UNIVERSITAS GADJAH MADA

FAKULTAS MIPA/JURUSAN FISIKA/PRODI

GEOFISIKA Sekip Utara, Po. Box. 21 Yogyakarta 55281, Indonesia

Buku 2: RKPM (Rencana Kegiatan Pembelajaran Mingguan)

Modul Pembelajaran Pertemuan ke V

GEODINAMIKA

Semester 5 /3 sks/ MFG 3919

Oleh

Muhammad Darwis Umar, SSi, Msi

Dr.-Ing. Ari Setiawan, MSi

Didanai dengan dana BOPTN P3-UGM Tahun Anggaran 2013

Desember 2013

BAB VI GEOCHRONOLOGY

PENDAHULUAN

Dalam pokok bahasan mengenai Geochronology mahasiswa dapat menjelaskan:: penentuan

umur batuan baik secara relative maupun absolute, metode dating yang lazim digunakan dalam

geochronology

PENYAJIAN Dating Rocks dan Geological Events (Geochronology)

Ada dua metode

• Relative Dating – membandingkan dengan batuan lain lebih tua atau lebih muda

• Absolute Dating – umur batuan ditentukan dengan radiometric dating

Relative Dating

Tiga metode untuk mengetahui usia relatif batu.

• Hukum superposisi - batuan tertua akan menenmpati urutan paling dasar kecuali ada

pembalikan.

• Hukum hubungan cross-cutting – batuan muda memotong melintasi batuan yang lebih

tua.

• Hukum included fragments - batuan yang memiliki fragmen harus lebih muda dari batuan

asal fragmen tersebut.

Hukum Superposisi

Batuan tertua diendapkan pertama kali sehingga mereka berada di bawah dari struktur

misalnya sebuah antiklin seperti dapat dilihat pada gambar di bawah (kiri). Namun hal ini

tidak selalu terjadi jika struktur kebetulan terbalik. Hal ini dapat terjadi pada sesar naik

(gambar kanan). Batuan yang diendapkan pertama akan berada diatas diendapkan yang

kedua.

Hukum Cross – Cutting

Hal ini menyatakan bahwa jika suatu batuan memotongan melintasi batuan yang lain maka

batuan tersebut harus lebih muda dari batuan yang dipotong.

Pada gambar di bawah vertikal dike memotong batuan sekitarnya, sehingga dike harus lebih

muda dari batuan yang dilintasinya.

Hukum Included Fragments

Jika batuan mengandung fragmen dari batuan yang lain maka batuan tersebut harus lebih

muda dari batuan fragmen ini berasal. Sebagai contoh gambar dibawah, batuan yang

berwarna kuning harus lebih muda dari asal batuan berwarna hitam.

Skala waktu geologi dapat ditentukan dari: • Radiometric methods

• Dendrochronology (tree-rings)

• Geochronology - stratigraphy

• Biostratigraphy (typical fossils) • Ice core stratigraphy • Warves chronology (sediments)

Relative Dating: Geochronology – stratigraphy

Relative Dating: Biostratigraphy (typical fossils)

Absolute Dating Metode Radiometri: Tokoh-tokoh dalam bidang Radiometri:

Henri Bequerel (1896):

Penemu peluruhan radioaktif alam Uranium

Ernest Rutherford (1905):

Mengusulkan penggunaan radioaktif sebagai alat untuk mengukur waktu geologi

Metode Radiometri - Prinsip (1):

• Nomer atom Z: Jumlah proton → posisi dalam table Periodic

• Nomer neutron N: Jumlah neutron • Nomer masa A = Z + N Isotope: Elemen Z sama, tetapi N berbeda Uranium: Z = 92, N = 142, 143 or 146

234U, 235U, 238U

Metode Radiometri - Prinsip (2): • Nucleus dipengaruhi oleh kesetimbangan gaya Coulomb (tolak-menolak) dan gaya

nuklir lemah (tarik-menarik pada jarak yang pendek)

• Untuk nomer atom Z > 83: tidak stabil → peluruhan radioaktif

• Isotop induk → isotop anak

Metode Radiometri - Prinsip (3):

Metode Radiometri - Prinsip (4):

