Waktu Geologi: Umur Absolute

Umur bumi yang dinyatakan dalam satuan waktu, ditentukan dengan melakukan perhitungan alamiah dinamakan umur absolut.Untuk mengetahui umur bumi yang sebenarnya, orang mencoba menghitung waktu yang dibutuhkan untuk mengendapkan satu lapisan batuan sedimen.
Dengan mengukur tebal lapisan dan kecepatan pengendapan, maka dapat dihititung waktu yang diperlukan untuk mengendapkan lapisan tersebut. Namun hasilnya masih belum memadai, karena sedimen yang diukur telah mengalami berbagai proses geologi, misalnya telah terjadi kompaksi.

Kemudian Edmund Halley, pada tahun 1715 berpikir, dengan menghitung waktu yang dibutuhkan untuk “menggarami” laut sampai mempunyai salinitas seperti saat ini. Pemikiran ini baru dilakukan oleh John Joly pada 1889. Ia mengukur kadar garam di sungai dan di laut, kemudian menghitung waktu yang diperlukan. Dan waktu yang dibutuhkan identik dengan umur bumi. Metoda inipun masih lemah, karena tidak mencermin kan semua laut di bumi, juga garam yang terlarut dalam air laut tidak hanya berasal dari sungai-sungai saja, tetapi juga dari gunung mineral-mineral evaporit. Masih ada pemikiran yang lebih menarik, yakni dengan menghitung kecepatan pendinginan bumi oleh Lord Kelvin, seorang fisikawan.

Berdasarkan anggapan bahwa bumi semula merupakan suatu bulatan pijar yang sekarang telah mendingin secara pelahan-lahan dan membentuk kerak bumi di permukaannya, sedangkan intinya masih pijar. Akan tetapi pada saat itu, tahun 1896, belum diketahui adanya radio aktifitas, yang memancarkan panas secara kontinyu dan memanaskan dalaman bumi. Sehingga yang seharusnya mendingin dengan cepat, dalaman bumi mendingin lambat sekali. Bahkan bersuhu hampir tetap selama ratusan juta tahun. Penambahan panas radio aktif ini tidak diperhitungkannya, mengakibatkan  hasil perhitungan umur bumi masih belum akurat. Jadi untuk menghitung umur bumi yang tepat diperlukan suatu proses yang berlangsung menerus, tidak terjadi proses balik, tidak terpengaruh proses lain dan daur lain, dan meninggalkan jejak (record) yang menerus (tidak ada gap). Diketemukannya unsur-unsur radio aktif, yang meluruh secara tetap oleh Marie Curie, merupakan metoda yang dibutuhkan untuk menyelesaikan masalah umur bumi pada masa kini.
Isotop dan Penentuan umur absolout

Dalam fisika dan kimia telah dipelajari bahwa nomor atom unsur tertentu merupakan jumlah proton dalam inti atom unsur tersebut dan tidak berubah-ubah. Sedangkan inti atom terdiri dari neutron yang jumlahnya dapat bervariasi tanpa mengubah jumlah proton. Misalnya unsur karbon, terdiri dari 6 proton, tetapi dapat disertai oleh 6,7 atau 8 neutron. Atom suatu unsur yang mengandung jumlah neutron yang berbeda-beda disebut isotop. Suatu isotop dikenali dari nomor massanya, yang merupakan jumlah neutron dan protonnya. Contoh diatas, carbon mempunyai 3 nomor massa 12, 13 dan 14, ditulis seperti 12C, 13C dan 14C.

Umumnya unsur kimia merupakan gabungan beberapa isotop. Pada umumnya isotop-isotop unsur kimia di bumi bersifat stabil, cenderung tidak berubah. Akan tetapi ada beberapa yang tidak stabil, misalnya
Karbon empat belas  (14C) bersifat rarioaktif, sebab intinya tidak stabil. Ketidak stabilan inti isotop disebabkan oleh karena keragaman nomor massa ada batasnya. Inti isotop radioaktif akan berubah secara spontan menjadi isotop yang lebih stabil dari unsur kimia yang sama atau isotop unsur kimia yang lain.

Proses perubahan ini disebut peluruhan (decay), contohnya 14C meluruh menjadi 14N dan 238U menjadi 206Pb. Isotop semula sebelum meluruh, 14C dan 238U dinamakan parents, sedangkan hasil peluruhan, 14N dan 206Pb disebut daughter.

Ada tiga cara peluruhan unsur radioaktif :

1. Dengan memancarkan partikel b, dalam hal ini nomor massa tetap, tetapi nomor atomnya bertambah satu.
2. Dengan menangkap partikel  b, nomor atom berkurang satu, nomor massanya tetap.
3. Dengan memancarkan partikel a, yang terdiri dari 2 proton dan 2 neutron (2p +2n); hilangnya partikel a, mengakibatkan nomor massa berkurang empat dan nomor atom dua.

