-

1. GEOKIMIA PANAS BUMI
Niniek Rina Herdianita
KK Geologi Terapan
Program Studi Sarjana dan Magister Teknik Geologi
Program Studi Magister Teknik Panas Bumi
Institut Teknologi Bandung

2. Geokimia Panas Bumi
1. Pendahuluan
2. Geokimia Air Panas Bumi
3. Geokimia Gas Panas Bumi
4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

3. Pendahuluan
Geokimia Panas Bumi/Geotermal mempelajari komposisi
fluida panas bumi (air dan uap) dan proses-proses yang
mempengaruhinya untuk mengetahui kondisi dan
karakteristik fluida reservoir.

5. Asumsi
Sistem geotermal adalah sistem hidrotermal terbuka
dan air yang didominasi oleh air meteorik merupakan
media pembawa panas.

7. Karakteristik Air (H2O)
Systematic name water
Alternative names
aqua, dihydrogen monoxide,
hydrogen hydroxide
Molecular formula H2O
Molar mass 18.0153 g/mol
Density and phase
1.000 g/cm3, liquid
0.917 g/cm3, solid
Melting point 0°C (273.15 K) (32ºF)
Boiling point 100°C (373.15 K) (212ºF)
Specific heat capacity (liquid) 4184 J/(kg.K)

8. Densitas H2O vs Temperatur

9. pH H2O

10. pH H2O vs Temperatur
 pH adalah fungsi dari Konstanta Disosiasi Air (KwH2O)
 H2O  H+ + OH-
 KwH2O = [H+][OH-]
 -log KwH2O = -log [H+] + [– log [OH-]]  pKwH2O = pH + pOH
 Kw adalah fungsi dari temperatur:
 KwH2O (25oC) = 10-14  pKwH2O = 14
 KwH2O (100oC) = 10-12  pKwH2O = 12
 KwH2O (250oC) = 10-11  pKwH2O = 11

12. 0 10 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
H2O 14.94 14.54 13.99 13.27 12.71 12.26 11.91 11.64 11.44 11.30 11.22 11.20 11.22 11.30
H2CO3 6.57 6.47 6.36 6.29 6.32 6.42 6.57 6.77 6.99 7.23 7.49 7.75 8.02 8.29
H2S 7.45 7.23 6.98 6.72 6.61 6.61 6.68 6.81 6.98 7.17 7.38 7.60 7.82 8.05
NH4 10.08 9.74 9.24 8.54 7.94 7.41 6.94 6.51 6.13 5.78 5.45 5.15 4.87 4.61
H4SiO4 10.28 10.00 9.82 9.50 9.27 9.10 8.97 8.67 8.65 8.85 8.89 8.96 9.07 9.22
H3BO3 9.50 9.39 9.23 9.08 9.00 8.95 8.93 6.94 8.98 9.03 9.11 9.22 9.35 9.51
HF 2.96 3.05 3.18 3.40 3.64 3.85 4.09 4.34 4.59 4.89 5.30 5.72 6.20 6.80
HSO4
-
1.70 1.81 1.99 2.30 2.64 2.99 3.35 3.73 4.11 4.51 4.90 5.31 5.72 6.13
HCl -0.26 -0.24 -0.20 -0.14 -0.06 0.03 0.14 0.25 0.37 0.50 0.66 0.84 1.06 1.37
HCO3
-
10.63 10.49 10.33 10.17 10.13 10.16 10.25 10.39 10.57 10.78 11.02 11.29 11.58 11.89
Expressed as -log Ka = pKa
Temperature (o
C)

13. Solubilitas Air

15. Diagram Fasa H2O

16. Boiling point
Vaporization
Condensation
(solid)
(liquid)
(gas)

17. Boiling = Mendidih
 Terjadi di bagian atas, yaitu pada kedalaman < 2 km
 Terjadi pemisahan 2 fasa fluida, yaitu air dan uap
 Unsur non-volatil (Cl, SiO2) tinggal di air
 Unsur volatil/gas (CO2, H2) berada pada fasa uap
 Pemisahan 2 fasa fluida mengakibatkan terbentuknya:
 Entalpi liquid (Hliq)
 Entalpi uap (Hvap)
 Manifestasi panas bumi di permukaan memberikan
gambaran tentang kondisi/proses bawah permukaan

