geokimia fluida

8/17/2019 Geokimia Fluida

1/67

Training BPS PGE 7 Mei – 9 Juni 2012

Dr.Eng. Suryantini (Ninik) ST., Dipl Geothermal Tech. MScInstitut Teknologi Bandung (ITB), Jl. Ganesha 10, Bandung 40132

Email : [email protected]

Geokimia Panas Bumi

Pendahuluan


2/67





3/67


4/67




Geokimia geotermal adalah aplikasi

ilmu geokimia yang dikhususkan

untuk mempelajari sistem panas bumi

dan proses-proses kimia yang terkait


5/67




Peranan geokimia

pada pengembangan panas bumi

1. Pada Tahap Survey Pendahuluan

(Prospecting)

2. Pada Tahap Explorasi Pemboran

3. Pada Tahap Konstruksi dan

Desain

4. Pada Tahap Awal Produksi hingga

Produksi Lebih Lanjut


6/67


7/67




2. Pada Tahap Explorasi Pemboran

Mengambil sample dari fluida yang dikeluarkan pada saat pemboraneksplorasi untuk mengetahui:

– Kondisi reservoir (yang lebih baik), mencakup: kimia fluida reservoir,

potensi ‘scaling’, geothermometer, pertimbangan masalah

lingkungan, kemungkinan kumpulan-kumpulan mineral yangterbentuk

– Mengidentifikasi kemungkinan feed zone di sumur

– Mengukur luasnya lapangan panas bumi

– Menentukan besarnya natural heat flow

– Mengukur entalpi sumur

– Memantau manifestasi permukaan


8/67




3. Pada Tahap Konstruksi dan Desain

• Memprediksi kemungkinan terjadinya scaling silika di

turbin

• Memperkirakan konsentrasi gas (terutama bila

menggunakan fasilitas condensing turbine)

• Memilih material untuk fasilitas produksi dan pembangkit

• Merencanakan mitigasi lingkungan


9/67




4. Pada Tahap Awal Produksi hingga

Produksi Lebih Lanjut

• Memantau fluida yang dikeluarkan sumur

• Memantau fluida injeksi

• Membantu menyelesaikan masalah produksi,

seperti scaling , korosi dsb


10/67




Kesimpulan

1. Ahli geokimia menggunakan

informasi kimia dari fluida dan

batuan serta reaksi-reaksi kimia yang

terjadi untuk menyelesaikan masalah-

masalah yang ada pada

pengembangan panas bumi

2. Metode sampling dan analisa kimia

yang sama atau serupa pada setiap

tahapan dapat dilakukan setiap saat

sesuai tujuan


11/67




Geokimia Panas Bumi

Geokimia Air

S G


12/67




Sistem Panas Bumi dan Geokimia

• Sistem panas bumi hidrotermal sangat erat kaitannya

dengan geokimia

• Air pada sistem ini terutama berasal dari air meteorik

• Sistem panas bumi hidrotermal merupakan sistem terbuka

dimana air meteorik masuk ke sistem, terpanaskan, dan

dikeluarkan dari reservoir ke permukaan atau ke lapisan

permeabel bawah tanah• Pada saat tertentu fluida magmatik dapat tercampur dalam

fluida termal ini sehingga sistem dapat disebut volkanik

hidrotermal

T i i BPS PGE 7 M i 9 J i 2012


13/67




Host Rock (Batuan Induk)

• Adalah batuan yang menjadi reservoir dalam panas bumi

• Batuan ini bereaksi dengan fluida panas bumi

• Hasil reaksinya menentukan komposisi akhir air dan gas-gas

panas bumi yang berbeda-beda

• Pengetahuan mengenai komposisi host rock penting bagi

tingkat kepercayaan dalam geotermometer dan prediksi

scaling .

• Pembagiannya sangat umum; volkanik atau klastik sedimen


14/67

Training BPS PGE 7 Mei 9 Juni 2012


15/67




• Darimana asalnya air

•

• mineral terlarut ……??



