Tjahyo Nugroho Adji KARST RESEARCH GROUP GADJAH MADA UNIVERSITY INDONESIA

Transkripsi

1 Karst Hydrogeochemistry HIDROGEOKIMIA KARST Tjahyo Nugroho Adji KARST RESEARCH GROUP FAC. OF GEOGRAPHY GADJAH MADA UNIVERSITY INDONESIA

2 Interaksi udara-batu gamping-air air air hujan dari udara dan jatuh ke permukaan proses fisik dan kimia yang melibatkan unsur gas, cair dan padatan perpindahan massa antara udara, air, dan batuan

3 Dik l b i i b k b Dikenal sebagai sistem batuan karbonat dan disebut sistem CO 2 -H 2 O-CaCO 3

4 dikenal Karst Dinamic System (KDS) proses yang terjadi di interface/batas adalah transfer massa atau difusi proses kimia lebih dominan terjadi di air

5 1. ketika terjadi hujan, gas karbondioksida (CO2) di atmosfer masuk kk ke dalam air melalui l proses difusi i

6 2. air yang mengandung CO 2 bersenyawa membentuk asam karbonat (carbonic acid) ) dengan reaksi kimia CO 2 (di air) + H 2 O H 2 CO 3, dan dapat dikatakan bahwa gas karbondioksida larut dalam air

7 3. H 2 CO3 merupakan asam kuat, maka dapat mengalami dissociation (perpecahan) yaitu yang pertama H 2 CO HCO 3- + H + dan yang kedua adalah HCO CO 2- + H + 3 dengan proporsi p yang kecil dibawah ph 8,4 sehingga dapat diabaikan.

8 4. ketika air dan batuan karbonat berinteraksi, terjadi pelepasan p ion dan kemudian terjadi reaksi pelarutan karbonat CaCO Ca 2+ + CO - 3

9 5. CO 3- bergabung dengan ion H + yang lepas pada reaksi (3) sehingga CO 2- +H HCO - 3

10

11 SISTEM HIDROLOGI KARST

12

13 Karst Water Balance

14 QB = Qa + QI + Qd + QR - Qs QB= total output Qa = aliran permukaan non-karst (allogenic) QI = run-off dari internal karst Qd = infiltrasi yang bersifat diffuse QR= sungai permukaan dalam karst (autogenik) QS = simpanan di akuifer

15 QB = Qa + QI + Qd + QR -Qs QB= total output Qa = aliran permukaan non-karst (allogenic) QI = run-off dari internal karst Qd = infiltrasi yang bersifat diffuse QR= sungai permukaan QS = simpanan di akuifer

16 2 komponen utama airtanah karst

17 Conduit Flow

18

19

20 Epikarst sebagai tandon utama

21

22 Pelarutan Batuan Karbonat Secara umum, dari proses kimia diatas, tampak bahwa batuan gamping akan larut dalam air yang asam (H 2 CO 3 ) Air yang asam dalam hal ini adalah air yang undersaturated (meteoric water) thd. mineral gampingan (kalsit, dolomit, dll) Tingkat pelarutan turun secara drastis pada tingkat kejenuhan sekitar 65-90% (Fetter, 1994)

23 Laju pelarutan (g/dt/cm 2 ) Max Kejenuhan (%)

24

25 Faktor-faktornya 1. Kandungan CO 2 dan suhu dalam air

26 Gas CO 2 masuk ke air melalui interface udara-air air dan membentuk CO 2 di larutan CO 2 (gas) ===== CO 2 (aqeous) CO 2 terlarut kemudian bereaksi dengan air membentuk asam karbonat CO 2 (aqeous) + H 2 O ==== H 2 CO 3 Jika kita ingat Henry s Law, bahwa kemudahan larut gas karbondioksida di air akan sebanding dengan tekanan parsialnya dan berbanding terbalik dengan suhu, maka KCO 2 = [H 2 CO 3 ] /PCO 2 PCO 2 adalah tekanan parsial gas karbondioksida, sehingga konsentrasi CO 2 terlarut akan naik seiring dengan naiknya PCO 2 pada fase gas Akan tetapi, CO 2 terlarut dan PCO 2 akan turun seiring dengan naiknya temperatur

27 Henry s Law CO 2 + H 2 O ==== H 2 CO 3 KCO=[H 2 =[HCO 2 3 ]/PCO 2 [H 2 O] di air [H 2 O] = 1, diabaikan, sehingga [H 2 CO 3 ] = KCO 2.PCO 2 KCO 2 = [H 2 CO 3 ] / PCO (1) H 2 CO3 = PCO 2. KCO 2. (2)

