalui sejak kematian mahluk hidup, tetapi dibatasi tidak lebih dari 50.000 tahun yang lalu, batas yang dapat diukur dengan
metode ini.

Metode lainnya seperti U-Pb, K-Ar, atau 40Ar- 39Ar, dapat digunakan untuk mengukur waktu yang lebih tua, dan tidak terbatas hanya untuk material yang berasal dari benda hidup saja. Metode-metode ini misalnya mengukur waktu sejak lelehan magma mendingin dan menjadi padat. Tetapi penerapannya tidak terbatas untuk batuan beku saja. Di Indonesia, contoh metode lain yang sering dipakai untuk menarikh sampel material geologi adalah jejak belah Oleh: Imtihanah (fission track-238U), radiokarbon (radiocarbon-14C), dan K-Ar (40K→40Ar*), karena instrumen untuk ketiga
metode tersebut terdapat di Pusat Survei Geologi, Badan Geologi, Bandung.

Metode 40Ar-39Ar relatif lebih baru. Teknik ini dikembangkan dari metode K-Ar dan tentu saja mempunyai beberapa kelebihan dibanding dengan
metode pendahulunya. Kelebihan itu antara lain adalah dapat membedakan antara sampel yang telah kehilangan argon radiogenik, yaitu argon yang dihasilkan dari peluruhan unsur radioaktif 40K yang terakumulasi dalam batuan sejak kristalisasi awal. Juga dapat membedakan sampel yang tetap bertahan sebagai sistem tertutup terhadap K dan Ar, dengan menjaga tidak ada Ar yang keluar dari sampel atau masuk ke dalam sampel sejak kristalisasi awal, dan dapat membedakan sampel yang mengandung argon berlebih.

Seperti halnya dengan metode penarikhan K-Ar, material geologi yang dapat ditentukan umurnya dengan metode 40Ar-39Ar adalah semua batuan dengan mineral yang mengandung unsur K. Pendek kata mineral-mineral seperti biotit, horblenda, muskovit, K-feldspar, dan plagioklas, yang biasa terdapat pada batuan vulkanik, plutonik, sedimen dan malihan, dapat ditarikh umurnya.

BAGAIMANA CARANYA?
Langkah pertama adalah menggerus batuan. Untuk sampel batuan ruah (whole-rock) diambil sejumlah tertentu sampel. Untuk sampel pisahan mineral (misalnya amfibol, biotit, muskovit, felspar) dilakukan pemisahan sejumlah mineral tertentu yang diinginkan dengan menggunakan tangan di bawah mikroskop. Sebenarnya dapat juga dengan menggunakan mesin pemisah mineral, tetapi biasanya kemurnian yang dihasilkan justru akan lebih rendah dibandingkan dengan pemisahan secara manual. Sampel yang hendak ditentukan umurnya kemudian diirradiasi agar 39K dalam sampel
menghasilkan 39Ar dengan menggunakan netron cepat dalam reaktor nuklir selama beberapa hari. Penarikhan akan bergantung pada terubahnya 39K menjadi 39Ar dan pengukuran teliti atas perubahan ini. Sampel kemudian dipanaskan secara bertahap pada suhu yang berbeda-beda dan semakin menaik (step-heating) yang akan membebaskan argon dari tempat-tempat dimana ia tersimpan di dalam butiran sampel mineral batuan. Setiap tahapan suhu akan menghasilkan argon dengan rasio 40Ar*/39Ar tertentu. Umur butiran mineral dapat diketahui hanya jika 80% atau lebih dari tahapan-tahapan suhu ini berada dalam batas kesalahan yang dapat diterima. Penarikhan 40Ar- 39Ar pada umumnya mempunyai keakuratan dalam batas kesalahan 1-2% jika sampel yang diambil dari lapangan, dipersiapkan dan diiradiasi secara baik. Umur batuan dapat diketahui dari persamaan berikut ini: t = 1/λ ln (J x R +1) dengan λ adalah konstanta peluruhan radioaktif 40K, J adalah parameter yang berhubungan dengan proses irradiasi, dan R adalah rasio 40Ar*/39Ar (dengan 40Ar* adalah 40Ar radiogenik, yaitu 40Ar yang dihasilkan dari peluruhan 40K radioaktif). Agar umur dapat dihitung maka parameter J harus ditentukan melalui irradiasi sampel ‘tak diketahui’ (unknown) bersama dengan sampel standar yang telah diketahui umurnya yang disebut monitor. Karena standar primer ini tidak dapat ditentukan umurnya melalui teknik 40Ar-39Ar, umurnya harus ditentukan terlebih dahulu menggunakan metode penarikhan isotop lainnya, misalnya yang sering dipakai yaitu metode K-Ar.