Peluruhan radioaktif dapat juga disertai radiasi sinar elektromagnitik, disebut sinar g , tetapi tidak mempengaruhi nomor massa dan nomor atomnya. Kecepatan peluruhan isotop tidak sama, banyak isotop radioaktif yang pernah ada di bumi tetapi sekarang sudah punah karena meluruh dengan cepat. Beberapa isotop radioaktif yang peluruhannya lambat masih ada. Percobaan di laboratotium membuktikan bahwa kecepatan peluruhan tidak terpengaruh oleh perubahan kondisi kimia atau fisika. Jadi kecepatan peluruhan suatu isotop di selubung (mantle) atau magma, sama seperti dalam batuan sedimen. Atau dapat dikatakan bahwa kecepatan peluruhan tidak terpengaruh oleh proses geologi. Hal ini penting artinya bagi penentuan umur absolut.

Peluruhan setiap unsur radioaktif mempunyai waktu tertentu yang dapat diukur, dan mengikuti hukum dasar fisika: banyaknya bagian parent atoms yang meluruh dalam setiap satuan waktu adalah sama. Jumlah parent atoms yang meluruh turun secara kontinu sedangkan jumlah daughter atoms naik secara kontinu pula.

Waktu paruh (half life)

Dalam fisika dan kimia telah dipelajari bahwa nomor atom unsur tertentu merupakan jumlah proton dalam inti atom unsur tersebut dan tidak berubah-ubah. Sedangkan inti atom terdiri dari neutron yang jumlahnya dapat bervariasi tanpa mengubah jumlah proton. Misalnya unsur karbon, terdiri dari 6 proton, tetapi dapat disertai oleh 6,7 atau 8 neutron. Atom suatu unsur yang mengandung jumlah neutron yang berbeda-beda disebut isotop. Suatu isotop dikenali dari nomor massanya, yang merupakan jumlah neutron dan protonnya. Contoh diatas, carbon mempunyai 3 nomor massa 12, 13 dan 14, ditulis seperti ¹²C, ¹³C dan ¹⁴C.  api bawah laut

 

Umumnya unsur kimia merupakan gabungan beberapa isotop. Pada umumnya isotop-isotop unsur kimia di bumi bersifat stabil, cenderung tidak berubah. Akan tetapi ada beberapa yang tidak stabil, misalnya Karbon empat belas  (¹⁴C) bersifat rarioaktif, sebab intinya tidak stabil. Ketidak stabilan inti isotop disebabkan oleh karena keragaman nomor massa ada batasnya. Inti isotop radioaktif akan berubah secara spontan menjadi isotop yang lebih stabil dari unsur kimia yang sama atau isotop unsur kimia yang lain. 
 

Proses perubahan ini disebut peluruhan (decay), contohnya ¹⁴C meluruh menjadi ¹⁴N dan ²³⁸U menjadi ²⁰⁶Pb. Isotop semula sebelum meluruh, ¹⁴C dan ²³⁸U dinamakan parents, sedangkan hasil peluruhan, ¹⁴N dan ²⁰⁶Pb disebut daughter.

Ada tiga cara peluruhan unsur radioaktif : 

1. Dengan memancarkan partikel b, dalam hal ini nomor massa tetap, tetapi nomor atomnya bertambah satu.
2. Dengan menangkap partikel  b, nomor atom berkurang satu, nomor massanya tetap.
3. Dengan memancarkan partikel a, yang terdiri dari 2 proton dan 2 neutron (2p +2n); hilangnya partikel a, mengakibatkan nomor massa berkurang empat dan nomor atom dua.

Peluruhan radioaktif dapat juga disertai radiasi sinar elektromagnitik, disebut sinar g , tetapi tidak mempengaruhi nomor massa dan nomor atomnya. Kecepatan peluruhan isotop tidak sama, banyak isotop radioaktif yang pernah ada di bumi tetapi sekarang sudah punah karena meluruh dengan cepat. Beberapa isotop radioaktif yang peluruhannya lambat masih ada. Percobaan di laboratotium membuktikan bahwa kecepatan peluruhan tidak terpengaruh oleh perubahan kondisi kimia atau fisika. Jadi kecepatan peluruhan suatu isotop di selubung (mantle) atau magma, sama seperti dalam batuan sedimen. Atau dapat dikatakan bahwa kecepatan peluruhan tidak terpengaruh oleh proses geologi. Hal ini penting artinya bagi penentuan umur absolut. 

Peluruhan setiap unsur radioaktif mempunyai waktu tertentu yang dapat diukur, dan mengikuti hukum dasar fisika: banyaknya bagian parent atoms yang meluruh dalam setiap satuan waktu adalah sama. Jumlah parent atoms yang meluruh turun secara kontinu sedangkan jumlah daughter atoms naik secara kontinu pula.

Waktu paruh (half life)

 

Kcepatan peluruhan unsur radioaktif dinyatakan dalam waktu paruh (half life), yang artinya waktu yang dibutuhkan untuk meluruhkan sejumlah panrent atoms menjadi setengahnya. Sebagai gambaran, misalnya waktu paruh suatu isotop radioaktif adalah satu jam, dan dimulai dengan 1000 atom (N₀). Setelah satu jam maka tersisa 500 parent atoms (N_p) dan terbentuk 500 daughter atoms (N_d).