18. Entalpi (H) = Panas Tersimpan

20. Tekanan vs Boiling Point

21. Boiling Point Depth (BPD)
 Tekanan vs titik didih (boiling point) air
 Tekanan air (P) sebagai fungsi dari kedalaman (h):
 PHidrostatik = 0,1897 h0,8719
 PHidrodinamik = 0,2087 h0,8719 = 1.1 PHidrostatik

23. 290oC
1000 m

29. Geokimia Panas Bumi
1. Pendahuluan
2. Geokimia Air Panas Bumi
3. Geokimia Gas anas Bumi
4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

30. Unsur-unsur Kimia Fluida
 Terdiri dari unsur-unsur terlarut berupa:
 Anion: Cl-, HCO3
-, SO4
-2, NH4
-, F-, I-, Br-
 Kation: Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Rb+, Cs+, Li+, Mn+2, Fe+2, Al+3, ion-
ion As
 Spesies netral: SiO2, B, CO2, H2S, NH3
 SiO2 hadir sebagai silika total dan ekuivalen dengan konsentrasi
H4SiO4
 CO2 terlarut adalah ekuivalen terhadap konsentrasi 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 yang hadir dalam berbagai muatan ion
 Amonia adalah sebagai amonia (NH3) atau amonium (NH4
-)

31. Unsur-unsur Kimia Fluida
Berasal dari interaksi antara batuan dan fluida (+ proses
magmatik), terdiri dari:
 Unsur-unsur pembentuk batuan
 Solubilitasnya dipengaruhi oleh kesetimbangan antara
mineral dan air
 mis. kation Na, K, Ca, Mg, Rb, Cs, Mn, Fe dan Al
 Unsur-unsur terlarut
 Lebih banyak berada di larutan dibanding dalam mineral
 Tidak mudah bereaksi = unsur konservatif
 mis. Cl, B, Li dan Br

32. Unsur-unsur Kimia Fluida
Dipengaruhi oleh:
 Asal air
 Penambahan unsur volatil magmatik
 Cl sebagai HCl, C sebagai CO2, S sebagai SO2
 Kenampakan isotop Helium (3He/4He)
 Kesetimbangan fluida-mineral
 Mineral (jenis batuan)
 Suhu
 Dominasi batuan
 Proses
 Boiling
 Mixing (dilution)

33. Asal Fluida

35. Air Klorida (Cl)
 Menunjukkan air reservoir
 Mengandung 0,1 hingga 1,0 wt.% Cl
 Perbandingan Cl/SO4 umumnya tinggi
 Mengandung kation utama : Na, K, Ca dan Mg
 Berasosiasi dengan gas CO2 dan H2S
 pH sekitar netral, dapat sedikit asam dan basa tergantung CO2
terlarut
 Sangat jernih, warna biru pada mataair natural
 Kaya SiO2 dan sering terdapat HCO3
-
 Terbentuk endapan permukaan sinter silika (SiO2)

36. Air Sulfat (SO4)
 Terbentuk di bagian paling dangkal sistem geotermal
 Akibat kondensasi uap air ke dalam air permukaan (steam heated
water)
 SO4 tinggi (mencapai 1000 ppm) akibat oksidasi H2S di zona
oksidasi dan menghasilkan H2SO4 (H2S + O2 = H2SO4)
 Mengandung beberapa ppm Cl
 Bersifat asam
 Ditunjukkan dengan kenampakan kolam lumpur dan pelarutan
batuan sekitar
 Tidak dapat digunakan sebagai geotermometer
 Di lingkungan gunung api : air asam SO4-Cl terbentuk akibat
kondensasi unsur volatil magmatik menjadi fasa cair

37. Air Cl dan SO4

38. Air Cl dan SO4
Ta: Taal
Ku: Kusatsu Shirane
Kb: Kaba
Tin, Tam: Kelimutu
Ij: Ijen
Po: Poas
Ma: Maly Semiachik
Pu: Kawah Putih
Dem: Dempo
Sv: Soufrière St.Vincent
Qu: Quilotoa
Kel: Kelud
Sa: Segara Anak
Ny, Mo: Nyos, Monoun
The discharge of magmatic gases (SO2 , H2S, HCl and HF) into a crater lake frequently lead to highly acidic
sulfate-chloride waters. The lakes are too acidic to convert and store CO2 gas as bicarbonate ions (HCO3
-).