SPEKTRUM UMUR
Spektrum umur 40Ar-39Ar dapat diketahui melalui apa yang disebut umur plateau. Menurut Snee drr. (1988) dan Lee drr.(1991), umur plateau dibentuk sedikitnya oleh tiga tahapan temperatur yang berdampingan. Masing-masing tahapan tumpangsuh dalam batas kesalahan eksperimen (pada 95% tingkat konfidensi) dan 39ArK kumulatifnya lebih besar dari 50% total 39ArK yang dibebaskan oleh sampel. Menurut Dalrymple & Lanphere (1974), biasanya tahapan yang mengandung kurang dari 3% dari 39Ar total tidak disertakan dalam menentukan plateau karena kemungkinan terjadinya fraksionasi yang disebabkan oleh eksperimen

Dari spektrum umur Ar-Ar yang dihasilkan oleh tiap sampel akan ditunjukkan apa yang terjadi dengan argon yang terperangkap dalam sampel sejak kristalisasi awal batuan. Apakah masih tetap berada dalam batuan? Apakah sebagian sudah keluar karena peristiwa geologi yang dialami batuan? Ataukah justru ada argon yang menyusup ke dalam batuan? Dari karakteristik spektrum umur dapat dievaluasi bagaimana nasib K dan Ar di dalam sampel batuan atau mineral. Hal ini akan memberikan pengertian yang lebih baik tentang arti geologi dari umur yang dihasilkan.

Berikut ini akan ditunjukkan contoh-contoh spektrum umur beberapa sampel batuan atau mineral beserta penafsirannya.

menginterogasi1Pada Gambar 2 diperlihatkan suatu spektrum umur yang dihasilkan oleh hornblenda memberikan plateau yang cukup baik meskipun bagian awal spektrum menunjukkan kemungkinan adanya Ar yang hilang. Karena batuan relatif tidak mengalami deformasi, kemungkinan telah terjadi kehilangan Ar
dari batuan yang disebabkan oleh deformasi pascapendinginan sangat kecil. Kemungkinan lain yang menyebabkan hilangnya Ar dari batuan adalah adanya kloritisasi hornblenda. Umur plateau dapat ditafsirkan sebagai umur terobosan, penempatan, atau pendinginan.

menginterogasi2Gambar 3 berikut ini menunjukkan spektrum yang dihasilkan oleh K-felspar dari batuan yang hanya mengalami sedikit sekali deformasi. Spektrum
menunjukkan karakteristik umum batuan beku yang mengandung Ar berlebih. Hal ini terlihat pula pada spektrum sampel JB261 yang berbentuk pelana kuda (Gambar 6). Meskipun demikian karena Ar berlebih hanya bersifat minor, kontribusinya sangat kecil, sehingga spektrum masih memberikan umur
plateau yang dapat diinterpretasikan sebagai umur pendinginan (cooling age).

 menginterogasi3Pada Gambar 4, dari studi petrografi diketahui bahwa batuan granodiorit pada sampel 98-4 telah mengalami deformasi. Hal ini tercermin pada spektrum batuan yang sangat terganggu (disturb spectrum), tidak menghasilkan plateau, dan dengan jelas menunjukkan efek hilangnya argon pasca pendinginan batuan. Spektrum yang terganggu ini kemungkinan dihasilkan oleh kloritisasi biotit. Umur total gas yang didapat disini setara dengan umur batuan yang dihasilkan dari penarikhan dengan metode K-Ar.

menginterogasi4Gambar 5 dan 6 memperlihatkan contoh-contoh spektrum untuk pisahan mineral. Gambar-gambar tersebut menunjukkan dengan jelas bagaimana contoh spektrum batuan ruah (whole rock) dari batuan andesit kaldera Chegem menghasilkan plateau, serta bagaimana spektrum batuan ruah (whole rock) JB261 yang terganggu sistemnya.

PENERAPAN
Seperti telah dijelaskan di depan, metode penarikhan 40Ar-39Ar umumnya diterapkan pada batuan beku. Namun, bukan berarti batuan sedimen dan malihan tidak dapat ditarikh dengan metode ini. Selama di dalam batuan terdapat mineral-mineral yang mengandung unsur K dalam jumlah yang cukup untuk dianalisis, batuan dapat ditarikh. Jika metode ini dipakai untuk menganalisis batuan utuh (whole rock) maka akan diperoleh umur batuan. Tetapi jika diterapkan pada pisahan mineral dalam batuan (misalnya biotit, plagioklas, atau hornblenda), maka akan diperoleh umur mineral-mineral tersebut saja. Umur-umur yang diperoleh dari analisis mineral ini lebih mencerminkan waktu ketika mineral mendingin melalui suhu penutup (closure temperature), yaitu suhu ketika mineral mulai mendingin dan membentuk padatan.

 Mineral yang berbeda akan mempunyai suhu penutup yang berbeda pula. Misalnya suhu penutup biotit adalah ~300°C, muskovit menginterogasi5~400°C, dan hornblenda ~550°C. Sebagai contoh, granit yang mengandung ketiga mineral ini akan menghasilkan tiga angka umur alih tempat (emplacement) yang ’berlainan’ ketika batuan tersebut mendingin melalui ketiga suhu penutup di atas. Namun demikian, informasi umur yang diperoleh justru berguna dalam membangun sejarah termal granit tersebut.

