LABORATORIUM SUMBERDAYA MINERAL JURUSAN TEKNIK GEOLOGI, FAKULTAS TEKNIK UGM UNIVERSITAS GADJAH MADA PETROLOGI BATUAN BEKU BAB – 2 Semester 2 Th 2008/2009 TEKTONIK LEMPENG DAN MAGMATISME Dr. Lucas Donny Setijadji (Modifikasi dari materi bahan ajar 2005/2006) 10 Maret 2009

Rock Cycle Lithification Deposition Transport Erosion Metamorphism Sediment Lithification Deposition Transport Sedimentary Rocks Erosion Metamorphism Weathering Igneous Rocks Metamorphic Rocks Crystallization Melting Magma

2.1. Struktur tubuh bumi: - Litosfer - Astenosfer - Mesosfer - Inti bumi

Proporsi berbagai jenis batuan di bumi igneous & metamorphic rocks = crystalline rocks

2.1.1. Litosfer (Lithosphere) : kaku (rigid) a. Kerak (crust) : di atas garis Mohorovisik - Benua (continental): 20-40 km - Samodra (oceanic): 0-10 km b. Mantel litosfer (Lithospheric mantle) / mantel di bawah kerak benua (subcontinental mantle) / mantel atas bagian atas / bagian bawah litosfer : Silikat padat di bawah Moho

2.1.2. Astenosfer (Asthenosphere): plastis (plastic) - Bagian mantel atas, di bawah mantel litosfer, bersifat plastis - Kedalaman: 100 – 250 km 2.1.3. Mesosfer (Mesosphere) - Mantel atas bagian bawah, di bawah astenosfer : ultramafik - Mantel bawah: 660 – 2900 km 2.1.4. Inti bumi (Core) - Luar (outer) : 2900 – 4980 km - Dalam (inner) : 4980 – 6370 km

Penampang struktur tubuh bumi (Schmincke, 2004)

2.1.1. Kerak Kerak benua bagian atas a. Kerak benua Kerak benua bagian atas Komposisi rata-rata lebih mendekati granodiorit daripada granit (kuarsa + fekdspar + mika + amfibol atau kuarsa + feldspar + amfibol) Komposisi kimia rata-rata SiO2 = 66,4 % (Pouldevaart, 1955 dalam Ringwood, 1975) Kerak benua bagian bawah (kondisi anhydrous) - Batuan metamorf fasies granulit asal batuan beku mafik (Ringwood, 1975) Kerak benua bagian bawah (kondisi hydrous) - Batuan metamorf fasies amfibolit asal batuan beku basalt.

- Batuan sedimen pelagik 2.1.1. Kerak b. Kerak samodra - Batuan sedimen pelagik - Batuan beku basalt, diabas, gabro

Mantel atas, kerak samodra dan benua (Drake et al., 1959) A. Fase awal, kerak benua mafik bagian bawah misal di daerah Amerika Utara B. Fase akhir, kerak benua bagian bawah mafik anhydrous termetamorfosa menjadi eklogit.

2.1.2. Mantel a. Mantel atas - Batuan ultramafik (silikat Mg + Fe3O4 + silikat hidrat) b. Mantel bawah (silikat Mg)

2.1.3. Inti bumi Siderofil (siderophile) : Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Au, Mo, W, Pt dialihtempatkan / emplacement ke mantel Unsur volatil (volatile) : Na, K, Zn, Pb dialihtempatkan ke mantel Fe tereduksi menjadi FeS (di dalam inti bumi) (Ringwood, 1975; Wilson, 1989; Charmichael et al., 1974)

2.2. Tektonik lempeng dan petrologi 2.2.1. Model sistem geologi berskala dunia: 1960: Tektonik lempeng berskala dunia, dihasilkan dari sebagian besar hasil studi geologi dasar samodra 2.2.2. Peranan teori tektonik lempeng Dapat meyakinkan adanya hubungan yang sangat erat antara tektonisme, magmatisme dan metamorfosa. Ketiganya berkaitan erat dengan energi panas di bumi.

2.2.2. Tipe tepi lempeng 1. Zona tepi lempeng divergen Daerah pemekaran, yang terus-menerus tumbuh Dua lempeng samodra yang bergerak saling menjauhi, satu dari yang lain Material baru yang datang dari mantel di bawahnya (magma), selalu ditambahkan pada daerah rekahan tersebut.