16/67




Asal Mula Air pada Sistem Panasbumi

1. Air meteorik; yang telah masuk ke dalam bumi hingga

beberapa km melalui rekahan dan lapisan permeabel

2. Air formasi (air connate); yang telah lama terkubur

bersama-sama dengan batuan sedimen pembawanya

3. Air metamorf; hasil dari proses metamorfisme

4. Air dari magma (air juvenil); dilepaskan langsung dari

magma

Air metamorf dan air juvenil belum diketahui secara pasti arti

pentingnya



17/67




Asal Mula Air pada Sistem Panasbumi

• Umumnya air berasal dari air permukaan (air meteorik)

• Bahan-bahan terlarut berasal dari hasil reaksi air tanah

meteorik dengan batuan yang dilewatinya

• Air panas bumi dapat terpengaruh pula oleh air lautsehingga menjadi lebih saline

• Proses utama yang menghasilkan bahan terlarut adalah rock-

water interaction

• Proses tambahan berupa kontribsi air formasi, air laut dan

air magma



18/67




Asal Mula bahan kimia terlarutpada fluida panasbumi

• Masih merupakan debat yang panjang

• Kehadiran Li, Rb, Cs, B, F, As, CO2 dan H2S pada airbertemperatur tinggi biasanya berasal dari magmatik, tetapieksperimen laboratorium belum dapat menjelaskan.

• Komposisi isotop menunjukkan air berasal dari airmeteorik, yang terpanaskan dan dimuati oleh unsur kimia.

• Terdapat 2 teori tentang asal bahan terlarut (Ellis dan Mahon,1977)

• (A). Panas dan bahan kimia terlarut berasal dari larutandalam magma yang ditanbahkan kedalam sirkulasi air

• (B). Air yang terpanaskan (tidak harus oleh magma) danberinteraksi dengan batuan sekitar



19/67




Model A; Panas dan bahan kimia terlarut

berasal seluruhnya dari magma

• Panas dan bahan kimia terlarut berasal dari penambahan larutan magmapada sirkulasi air yang dalam

• Air dapat terdifusi ke dalam atau melalui magma

• Karena pendinginan, larutan menghasilkan deposisi mineral didaerahkeluarannya

• Komponen uap (steam) dan volatil dapat mendidih dari air panasbumiketika mendekati permukaan

+ + ++ + +

Heat and chemicaltransfer

Aquifer

Ellis dan Mahon, 1977



20/67




Model B; Air yang terpanaskan (tidak harus oleh

magma) dan berinteraksi dengan batuan sekitar

• Air mencapai komposisi kimia alamiahnya dalam perjalanan sirkulasinya

(terutama di daerah terpanas dari sistem)

• Kimia air termal terutama dikontrol oleh temperatur tinggi dan komposisi batuan

lokal

• Panas tidak perlu dari intrusi

• Bila temperatur sama, maka perbedaan komposisi kimia air lebih banyak

dikontrol oleh perbedaan komposisi batuan (bukan karena asal mula panasnya)

++ +

+ + +

ChemicalTransfer

Aquifer

HeatTransfer

Ellis dan Mahon, 1977



21/67




Percampuran Air Geotermal dan Magmatik

• Diduga air termal merupakan hasil proses percampuran air meteorikdengan air magmatik

• Jumlah unsur magmatiknya sedikit tetapi cukup signifikan

• Jika benar hal ini terjadi akan maka akan sangat mempengaruhi

komposisi air termal, dimana bahan kimia terlarut akan sangat berbeda,kaya akan Cl, SO2 dan CO2, dan suhu larutan magmatik akan mencapai

lebih dari 400C.

• Meskipun demikian belum diketahui seberapa besar proses

percampuran ini

• Metode yang dipakai untuk mengetahui adanya proses ini adalah Isotop,

Cl dan B.



22/67




Evolusi AirPanasbumi



23/67

g



• Air meteorik masuk ke dalam kerak bumi melalui zona permeabel,

bersirkulasi di dalam bumi pada kedalaman sekitar 5-7 km

• Ketika turun/masuk, air ini terpanaskan, dan bereaksi dengan host

rock, kemudian naik karena konveksi

• Di kedalaman, T 350 C, kandungan Cl antara 1000 – 10 000 mg/kg

• Unsur-unsur mudah larut (soluble group) ; Cl, B, Br, As, Cs, akanterlarutkan lebih dulu dari host rock oleh air

• Disusul oleh elemen yang proses kelarutannya dikontrol oleh

temperatur; SiO, Na, K, Ca, Mg, dsb

• Proses ini menghasilkan kumpulan alterasi batuan yang mencirikan

temperatur dan fluidanya.

• Fluida akan tertinggal dalam batuan permeabel yang menjadi

reservoir, terjadi kesetimbangan, terbentuk alterasi mineral sekunder



24/67

g



• Ketika fluida klorida meninggalkan reservoir, tekanan

hidrostatik berkurang dan mungkin akan mengalamiboi l ing

• Boiling dapat menghasilkan zona boiling 2 fasa ; uap dan air

• Fluida klorida sisanya dapat muncul di permukaan atau

mengalir jauh mengikuti topografi dan muncul sebagai mataair panas/hangat yang jauh dari tempat upflow nya

• Uap dapat keluar ke permukaan menjadi fumarol atau

• Uap dapat terlarut kembali atau terkondensasi membentukair steam heated, acid sulphate dan/atau bicarbonate.