39. Air Bikarbonat (HCO3)
 Terbentuk pada daerah pinggir dan dangkal sistem geotermal
 Akibat adsorbsi gas CO2 dan kondensasi uap air ke dalam air tanah
(steam heated water)
 Anion utama HCO3 dan kation utama adalah Na
 Rendah Cl dan SO4 bervariasi
 Di bawah muka air tanah bersifat asam lemah, tetapi dapat
bersifat basa oleh hilangnya CO2 terlarut di permukaan
 Di permukaan dapat membentuk endapan sinter travertin (CaCO3)

40. Air Meteorik
 Air tanah mengandung Ca, Mg, Na, K, SO4, HCO3 dan Cl, dan dapat
mengandung Fe, SiO2 dan Al
 Air tanah dapat mengandung gas terlarut O2 dan N2
 Air sungai mempunyai anion utama HCO3 dan kation utama adalah
Ca
 Air hujan mempunyai anion utama Cl dan kation utama Na
 Kandungan kimia air tanah sangat dipengaruhi oleh batuan
dasarnya.
 Komposisi isotop stabil mengikuti Meteoric Water Line (MWL)

41. Air Asin
 Terbentuk dengan berbagai cara (mis. pelarutan sekuen endapan
evaporit, terperangkap pada cekungan sedimentasi/air formasi, dll)
 Merupakan larutan yang berkonsentrasi tinggi
 pH menunjukkan asam lemah
 Unsur utama adalah Cl (10.000 hingga lebih dari 100.000 ppm)
 Konsentrasi Na (kation utama), K dan Ca tinggi
 Densitas tinggi, sehingga tidak muncul di permukaan

42. Tipe air apakah sampel ini?

43. Na K Mg Ca Cl SO4 HCO3
1 Ngawha NG-9, NZ 230 7.7 893 79 0 3 1,260 18 185
2 Wairakei WK-66, NZ 240 8.5 995 142 0 17 1,675 30 <5
3 Champagne Pool, NZ 99 8.0 1,070 102 0 26 1,770 26 76
4 Miravalles 10, Costa Rica 250 7.8 1,750 216 0 59 2,910 40 27
5 Acque Albule, Italy 22 6.1 138 22 238 1,042 163 1,470 1,403
6 Well C32, Fuzhou, China 93 7.5 187 6 0 23 175 163 52
7 Spring 7, Manikaran, India 95 8.4 96 19 3 52 138 41 210
8 Golden Spring, NZ 45 7.0 224 20 7 11 51 8 670
9 Zunil spring 95 7.0 384 32 39 17 172 234 635
10 Zunil ZQ-3, Guatemala 295 8.1 933 231 0 15 1,810 31 51
No LOKASI t (°C) pH
Kimia Air (mg/kg)

44. Na K Mg Ca Cl SO4 HCO3
11 Radkersburg, Austria 72 8.9 2,215 182 47 3 264 398 4,130
12 Cerro Prieto, Mexico 280 7.3 5,600 1,260 0 333 10,500 14 40
13 Tongonan, Philippines 330 7.0 3,580 1,090 0 128 6,780 16 12
14 Morere spring, NZ 47 7.0 6,690 84 79 2,750 15,670 <3 28
15 Salton Sea well, USA 330 5.2 38,400 13,400 10 22,010 118,400 4 140
16 Reykjanes Spring, Iceland 99 6.2 14,325 1,670 123 2,260 26,100 206 <5
17 Oil well, Leda F., California 100 5.7 13,600 404 275 12,200 44,000 16 80
18 White Island, NZ 98 0.6 5,910 635 3,800 3,150 38,700 4,870 -
19 Kawah Ijen, Indonesia 60 0.6 1,030 1,020 680 770 21,800 62,400 -
20 Tamagawa, Japan 98 1.3 38 30 35 95 2,970 2,300 -
No LOKASI t (°C) pH
Kimia Air (mg/kg)