Radioaktif and Geokronologi

Lord Rutherford pertama menunjukkan potensi isotop radioaktif untuk memanaskan

interior Bumi. Pada tahun 1905 ia mengusulkan bahwa mineral uranium dapat ditentukan

umurnya dengan menentukan jumlah helium radiogenik di dalamnya. Boltwood (1907)

menerbitkan penentuan umur Lord Rutherford pertama menunjukkan potensi isotop radioaktif

untuk memanaskan interior Bumi. Pada tahun 1905 ia mengusulkan bahwa mineral uranium

dapat ditentukan umurnya dengan menentukan jumlah helium radiogenik di dalamnya. Boltwood

(1907) menerbitkan penentuan umur pertama untuk uranite berdasarkan rasio uranium-lead (U /

Pb). Umur uranite adalah 410-535 Ma secara umum konsisten dengan pengukuran modern pada

batuan ini. Rangkuman studi awal dating dan skala waktu geologi pertama diusulkan oleh

Holmes (1913).

Geokronologi didasarkan pada peluruhan isotop induk radioaktif dengan densitas mol j

(mol per satuan massa) menjadi isotop anak radiogenik dengan densitas mol i * dan isotop

referensi non radiogenik anak dengan densitas mol i. Rasio isotop α didefinisikan sebagai

(10.1)

dan rasio komposisi induk-anak μ didefinisikan oleh

(10.2)

Sebagai contoh spesifik, mempertimbangkan sistem isotop rubidium-strontium. Isotop induk radiogenik

orubidium adalah 87

Rb, isotop anak radigenetik strontium adalah 87

Sr, dan isotop non radiogenik referensi

strontium adalah 86

Sr. Konsentrasi isotop induk radioaktif j dan isotop radiogenic anak i * bervariasi

dengan waktu t sesuai dengan prinsip peluruhan radioaktif

(10.3)

(10.4)

dimana λ adalah konstanta peluruhan dan waktu t diukur ke depan. Konsentrasi isotop induk radioaktif

mengalami penurunan terhadap waktu pada laju yang sebanding dengan konsentrasi isotop induk,

sedangkan konsentrasi isotop anak radiogenik meningkat terhadap waktu dengan kecepatan yang sama.

Integral dari Persamaan (10-3) dan (10-4) adalah

(10.5)

(10.6)

dimana subscript nol mengacu pada konsentrasi pada t = 0. Waktu paruh t1/2 dari 764 Geodinamika

Kimia isotop induk radioaktif didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan untuk setengah dari atom

yang ada pada t = 0 meluruh. Dengan menempatkan j = j0 / 2 dalam Persamaan (10-5) kita memperoleh

(10.7)

atau

(10.8)

Beberapa sistem isotop dipelajari lebih luas bersama-sama dengan konstanta peluruhan dan

waktu paruh diberikan dalam Tabel 10-1. Isotop dan komposisi rasio α dan μ dapat ditentukan

dengan menggunakan Persamaan (10-1), (10-2), (10-5) dan (10-6). Jika awal isotop dan

komposisi rasio pada waktu t = 0, α0 dan μ0 masing-masing ditentukan, evolusi waktu berikutnya

dari sistem tertutup diberikan oleh

(10.9)

(10.10)

Eliminasi rasio komposisi awal μ0 dari pasangan ini memberikan persamaan

(10.11)

Hubungan ini dapat digunakan untuk menentukan "umur" dari batu. Usia mengacu pada waktu ketika

unsur-unsur yang relevan menjadi "beku" ke batu. Dalam kondisi ideal tidak ada penambahan atau

pengurangan dari unsur-unsur ini akan terjadi sampai batuan tersebut dipelajari di laboratorium. Jadi

pengukuran penanggalan dapat mewakili waktu sejak kristalisasi dari batu atau waktu sejak peristiwa

metamorf ketika batu dipanaskan sampai suhu yang cukup tinggi untuk perubahan kimia terjadi. Untuk

sejumlah sistem isotop adalah tepat untuk berasumsi bahwa λt «1.

Ketika pendekatan ini diterapkan untuk Persamaan (10-9) dan (10-10) kita memperoleh

α = α0 + λtμ0 (10.12)

μ = μ0. (10.13)

From Table 10–1 we see that this will be a good approximation for both the rubidium–strontium and

samarium–neodymium systems. As a specific example of age dating, consider a rock that crystallized

from a melt at timet=0. We assume that the isotope ratio in the melt α0 is a constant. The crystallized

rock will have a variety of minerals in it. As these minerals form, fractionation of the parent and daughter

isotopes occurs.