25/67

g



Model Evolusi Air Panasbumi

• http://www.geothermal-energy.org/geo/

C o n

d u c t i v e

C o n

v e c t i v e



26/67



Meteorik-magmatik input water-rock interaction boiling condensation-mixing/dilution



27/67



Meteorik-magmatik input water-rock interaction boiling condensation-mixing/dilution



28/67



Evolusi Uap

Panasbumi



29/67



• Ketika fluida geotermal naik menuju permukaan, tekanan

hidrostatik turun (tekanan yang disebabkan oleh tinggikolom air dan tebal lapisan overburden).

• Akhirnya tekanan akan menurun hingga pada suatu tingkat

dimana gas terlarut dan uap air dapat terpisah dari larutan

utamanya

• Proses pemisahan ini dikenal dengan boiling.

• Boiling merupakan salah satu proses yang sangat pentingyang mengontrol kimia liquid (fasa cair) dan vapour (fasa

uap)



30/67



Kurva Boiling vs Depth

• Menunjukkan temperatur maksimum yang dapat dicapai oleh

fluida pada kedalaman tertentu (≈ tekanan tertentu) dimana

setelah temperatur ini energi (atau panas) yang diterima oleh

fluida akan digunakan untuk perubahan fasa pada proses boiling.

• Kurva ini juga menunjukkan berapa kedalaman pada saat fluida

reservoir mengalami proses Boiling.

• Kurva dibuat dengan asumsi tekanan hidrostatik

• Di daerah geotermal, terdapat setidaknya 10% tekanan

hidrodinamik karena buoyancy force dari fluida termal, hal ini

berarti pada daerah geotermal proses boiling dapat terjadi pada

kedalaman yang lebih dangkal daripada yang ditunjukkan oleh

kurva tersebut.


31/67



32/67



Kurva Boiling vs Depth

• Meningkatnya salinitas menyebabkan boiling terjadi

pada kedalaman yang lebih dangkal (titik didih

meningkat terhadap kedalaman)

•Meningkatnya kandungan gas (misalnya CO2)menyebabkan boiling terjadi pada kedalaman yang

lebih dalam (titik didih menrun terhadap kedalaman)

• Kandungan gas memiliki efek yang lebih signifikan

pada kedalaman boiling (meningkatnya tekanan uap,

karena gas-gas terlarut, pada fluida)



33/67



Apa akibat dari proses boiling ?

• Pemisahan gas-gas dari larutan (fluidanya)

• Fluida menjadi lebih alkaline→ (deposisi mineral sulfida)

• Hilangnya gas dari larutan (misalnya pada produksi fluida

panas bumi lapangan uap) menyebabkan tekanan menurun

→ masuknya air dingin dari air tanah ke dalam sistem

• Fluida sisa temperaturnya menurun karena kehilangan massa

dan entalpi

• Dilution (pengenceran oleh air tanah) dan konduksimenurunkan temperatur fluida termal, biasanya fluida ini tidak

pernah mengalami boiling sebelum mencapai permukaan

Training BPS PGE 7 Mei –

9 Juni 2012


34/67



• Pada sistem dominasi liquid (water) apabila produksi air

melebihi jumlah air yang masuk (recharge), maka level

air di reservoir menjadi turun→ menghasilkan ruang pori

pada zona diatas level air

• Ruang pori tersebut dapat diisi oleh lapisan uap (steam)

diatas reservoir liquid (mis. Wairakei-Tauhara)


9 Juni 2012


35/67



Uap pada lapangan dominasi uap

• Lapangan uap dicirikan oleh permeabilitas reservoir yang

tinggi (>10 milidarcy , 1 millidarcy = 1 x 10-15 m2)

• Temperatur uap umumnya konstan, sekitar 236C

• Tekanan dan entalpi umumnya konstan diseluruh reservoir

• Kandungan gas 0.5-2.0% (bandingkan lapangan dominasi

liquid ~0.01-0.5%)


9 Juni 2012


36/67



Geokimia Panas Bumi

Unsur terlarut


9 Juni 2012


37/67

Dr.Eng. Suryantini (Ninik) ST., Dipl Geothermal Tech. MScInstitut Teknologi Bandung (ITB), Jl. Ganesha 10, Bandung 40132Email : [email protected]