28 H 2 CO 3 ===== HCO 3- + H + K 1 = [HCO 3- ] [H + ] / [H 2 CO 3 ].(3) Jika rumus 1 dikombinasikan dengan rumus 3 rumus untuk mencari K 1 diatas,maka tekanan parsiil gas karbondioksida k id : PCO 2 = [HCO 3- ] [H + ] / K 1 KCO 2 Secara teoritis maka tekanan parsiil gas karbondioksida adalah tekanan pada fase gas yang dianggap berada pada kondisi setimbang/equilibrium dengan sampel air yang dianalisis. Sehingga, tidak penting untuk mengetahui tekanan gas karbondioksida di udara pada saat sampel diambil

29 Sehingga, jika suhu air naik, maka tingkat pelarutan batuan karbonat akan turun, dan sebaliknya, karena : Ingat hukum Raoult-Dalton untuk kesetimbangan fase udara-fase air : C A =P A /(R.T) dimana C A = konsentrasi larutan P A = tekanan parsial gas di larutan R = universal gas constant T = suhu Sehingga, jika 1/RT dianggap sebagai Z A dimana Z A adalah koefisien fugasitas larutan pada fase udara, maka C A = P A. Z dan Z A A = 1/RT,, maka koefisien fugasitas A A A A /, g berbanding terbalik dengan suhu

30 CO 2 + H 2 O ==== H 2 CO 3 ekuilibriumnya : CC A = P A. Z A CO 3, H 2 CO 3 = PCO 2. KCO 2 Sehingga jelas bahwa konsentrasi H 2 CO 3 dalam air akan turun seiring dengan naiknya suhu, dan sebaliknya

31

32

33

34

35

36 2. ph

37

38 Berarti : semakin kecil ph, maka proses pelarutan akan semakin intensif Tetapi faktor ini tidak berdiri sendiri, karena juga berasoiasi dengan komponen lain seperti : Suhu CO 2 terlarut Asal air

39 3. Pengaruh dari ion lain Pada sistem KDS ion mayor selain Ca 2+ dan HCO - 3 biasanya juga terlarut dalam air, biasanya Mg 2+ punya proporsi yang cukup tinggi, sementara SO 2-4 biasanya kecil Ion alkali bahkan sering dijumpai pada sistem ini jika lokasinya dekat dengan laut atau danau yang asin di daerah arid Pengaruh ion-ion tersebut adalah terhadap kemudahan untuk melarutkan batuan gamping g (solubility)

40 Penambahan 0,1 % larutan NaCl (ion lain) meningkatkan pelarutan sebesar 10-20%

41 Contoh di alam

42 Penambahan ion sejenis menurunkan tingkat pelarutan

43 Hujan Menambah proses pelarutan Sandstone Presipitasi mineral 2 yg. mengandung CO 3- dan Ca 2+ 3 Cl-, Na +, K +, SO 2-4 NO 3-, Ca 2+, HCO 3 - Memperlambat Proses pelarutan Ca 2+ dan HCO 3- sudah jenuh dalam air dan memperlambat dissolution process

44 4. Mixing Teori percampuran p (mixing) pertama kali diperkenalkan oleh Bogli (1964) yaitu jika ada dua air karst yang sama-sama sudah jenuh terhadap kalsit, maka jika bercampur akan menghasilkan air yang agresif terhadap batuan gamping g Adanya tenaga mekanis karena ada dua air yang bercampur memiliki PCO 2 yang berbeda Contoh 1) air di gua dan 2)mixing dengan air laut

45 Mixing perkembangan gua sangat cepat pada zone sedikit dibawah muka air, dimana terjadi mixing antara air vadose yang jenuh CO 2 danairfreatikyangpunyaco 2 sedikit &sudah jenuh terhadap kalsit akan menghasilkan air yang agresif terhadap kalsit vadose (air perkolasi dari atas menuju muka air) air freatik (air pada zone jenuh air)

46 Mixing dengan air laut Garis A,B,dan C pada tekanan parsial CO 2 yang berbeda-beda

47 Tingkat pelarutan batuan karbonat Agresivitas airtanah karst : sifat mudah atau tidaknya air untuk melarutkan batuan karbonat Dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti yang sudah dijelaskan diatas Ingat konsep equilibrium reaksi kimia

48 Kandungan bikarbonat terlarut 1,9 39 3,9 Bereaksi cepat 5,8 7,0 7,8 8,0 8,1 8,16 Bereaksi lambat

49 Equilibrium

50 Pendekatan Kinetik Ingat hukum termodinamika Law of mass action bahwa tingkat reaksi akan sebanding terhadap konsentrasi efektif dari ion yang bereaksi A + 2B = C, maka rate = [A] [B] 2 atau rate = k [A] [B] 2

51 Konsentrasi aa + bb cc + dd A B C D Waktu Reaktan A dan B bereaksi menghasilkan produk C dan D Konsentrasi A dan B menurun sampai mencapai nilai yang tidak berubah menurut waktu Konsentrasi C dan D naik sampai mencapai nilai yang tidak berubah menurut waktu