Sekalipun penarikhan mineral dapat memberi informasi mengenai umur batuan, asumsi harus tetap disertakan. Mineral biasanya hanya mencatat saat terakhir ketika ia mulai mendingin di bawah suhu penutupnya. Hal ini tidak mewakili peristiwa apa pun yang telah dialami oleh batuan, tetapi sepenuhnya tepat jika dikatakan sebagai umur terobosan. Maka, keleluasaan dalam penafsiran umur menjadi sesuatu yang penting. Penarikhan 40Ar-39Ar mengasumsikan bahwa setelah pendinginan di bawah suhu penutup, batuan akan tetap menyimpan semua 40Ar yang ada padanya dan inilah yang diambil sampelnya untuk dianalisis.

Metode penarikhan 40Ar-39Ar memungkinkan pengecekan kesalahan yang terjadi dalam metode K-Ar. Kelebihan lain metode ini adalah tidak memerlukan penentuan K sampel secara terpisah. Metode 40Ar-39Ar yang lebih modern juga memungkinkan daerah tertentu saja dari butiran mineral (misalnya bagian tengah atau tepi) untuk dianalisis. Metode ini penting karena memungkinkan pembentukan dan pendinginan butiran mineral pada peristiwa yang berbeda dapat diketahui.

Penerapan lain metode penarikhan 40Ar-39Ar di antaranya untuk penentuan umur mineralisasi Zn-Pb- Ag (Werdon drr., 2004), Cu (Mote drr., 2001), dan
Cu-Mo-(Au) (Sotnikov drr., 2007), serta umur alterasi serisit (Neubauer drr., 2009), dan umur pelapukan (Wartho, 2003). Penentuan umur pergerakan sistem sesar juga dapat dilakukan dengan metode ini (Imtihanah, 2004; Jordan & Burgess, 2007).

Penulis adalah pejabat fungsional Penyelidik Bumi Pusat Survei Geologi, Badan Geologi.

PUSTAKA
Baker, J., Snee, L. & Menzies, M., 1996. A brief Oligocene period of flood volcanism in Yemen, implications for the duration and rate of continental
flood volcanism at the Afro-Arabian triple junction. Earth Planet. Sci. Lett. 138, 39-55

Dalrymple, G.B. & Lanphere, M. A., 1974. 40Ar/39Ar age spectra of some undisturbed terrestrial samples. Geochim. Cosmochim. Acta 38, 715-738.

Gazis, C. A., Lanphere M., Taylor, H.P. Jr. & Gurbanov,A., 1995. 40Ar/39Ar and 18O/16O studies of the Chegem ash-flow caldera and the Eldjurta Granite: Cooling of two late Pliocene igneous bodies in the Greater Caucasus Mountains, Russia. Earth Planet. Sci. Lett. 134, issue 3-4, 377-391.

http://minerals.cr.usgs.gov/argon_lab/index.html Imtihanah, 2004. 40Ar/39Ar Geochronology of rocks affected by the Sumatran Fault System (SFS) collected from West-Central Sumatra. Journal of Geological Resources vol. XIV, no.3, 16-31

Jordan, D.B. & Burgess, R., A., 2007. Miocene fault in south-east Ireland revealed by 40Ar-39Ar dating of hydrothermal cryptomelane. Irish Journal of Earth Sciences, 55-61

Lee, J. K. W., Onstott, T. C., Cashman, K. V., Cumbest, R. J., & Johnson, D., 1991. Incremental heating of hornblende in vacuo: Implications for 40Ar/39Ar geochronology and the interpretation of thermal histories. Geology 19, 872-876.

Mote, T.I., Becker, T.A., Renne, P. & Brimhall, G.H., 2001. Chronology of Exotic Mineralization at El Salvador, Chile, by 40Ar/39Ar Dating of Copper Wad and Supergene Alunite. Economic Geology,vol. 96, 351-366

Neubauer, F., Pavicevic, M.K., Genser, J., Jelenkovic, R., Boev, B & Amthauer, G., 2009. 40Ar/39Ar dating of geological events of the Allchar deposit and its host rocks. Goldschmidt Conference

Snee, L. W., Sutter, J. F. & Kelly, W. C., 1988. Thermochronology of economic mineral deposits: dating the stages of mineralization at Panasquiera, Portugal, by high-precision 40Ar/39Ar age spectrum techniques on muscovite. Economic Geology 83, 335-354.

Sotnikov, V.I., Sorokin, A.A., Ponomarchuk, V.A., Gimon, V.O. & Sorokin, A.P., 2007. Porphyry Cu- Mo-(Au) mineralization: the age and relationship with igneous rock complexes of the Borgulikan ore field (upper-Amur region). Russian Geology and Geophysics, vol. 48, isu 2, 177-184

Wartho, J., 2003. Ar-Ar and K-Ar dating of continental weathering, In: Roach I.C. ed. 2003. Advances in Regolith, p. 431. CRC LEME.

Werdon, M.B., Layer, P.W., Newberry, R.J., 2004. 40Ar/39Ar Dating of Zn-Pb-Ag Mineralization in the Northern Brooks Range, Alaska. Economic Geology vol. 99; no.7; 1323-1343

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>