Tipe-tipe unsur terlarut

Non-volatil (unsur terlarut):

– Anion, diantaranya Cl-, HCO3- ,SO4-2 ,NH4

-, F-, I-, Br -

– Kation,diantaranya

Na+

,K+

,Ca+2

,Mg+2

,Mn+2

,Fe+2

,Al+3

,ion-ion As – Spesies netral, mis. SiO2,B,CO2,H2S,NH3

Volatil (gas/mudah menguap): – Non condensible gas,mis.CO2,H2S,H2,N2

– Gas inert / konservatif, mis. He, Ar


9 Juni 2012


38/67


• SiO2 hadir sebagai silika total dalam larutan dan ekuivalendengan konsentrasi asam silisik (H4SiO4)

• CO2 terlarut adalah ekuivalen terhadap konsentrasi asam

karbonik (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, hadir dalam berbagai muatan ion

• Amonia adalah sebagai amonia (NH3) atau amonium (NH4+)


9 Juni 2012


39/67



9 Juni 2012


40/67



9 Juni 2012


41/67


Kandungan Cl pada fluida panas bumi

• White (1971) : konsentrasi Cl pada fluida panas bumi

bertemperatur >150 oC berkisar antara 150 hingga

ribuan mg/kg, sedangkan Cl pada sistem dominasi uaptidak lebih dari 15 mg/kg.

• Kandungan Cl yang tinggi pada mata air panas dapat

mengindikasikan bahwa sistem panas bumi adalah

dominasi air


9 Juni 2012


42/67


Asal mula Cl dalam fluida panas bumi

• Gas magmatik HCl:HCl mempunyai solubilitas yang tinggi

Pada temperatur rendah HCl bersifat asam kuat,

tetapi pada temperatur tinggi HCl bersifat asam

lemah

• Air asin (evaporit, air laut,air formasi /connate water)

Cl mencapai 100.000 mg/kg

Kation utama:Na dan Ca

Larutan berkonsentrasi tinggi (TDS sangat tinggi)Bersifat asam lemah

Densitas tinggi


43/67


9 Juni 2012


44/67


Asal mula Bikarbonat (HCO3)

• Terbentuk sebagai akibat adsorbsi gas CO2 dan

kondensasi uap air ke dalam air tanah (steam

heated water )

• Berada di daerah tepi sistem dan dangkal

• Anion utama HCO3 dan kation utama adalah Na

•Cl rendah dengan SO4 bervariasi


9 Juni 2012


45/67


Kaya O2

Miskin O2

Gas dan Uap Terlarut (Brine)

Gas dan Uap Terpisah

Air sulfat

Air bikarbonat

Manifestasi


9 Juni 2012


46/67


Dengan mengenal dan

memahami kimia air termal,

asal usul dan proses evolusinya,

selanjutnya dapat digunakan

untuk mendeduksi kondisi

fluida sistem panas bumi dan

proses-proses yang

mempengaruhinya


9 Juni 2012


47/67


Geokimia Panas Bumi

Gas pada Sistem Panas Bumi


9 Juni 2012


48/67


Gas dalam sistem panas bumi

• Gas-gas sering kali ditemukan dalam fasa uap dari fluida panas

bumi

• Gas-gas tersebut diantaranya CO2, H2S, NH3, N2, H2, CH4

‘non condensible gas / NCG’

• Uap atau steam panas bumi (termasuk steam dan vapour)

terbentuk dari proses boiling. Uap ini dapat migrasi vertikal ke

permukaan, tetapi air sisanya akan migrasi secara lateral dan

muncul sebagai mata air panas yang jauh dari zona upflow nya.

• Dengan demikian pengetahuan akan kimia gas akan memberiinformasi lebih baik tentang sistem panas bumi dari pada data dari

mata air panas yang jauh tersebut.


9 Juni 2012


49/67


Sumber keluaran gas

• Fumarol

• Solfatara

• Kaipohan• Steaming Ground

• Hot pools

• Sumur pemboran


9 Juni 2012


50/67


Kelimpahan gas gas dalam sistem panas bumi

• Gas utama pada sistem panas bumi temperatur tinggi(>200C) adalah CO2 (>80-90% dari total gas), kemudian

disusul H2S, dan sedikit NH3, H2, CH4, N2

• Ar, He dan O2 mungkin hadir dalam jumlah sangat sedikit

(minor-trace)

• Kadang-kadang ditemukan Hg (vapour) dan Rn terutama 222

Rn

• CO2 memiliki peran penting dalam menentukan pH, BPD,

densitas, alterasi batuan,dan pengendapan mineral

sekunder dan scaling .