2. Zona tepi lempeng konvergen (konsumtif) Zona subduksi / penunjaman Busur tepi benua aktif (lempeng samodra menunjam di bawah lempeng benua) Busur kepulauan (lempeng samodra menunjam di bawah lempeng samodra)

3. Zona tepi lempeng pasif Zona sesar geser/transform Dua lempeng tersebut bergesekan secara horisontal, paralel terhadap batasnya, sehingga tidak akan ada penambahan material di zona tepi lempeng yang bersifat pasif tersebut.

Tektonik Lempeng Global dan Volkanisme (Schmincke, 2004)

2.2.3. Magma 1. Magma Lelehan batuan silikat panas yang terbentuk di alam, bersifat mobil, dapat mengandung material padat dan gas. Zat padat terdiri dari sisa batuan asal yang tidak ikut meleleh atau senolit (xenolith), sisa kristal yang tidak ikut meleleh atau senokris (xenocryst) dan kristal-kristal yang terbentuk oleh pembekuan magma (Jackson, 1982) Magma terbentuk oleh pelelehan sebagian (partial melting) batuan induk (parental rocks) di dalam mantel atau, dalam jumlah yang lebih sedikit, di bagian bawah kerak (lower crust) (Schmincke, 2004)

Bagaimana Magma Terbentuk? Pelelehan batuan dapat terjadi karena perubahan 3 parameter dasar: tekanan (P), temperatur (T) dan komposisi kimia (X), yaitu: Kenaikan temperatur T pada kondisi P dan X yang konstan (Increasing Temperature) Penurunan tekanan P pada T dan X yang konstan (Decompression) Perubahan X pada P dan T yang konstan (terutama penambahan fluida khususnya H2O dan CO2)

3 model pembentukan magma basalt dari pelelehan partial peridotit (Schmincke, 2004)

Figure 4.19

Decompression melting Figure 4.20

Lelehan magma yang mencapai permukaan bumi (Hughes, 1982) 2. Lava Lelehan magma yang mencapai permukaan bumi (Hughes, 1982) 3. Kandungan gas-berat, total gas: CO, CO2, H2S, SO2, H2, HCl, dll Contoh : Lava andesit Paricutin, Mexico: Fenokris mulai mengkristal pada suhu 1110OC ± 40OC ; H2O : 2,2 + 0,5 % (% berat) Ignimbrit : welding : H2O : ~ 4,0 % (% berat) Magma basalt : kandungan H2O awal : 0,25 – 0,9 % (% berat)

4. Kekentalan (komposisi, suhu dan kandungan gas) - Komposisi : SiO2 : >>> (kental) Tetrahedra silika (ikatan ion semakin kuat) - Suhu dan kandungan gas (H20) Contoh : Basalt (Hawai), magma terbentuk pada temperatur yang tinggi (1300-1400OC pada 104 P, 1110OC pada 105 P), kekentalan (viskositas) rendah Granit, magma terbentuk pada temperatur yang lebih rendah, yaitu 760-880OC pada 107 P (H2O 4 % berat) – 108 P (H2O 1,5 % berat) (Hughes, 1982; Charmical et al., 1979)

4. Kekentalan (viscosity) - Air : 10-2 poise (P) pada suhu kamar - Gliserin : 10 P - Pada suhu 1200OC, kondisi lelehan kering (tanpa air), P : 8 atm., - Magma : - basalt : ~ 500 P - andesit : ~ 3 x 104 P - riolit : ~ 107 P

2.2.4. Tempat terbentuknya magma 1. Zona subduksi (subduction zone) - Peleburan mantel atas / baji mantel (mantle wedge), mantel tersomatisasi - Pelelehan parsial kerak samudera (fasies amfibolit, eklogit) - Pelelehan parsial kerak benua bagian bawah (anateksis) 2. Zona tumbukan (collision zone) - Pelelehan parsial kerak benua bagian bawah (anateksis) - Pelelehan parsial kerak benua bagian tengah (anateksis)

Tempat terbentuknya magma (2) 3. Rekahan tengah samodra (mid oceanic rift) - Peleburan mantel atas 4. Rekahan tengah benua (intra continental rift) 5. Kepulauan tengah samudera (mid oceanic island) (Best, 1982; Wilson, 1989)

Gejala Tektonik Lempeng dalam Pembentukan Magma dan Batuan Beku

Lokasi-lokasi terbentuknya magma dalam konteks tektonik lempeng (Schmincke, 2004)

Perbandingan jumlah erupsi gunung api dan jumlah (volume) magma yang dikeluarkan per tahun dari berbagai lokasi pembentukan magma (Schmincke, 2004)