Tabel 10.1 Sistem Isotop yang Umum Digunakan dalam geodinamika Kimia dan Sifatnya

Gambar 10.1 Rubidium - strontium isochron untuk gneiss Amitsoq dari distrik dthaab dari barat daya

Greenland . Rasio isotop α diberikan sebagai fungsi dari rasio komposisi μ untuk berbagai mineral .

( Data dari Moorbath et al . , 1972) . Ini adalah salah satu batu terestrial tertua . Korelasi dengan

Persamaan ( 10-12 ) memberikan τ umur = 3.65 Ga

Dalam beberapa mineral isotop induk diperkaya relatif terhadap isotop anak . Dalam mineral ini μ

besar dan rasio isotop α menjadi semakin besar dari waktu ke waktu . Jika α0 adalah konstan dan jika batu

itu tidak megalami perubahan kimia , maka pengukuran α terhadap μ untuk mineral yang berbeda di batu

harus berada pada garis lurus yang dikenal sebagai isochron keseluruhan -rock . Umur sebanding dengan

kemiringan garis ini menurut Persamaan ( 10-12 ) .

Teknik penanggalan radiometrik saat ini digunakan secara luas termasuk peluruhan 87

Rb ke 87

Sr ,

147Sm ke

143Nd ,

40K ke

40Ar ,

235U ke

207Pb , dan

238U ke

206Pb . Pertama-tama kita mempertimbangkan

metode kencan Rb - Sr . Dari Tabel 10-1 paruh untuk sistem adalah 48,8 Gyr , sehingga pendekatan linear

yang diberikan dalam Persamaan ( 10-12 ) berlaku . Rubidium adalah logam alkali yang pengganti untuk

kalium dalam mika dan K - feldspar . Strontium adalah logam alkali tanah yang pengganti untuk kalsium

dalam mineral seperti plagioklas dan apatit . Alami rubidium biasanya berisi 72,2 % 85

Rb dan 28,8 %

87Rb . Alami strontium biasanya berisi 82,5 %

88Sr , 7,0 %

87Sr , 9,9 %

86Sr , dan 0,6 %

84Sr . Radiogenic

87Rb meluruh menjadi putri stabil

87Sr dengan emisi partikel beta dan antineutrino .

Sebuah contoh dari isochron keseluruhan -batuan Rb - Sr diberikan pada Gambar 10-1 . Pada10.2

Radioaktivitas dan Geochronology 767 batu adalah gneiss Amitsoq dari West Greenland dan merupakan

salah satu dari batuan terestrial tertua. Nilai sekarang dari isotop rasio α diplot terhadap nilai-nilai

sekarang dari induk - anak rasio μ dari beberapa mineral dalam batuan ini. Garis lurus adalah yang paling

cocok dari Persamaan ( 10-12 ) dengan data . Untuk mendapatkan kecocokan ini , didapatkan usia batuan

menjadi τ = 3.65 Ga dan bahwa rasio isotop dari batu menjadi α0 = 0,70 . ( Kami menggunakan symbol t

dan satuan yr ketika waktu diukur maju dari masa lalu dan simbol τ dan satuan ketika waktu diukur

mundur dari sekarang . )

Penanggalan radiometrik batuan tidak selalu sesederhana contoh ini . Pertama , karena produk

peluruhan adalah isotop dari unsur-unsur seperti strontium , timbal , dan argon , ada ketidakpastian dalam

jumlah elemen anak hadir pada t = 0 . Selain itu, batu-batu tidak merupakan sistem tertutup sempurna,

ada beberapa pertukaran kedua atom induk dan anak dengan bahan sekitarnya . Ini menjadi perhatian

khusus ketika produk peluruhan adalah gas seperti argon.

PENUTUP

1. Apa yang dimaksud dengan:

a) Law of superposition

b) Law of cross-cutting relationships

c) Law of included fragments

2. Apa yang dimaksud dengan absolut dating dan terangkan mengenai cara menentukan

umur batuan berdasarkan Rb_Sr dating

3. Terangkan yang dimaksud dengan:

a) nomer atom

b) nomer neutron

c) nomer massa

d) isotop

e) jumlah atom induk

f) jumlah atom anak

g) waktu paruh