45. Kisaran pH Anion Utama
Air tanah 6 - 7.5 jejak HCO3
-
Air klorida (Cl) 4 - 9 Cl, jejak HCO3
-
Air klorida-bikarbonat (Cl-HCO3) 7 - 8.5 Cl, HCO3
-
Air bikarbonat (HCO3) 5 - 7 HCO3
-
Air asam sulfat (SO4) 1 - 3 SO4
2-, jejak Cl
Air asam sulfat-klorida (SO4-Cl) 1 - 5 SO4
2-, Cl

46. Tipe air apakah yang hadir
pada manifestasi ini?

47. Artist’s Palette, Waiotapu, New Zealand

49. Yellowstone National Park, USA
Pohutu Geyser, Rotorua

50. Champagne Pool, NZ

51. Travertin Stone, Pamukale, Turkey

55. Papandayan, Jawa Barat

56. Waimangu, New Zealand
Cl water
SO4 water

57. Geokimia Panas Bumi
1. Pendahuluan
2. Geokimia Air Panas Bumi
3. Geokimia Gas Panas Bumi
4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

58. Gas-gas Panas Bumi
 Gas dalam sistem panas bumi hadir sebagai:
 Uap (H2O)
 Non condensible gases (gas-gas yang tidak mudah
terkondensasi) atau gas reaktif: CO2, H2S, NH3, H2, N2, CH4) 
kondisi bawah permukaan
 Gas-gas inert atau konservatif: gas-gas mulia, hidrokarbon selain
metana)  sumber gas
 Konsentrasi gas bersama rasio gas/uap dan uap/air
dapat memberikan informasi mengenai kondisi bawah
permukaan dan perilaku reservoir.

59. Keluaran Gas
 Fumarol
 Kaipohan
 Solfatara :
 Fumarol dengan SO2 dan/atau H2S
 Daerah steam discharge yang mengandung steaming ground
dan fumarol
 Steaming ground
 Hot pools

60. Steaming ground @ Cibuni, Rancabali-Bandung

61. Steam vent @ Cibuni, Rancabali-Bandung

62. Grand Prismatic Hot Spring @ Yellowstone National Park

63. Warm ground with (organic) gas discharge @ Cipanas, Palimanan - Cirebon

64. CO2
 Gas terbanyak pada sistem panasbumi (~ 95 wt.% atau
vol.%)
 Hadir 0.2 - 4% vol/vol dalam udara tanah
 Terbentuk dari :
 Magmatik
 Larut dalam air meteorik
 Alterasi termal batuan/mineral karbonat
 Degradasi material organik pada batuan sedimen
 Mengontrol kimia air, densitas, pH, BPD, alterasi batuan,
dan pengendapan mineral sekunder dan skaling.

65. H2S
 2 hingga 3 kali lebih mudah terlarut dibanding CO2
 Merupakan gas reaktif dan akan hilang oleh interaksi
dengan batuan sekitar membentuk sulfida besi.
 Terbentuk dari :
 Magmatik
 Alterasi termal batuan reservoir
 Rasio CO2/H2S dapat menunjukkan pola aliran fluida dan
proses boiling.

66. NH3
 Gas panas bumi yang paling mudah larut.
 Terbentuk dari alterasi material organik pada batuan
sedimen.
 Gas reaktif dan akan hilang oleh interaksi dengan batuan
sekitar, terserap dalam mineral lempung, atau larut
dalam kondensasi uap.

67. Volatil Logam dan Non Logam
 Arsen (As)
 Kandungannya tinggi pada sistem entalpi sangat tinggi.
 Mudah hilang oleh proses kondensasi uap dan mixing dengan air
tanah.
 Boron (B)
 Terkonsentrasi pada fasa liquid, tetapi dapat ditranspor sebagai
uap.
 Mudah larut dalam uap kondensat atau air steam heated.
 Merkuri (Hg)
 Kandungan Hg pada steam discharge dipengaruhi oleh
kandungan Hgvapour dan gas HgS.
 Hgvapour akan berkurang dengan meningkatnya konsentrasi H2S.
 Asosiasi: sulfida, oksida, material organik dan unsur logam
 Tritium (3H)
 Kandungannya berkurang dengan peningkatan residence times.