9 Juni 2012


51/67


Contoh hasil analisa gas


9 Juni 2012


52/67


Beberapa asumsi

• Kimia gas panas bumi berbeda dengan kimia gas bukanpanas bumi

• Fluida reservoir memiliki tambahan unsur volatil dari

magma terutama rasio He-N2-Ar

• Sumber utama komponen volatil adalah : magma, kerak(dari reaksi batuan samping) dan atmosfer

• Boiling,kondensasi, dan proses mixing menghasilkanperubahan komposisi kimia gas yang sistematik


9 Juni 2012


53/67



Komposis uap dan gas volkanik

• Mengandung H2O(>60% total emisi),CO2(10-40%total

emis),S ditemukan sebagai SO2(high-temperature

volcanic gas) atau H2S (low-temperature volcanic

gases), N2, Ar, He, Ne, CH4, CO dan H2

• Komponen lain diantaranya O2 (meteoric), HCl, HF, HBr,

NOx, SF4, carbonyl sulfide, dan komponen organic

• Komponen jarang misalnya methyl mercury, halocarbons(termasuk CFCs)


9 Juni 2012


54/67



Komposisi uap dan gas panas bumi

• Komponen utama H2O

• Komponen dominan:CO2 dan H2S

• Hadir dalam konsentrasi yang lebih sedikit :

N2,H2,CH4,CO,NH3,Ar dan He

• Absen : strongly acid gases from magma bodies

degassing(i.e.SO2,HClandHF)

• SO2 dapat terdeteksi dari fumarol yang berasosiasi

dengan kegiatan gunung api aktif (Giggenbach,1980)

• Biasanya CH4 lebih banyak daripada CO (Chiodini

etal.,1992)


9 Juni 2012


55/67



Arti penting beberapa gas

• Larut dalam air : NH3, H2S, CO2

• Sedikit larut dalam air : CH4, H2, N2, Ar, He (dan noble

gas lainnya)

• Ditemukan pada sistem T tinggi : jumlah signifikan dari

gas CO2, CH4, H2

• Ditemukan pada sistem T rendah : dominasi N2

• Volkanik/magmatik: SO2, HCl, HF


9 Juni 2012


56/67



Beberapa aplikasi geokimia gas dalam

panas bumi

• Daerah Permeability /upflow

- Konsentrasi gas yang tinggi

- rasio CO2/H2S yang terkecil

- rasio CO2/NH3 yang terkecil

- rasio CO2/H2 yang terkecil


9 Juni 2012


57/67




panas bumi

• Arah aliran fluida

- konsentrasi gas kecil

- rasio CO2/H2S lebih besar

- rasio CO2/NH3 lebih besar

- rasio CO2/H2 lebih besar

-rasio gas/steam yang lebih besar


9 Juni 2012


58/67




panas bumi

• Jarak yang ditempuh dari upflow atau zona

boiling

-rasio gas/steam yang lebih besar

-rasio CO2/H2S (dengan kandungan gas

kecil dan entalpi besar)


9 Juni 2012


59/67




panas bumi

• Indikasi proses lainnya:Oksidasi (reaksi senyawa atau molekul dengan oksigen)

Proses H2S → H2SO4

Menurunkan konsentrasi H2S

Meningkatkan rasion CO2/H2S

Reaksi uap dan batuan:

menghilangkan H2S, H2 dan NH3

Meningkatkan CO2 karena penguraian mineral karbonat

Menambah CO2, CH4, NH3 dari degradasi material organik

Peluruhan radioaktif dari mineral-mineral dapat meningkatkan

He, Ar, dan Rn yang kemudian bercampur dalam keluaran uap


9 Juni 2012


60/67



Geokimia Panas Bumi

Isotop pada Sistem Panas Bumi


9 Juni 2012


61/67



Isotop Air


9 Juni 2012


62/67



Siklus Hidrologi


9 Juni 2012


63/67




9 Juni 2012


64/67




9 Juni 2012


65/67



Aplikasi isotop stabil dalam panas bumi

• Geotermometer

• Asal air

• Daerah Recharge

• Mengenali proses yang terjadi seperti

water rock interaction, boiling,

conduction, mixing

• Monitoring produksi


9 Juni 2012


66/67



Setelah mengenal

beberapa karakteristik

fluida panas bumi,

maka kita siap untuk

melakukan interpretasi

data eksplorasi…


9 Juni 2012


67/67

…Are you ready…

geokimia fluida

Documents