52 Konsentrasi C D A B Waktu

53 Raksi tersebut berjalan terus sampai suatu ketika konsentrasi A, B, C, dan D mencapai konstant Jika kemudian rasio [C] c [D] d /[A] a [B] b diberi notasi K dan pada kondisi tersebut dinamakan equilibrium, maka K dikenal sebagai equilibrium i constant K = [C] c [D] d (produk) [A] a [B] b (reaktan) [ ] bisa mol/liter atau yang lain atau bisa pula besaran aktivitas ki i ion-nya nya

54 Equilibrium konstant bisa juga disebut sebagai rasio antara reaksi ke-kanan kanan (forward reaction) ) dan reaksi ke-kiri kiri (reverse reaction) Reaksi ke-kanan kanan (fr) = k2 [A] a [B] b Reaksi ke-kiri kiri (rr) = k1 [C] c [D] d Jika fr = rr, maka [C] c [D] d = k1 = K [A] a [B] b =k2 Angka K tergantung dari unit yang digunakan dan suhu air Nilai K untuk mineral-mineral yang mudah larut dikenal sebagai solubility product atau Ksp Biasa disajikan dalam nilai logaritma Ksp kalsit = 10-8,35 Ksp gipsum = 10-4,6 dst

55 Hubungan antara Aktivitas Konsentrasi Ion [Ca 2+ ] = aktivitas ion kalsium (Ca 2+ ) = konsentrasi ion kalsium (mmol/liter) Pada kenyataannya, konsentrasi efektif suatu ion di air berbeda dengan konsentrasi aktualnya, karena ada perbedaan jumlah valensi (+ atau -) Konsentrasi efektif dari suatu ion terlarut dikenal sebagai aktivitas ion Rasio antara aktivitas ion dan konsentrasi ion dikenal sebagai koefisien aktivitas (γ) (α) = γ. m, dimana γ = koefisien aktivitas m = konsentasi dalam molalitas

56 Debye-Huckle Theory Teori ini mengemukakan model bahwa koefisien aktivitas dari suatu ion dapat dihitung atas dasar efek dari interaksi ion-ion terlarut log γi = (-Azi 2. I) / (1+Ba o I) + bi dimana A = konstanta tergantung nilai suhu dan tekanan zi = valensi ion yang akan dicari I = kekuatan ion, dicari dengan rumus I = 1/2 Σ (mi.zi) 2, m = molalitas; z = valensi B = konstanta tergantung suhu dan tekanan ao= tetapan atas dasar experimen

57 Indeks kejenuhan (SI) terhadap mineral CaCO 3 Ingat bahwa rekasi proses pelarutan kalsit adalah : CaCO3 Ca 2+ + CO - 3 Jika kita sudah tahu koefisien aktivitas dari Ca 2+ dan CO 3-, ingat : [CO 3 ] =[HCO 3 ) K2 / [H + ] dan KSp kalsit pada 25 o C adalah , maka pada T larutan sampel dapat didekati dengan formula: ln KT2-ln KT1 = (H o R / R) (1/T1 1/T2), kemudian SI terhadap CaCO 3 dapat dicari, karena menurut Davis: SI kalsit = KIAP kalsit/ksp kalsit, sementara : KIAP kalsit = [CO 3 ] x [Ca 2+ ]

58

59 Klasifikasi Tingkat Pelarutan Dengan SI Fase Pelarutan atau Pengendapan terhadap Mineral Karbonat (CaCO 3 ) Nilai SI Klasifikasi Proses Hidrogeokimia Negatif (<0) Tidak jenuh (undersaturated) Masih mampu melarutkan kalsit 0 Seimbang (equilibrium) Setimbang Positif (>0) Jenuh (supersaturated) Mengkristal /membentuk padatan (solid)

60 Klasifikasi agresivitas menggunakan diagram agresivitas ii kimia i pada sistem ph T o C CCO CaCO 3 derajat keasaman-suhu-kesadahan Menghitung g selisih ph ( ph) dan selisih TAC ( TAC) tiap sampel searah aliran sungai bawah tanah TAC adalah nilai yang dimunculkan untuk mewakili kandungan CaCO 3 terlarut dengan asumsi bahwa 1 TAC = 10 mg/lt CaCO3

61

62 Kelas agresivitasnya Kelas 1 : saturated water (air jenuh) Kl Kelas 2 : moderately tl saturated td water (air (i agak kj jenuh) Kelas 3 : slightly saturated water (air sedikit jenuh) Kelas 4 : equilibriated i water (air setimbang) Kelas 5 : slightly aggressive water (air sedikit agresiv) Kelas 6 : moderately agresive water (air agak agresiv) Kelas 7 : aggressive water (air agresiv)

63

64

65 Analisis hidrokemograf

66

67 Analisis hidrograf pemisahan base flow sungai bawah tanah

68