68. Komposisi Gas atau Uap
 Temparatur dan tekanan reservoir
 Kandungan gas pada fluida reservoir
 Solubilitas gas pada fasa liquid
 Koefisien distribusi massa gas dalam fasa uap
dan liquid (Bgas=cvapour/cliquid)
 Reaksi yang terjadi saat naik ke permukaan:
 Boiling
 Kondensasi
 Oksidasi
 Interaksi batuan/mineral)

69. Solubilitas Gas
(least soluble) N2<O2<H2<CH4<CO2<H2S<NH3 (most soluble)

70. Kimia Keluaran Gas Geotermal
Field/feature Separation
pressure
Enthalpy Steam
fraction
Total gas
in steam
CO2 H2S CH2 H2 N2 NH3
(bg) (kJ/kg) (y) (mmol/mol steam) millimoles/mole total gas
Wells: liquid dominated systems
Wairakei, NZ
Average 1 1135 0.3 0.2 917 44 9 8 15 6
Tauhara, NZ
Well 1 8.8 1120 0.2 1.2 936 64 - - - -
Ohaaki, NZ
Well 22 10 1169 0.19 10.04 956 18.4 11.8 1.01 8.89 4.65
Ngawha, NZ
Well 4 1.87 966 0.19 24.5 945 11.7 28.1 3.0 2.1 10.2
Cerro Prieto, Mexico
Well 19A 6.6 1182 0.289 5.88 822 79.1 39.8 28.6 5.1 23.1
Tongonan, Philippines
Well 103 7.6 1615 0.414 2.95 932 55 4.1 3.6 1.2 4.3
Reykjanes, Iceland
Well 9 19.0 1154 0.135 0.248 962 29 1 2 6 -
Wells: vapour dominated systems
The Geyser, USA
Average - 2793 1.0 5.9 550 48 95 150 30 125
Larderello, Italy
Average - 2804 1.0 20.0 941 16 12 23 8 8
Fumarola
Wairakei, NZ
Karapiti - (115°C) 1.0 1.7 946 23 7.4 10 11 2.6
Larderello, Italy
Average - (100°C) 1.0 30.0 923 20.6 14 26 10.7 -

71. Geokimia Panas Bumi
1. Pendahuluan
2. Geokimia Air Panas Bumi
3. Geokimia Gas Panas Bumi
4. Estimasi Karakteristik Fluida Reservoir

72. Estimasi karakteristik reservoir
 Temperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.
 pH fluida, yaitu dengan menggunakan dasar
kesetimbangan reaksi tertentu.
 Komposisi fluida, yaitu dengan mempertimbangkan
terbentuknya fraksi uap (y) dan fraksi air (x) saat boiling
terjadi.
 Temperatur, yaitu dengan menggunakan geotermometer.

73. Geotermometer
 Berdasarkan variasi kandungan beberapa unsur dalam
fluida panasbumi yang hadir sebagai fungsi dari
temperatur
 Unsur : terlarut, gas, isotop
 Data : mata air panas, data pemboran/sumur
 Kesalahan : 5 hingga 10oC
 Kelebihan entalpi dapat memberikan estimasi suhu
reservoir yang lebih tinggi
 Mengkombinasi beberapa perhitungan geotermometer

74. Geotermometer Unsur Terlarut
 Berdasarkan reaksi kesetimbangan kimia antara fluida
dan mineral
 Fluida panas bumi muncul ke permukaan dengan cepat
(> 2 kg/sec)
 Tidak ada mixing dengan fluida lain. Bila terjadi, mixing
harus dapat dihitung
 Tidak ada steam atau gas yang hilang
 Re-ekuilibrium fluida-mineral pada kondisi dingin (di
permukaan) berlangsung lambat, sehingga dapat
diabaikan
 Air Cl ber-pH netral