Maka  N_p + N_d = N_{0 .}

Pentarikhan Kalium-Argon (⁴⁰K/⁴⁰Ar)

Sebagai gambaran penentuan umur dapat dilakukan terhadap mineral, dipilih isotop radio aktif alamiah kalium-40 (⁴⁰K). Kalium mempunyai 3 isotop, ³⁹K, ⁴⁰K dan ⁴¹K, tetapi hanya ⁴⁰K yang bersifat radio aktif dan mempunyai waktu paruh 1.3 . 10⁹ tahun.

Isotop kalium meluruh dengan dua cara berbeda, 12% darinya menjadi  gas argon (Ar) dan sisanya 88% menjadi kalsium (Ca), dengan persamaan:  

⁴⁰K + b ® ⁴⁰Ar  dan  ⁴⁰K ® ⁴⁰Ca + b

Perbandingan persentasi ini tidak terpengaruh oleh perubahan kondisi kimia atau fisika, yang berarti tidak terpengaruh juga oleh proses geologi, jadi akan selalu tetap, 12 berbanding 88.

Pada saat mineral yang mengandung kalium mengkristal dari magma atau berkembang pada batuan metamorf, termasuk ⁴⁰K, didalam struktur kristalnya. Sejak mineral terbentuk, saat itu pula mulai terakumulasi ⁴⁰Ar dan ⁴⁰Ca didalam mineral. Karena perbandingan ⁴⁰Ar dan ⁴⁰Ca selalu tetap, maka untuk mengetahui berapa banyak ⁴⁰K yang meluruh, dapat dipilih salah satu saja yang diukur. Isotop argon lebih baik, karena merupakan unsur yang properti atomnya berbeda dari lainnya.

Selain itu juga argon tidak membentuk ikatan kimia dengan unsur lainnya, sehingga terdapat sebagai argon bebas yang terperangkap dalam kristal. Jadi argon yang terukur adalah seluruhnya hasil peluruhan.

Kelebihan lainnya adalah pada suhu tinggi argon akan keluar dari kristal, tetapi pada suhu rendah ia akan tetap terperangkap. Artinya, argon yang diukur, hanya yang terbentuk dan terakumulasi sejak pembentukan mineralnya. Walaupun dalam magma terdapat ⁴⁰K yang menghasilkan ⁴⁰Ar, tetapi suhunya masih sangat tinggi, dan Ar tidak terperangkap dan keluar. Semua atom ⁴⁰Ar dalam mineral yang mengandung kalium pada batuan ekstrusif seperti diorit atau andesit  haruslah berasal dari ⁴⁰K yang terakumulasi sejak suhunya rendah. Batuan ekstrusif mendingin dengan cepat, maka waktu ekstrusi sama dengan saat terperangkapnya argon.  

Dengan mengetahui jumlah ⁴⁰K dan ⁴⁰Ar serta waktu paruhnya, maka dapat dihitung waktu peluruhan, yang identik dengan umur batuannya.

Untuk menghitung umurnya dipergunakan rumus :

         N_p

                ¾¾  = ( 1 - l )^y

          N_o

(  N_o = N_p + N_d  )

 

Contoh perhitungan :

Analisis kimia mineral kalium felspar dari batuan piroklastik memperlihatkan bahwa setiap 20.000 parent atom ⁴⁰K ada 1200 atom ⁴⁰Ar . Perbandingan Ar/Ca tetap, jadi atom ⁴⁰Ca ada 8800.

Maka       N_d = 1200 + 8800 = 10.000 dan

                N_o = 20.000 + 10.000 = 30.000

dimana:   l = konstanta peluruhan, bagian dari parent atom yang meluruh tiap satuan waktu, disederhanakan menjadi 0.5

                 y  =  banyaknya satuan waktu

Dari rumus diatas, maka

20000 / 30000 = ( 1 - 0.5)^y

dimasukkan ke logaritma maka

             log 30.000 - log 20.000 = 0.3 y

            atau  y = 0.587

yang berarti felspar terbentuk 0.587 waktu paruh yang lalu.

Jadi umur batuan piroklastik tersebut adalah :

0.587 x  1300 10⁶  tahun atau 760 juta tahun

 

Selain kalium-argon ada beberapa isotop lain yang dipergunakan pada pentarikhan radio aktif. Setiap isotop mempunyai kisaran efektif tertentu. Diluar kisarannya penentuannya tidak akan akurat lagi. Dengan bantuan analisis umur relatif dapat ditentukan kisaran umurnya, dan dipilih isotop mana yang paling sesuai, sebagai terlihat dalam tabel 8.1 dan tabel 8.2. Selain metoda radioaktif, masih ada metoda-metoda lainnya yang juga dapat dipergunakan untuk menentukan umur absolut, Thermal Luminescens, Infra Red Oscilation Optic Luminescens, Electron Spib Resonance, Fission Track dan Asam Amino.