75. Geotermometer Unsur Terlarut
 Geotermometer Silika (SiO2)
 Geotermometer Kuarsa
 Geotermometer Kalsedon
 Geotermometer Kristobalit
 Geotermometer Opal CT
 Geotermometer Silika Amorf
 Geotermometer K-Na
 Geotermometer K-Mg
 Geotermometer K-Na-Mg
 Geotermometer K-Na-Ca
 Geotermometer Na-Li
 Geotermometer Silika (SiO2)
 Geotermometer Kuarsa
 Geotermometer K-Na
 Geotermometer K-Mg
 Geotermometer K-Na-Mg

76. Geotermometer Silika
 Fournier (1981, 1985)
 Reaksi dasar : SiO2 (s) + 2 H2O ↔ H2SiO4
 Berdasarkan solubilitas berbagai jenis silika yang
berbeda di air sebagai fungsi dari temperatur

78. Geotermometer Kuarsa
 Treservoir = 0 – 250°C
 Geotermometer kuarsa
 Adiabatik (max steam loss) : baik untuk data sumur dan
mataair dengan kondisi boiling dan kecepatan aliran tinggi
(> 2 kg/sec), disertai endapan sinter silika
 Konduktif (no steam loss) : baik untuk data mataair dengan
kondisi sub-boiling

79. Geotermometer Kuarsa
1. Kuarsa – no steam loss
1309
toC = -------------------- – 273
5.19 – log SiO2
t = 0 – 250oC
2. Kuarsa – max steam loss
1522
toC = -------------------- – 273
5.75 – log SiO2
t = 0 – 250oC

80. Geotermometer K-Na
 Fournier (1979), Giggenbach (1988)
 K+ + Na-feldspar ↔ K-feldspar + Na+
(albit) (adularia)
 Rasio Na/K berkurang dengan meningkatnya temperatur
fluida
 tres > 180oC hingga 350oC
 tres < 100oC, rasio Na/K tidak lagi mengontrol
kesetimbangan feldspar
 Tidak dipengaruhi oleh pelarutan (dilution) dan
hilangnya uap air

81. Geotermometer K-Mg
 Giggenbach (1988)
 0.8K-mika + 0.2klorit + 0.4silika + 2K+ 
2.8K-feldspar + 1.6H2O + Mg2+
 Dapat digunakan bila Na dan Ca terlarut dalam fluida
dan dalam batuan tidak setimbang
 tres = 50 - 300oC

82. Geotermometer K-Na-Mg
 Giggenbach (1988)
 K-Mg lebih cepat bereaksi, sehingga dapat digunakan
untuk menafsirkan suhu reservoar yang lebih rendah
 K-Mg lebih sensitif terhadap mixing air asam
 Baik digunakan untuk sampel yang tidak baik

83. Geotermometer K-Na, K-Mg, K-Na-Mg
1. Na-K (Fournier)
1271
toC = ------------------------- – 273
log (Na/K) + 1.483
t > 150oC
2. Na-K (Giggenbach)
1390
toC = ------------------------- – 273
log (Na/K) + 1.75
t > 150oC
3. K-Mg
4410
toC = ------------------------- – 273
14.0 – log (K2/Mg)
t > 150oC

84. Geotermometer K-Na-Mg

85. Geotermometer lain
 Geotermometer Gas
 Geotermometer Isotop

86. “The choice and interpretation of geothermometer data
are the art of the geochemist.”

87. Latihan 1
Tabel di bawah menunjukkan hasil analisa kimia air panas mata air panas A
pada tahun 1964 dan 1978. Kajilah, adakah perubahan yang ditunjukkan mata
air panas ini (tipe air, temperatur, dsb) yang dapat mengindikasikan perubahan
yang terjadi di bawah permukaan?
Lokasi toC pH Na K Ca Mg Cl SO4 HCO3 SiO2
mg/kg
Mataair A (1964) 95 8,0 820 59 23,7 0,32 1342 62 18 200
Mataair A (1978) 97 2,5 30 2 15,7 3,59 < 7 865 - 350