Partial Melting Incomplete melting of rocks is known as partial melting Formation of basaltic magmas Most originate from partial melting of ultramafic rock in the mantle at oceanic ridges Large outpourings of basaltic magma are common at Earth’s surface Formation of andesitic magmas Produced by interaction of basaltic magmas and more silica-rich rocks in the crust May also evolve by magmatic differentiation

Magma Source: Partial Melting Hypothetical Solid Rock: Intermediate Composition Melting Temp Mineral A (Mafic) 1200°C B (Int) 1000°C C (Felsic) 800°C Temperature = 500°C

Magma Source : Partial Melting Intermediate Magma (All Minerals Melt) Melting Temp Mineral A (Mafic) 1200°C B (Int) 1000°C C (Felsic) 800°C Temperature = 1400°C

Magma Source : Partial Melting Temp Mineral Magma A (Mafic) 1200°C B (Int) 1000°C C (Felsic) 800°C Temperature = 900°C

Felsic More Mafic A (Mafic) 1200°C B (Int) 1000°C C (Felsic) 800°C Magma Separates Melting Temp Mineral A (Mafic) 1200°C B (Int) 1000°C C (Felsic) 800°C More Mafic Remaining Rock: Magma Temperature = 900°C

Prinsip “Partial Melting” Partial Melting menghasilkan magma yang lebih asam (more felsic) daripada batuan induknya (the parent rock) Parental Rock Ultramafic Mafic Intermediate Felsic Magma from Partial Melting Mafic Intermediate Felsic (more) Felsic

Composition: Magma Source Mafic Intermediate Felsic Ultramafic mantle Source: Partial Melting of ultramafic mantle at Divergent Zones and…

Mafic Intermediate Felsic Composition: Magma Source Mafic Intermediate Felsic Source: Partial Melting of ultramafic mantle at Divergent Zones and … Hot Spots

Source: Partial Melting of mantle, ocean crust and continent at Composition: Magma Source Mafic Intermediate Felsic Source: Partial Melting of mantle, ocean crust and continent at Subduction Zones

Mafic Intermediate Felsic Composition: Magma Source Mafic Intermediate Felsic Source: Partial melting felsic continent above Hot Spots & Subduction Zones

2.2.5. Alihtempat dan proses kristalisasi magma Gerakan (migrasi) magma ke arah permukaan disebabkan oleh: 1. Tekanan gaya berat karena adanya perbedaan berat jenis 2. Perubahan volume karena adanya pengurangan tekanan 3. Tekanan horisontal oleh gerakan tektonik 4. Magmatic stoping

Magma Rises and Cools Extrusive (Volcanic) Surface Magma Chamber Intrusive (Plutonic)

Skema sistem magma dan volkano (Schmincke, 2004)

1. Tekanan gaya berat karena adanya perbedaan berat jenis Berat jenis magma selalu lebih kecil daripada berat jenis batuan asalnya -Granit, padat: 2,75 gr/cm3 (2000C);2,63 (10000C); 2,62 (11000C) -Gabro , padat: 3,00 gr/cm3 (2000C);2,92 (10000C); 2,91 (11000C) -Granit, lelehan:2,40 gr/cm3 (10000C);2,39 (11000C) -Gabro,lelehan: 2,75 gr/cm3 (10000C);2,74 (11000C)

Contoh: Berat jenis masa batuan setebal 70 km, yang berada di atas tubuh magma: 2,97 Berat jenis magma dari kedalaman 70 km sampai permukaan bumi: 2,74 Tekanan hidrostatika oleh masa batuan (P1): P1=70x2,97=207,90 Tekanan hidrostatika oleh tubuh magma (P2): P2=70x2,74=191,8 Oleh karena P1>P2, maka P1-P2: tekanan gayaberat, akan menyebabkan magma dapat bergerak ke atas hingga dapat mencapai permukaan bumi.

2. Perubahan volume oleh adanya pengurangan tekanan - Pada kedalaman 70 km, P= 20.000 atmosfer - Pada permukaan bumi, P= 1 atmosfer Sebagai akibatnya maka: Magma basalt akan bergerak menuju ke permukaan bumi Pembentukan gas di dalam magma basalt, yang berujud gelembung-gelembung gas. Apabila terjadi pembekuan, maka akan dihasilkan basalt skorian.

3. Tekanan horisontal oleh tektonik -Magma bergerak ke atas atau ke arah lateral Contoh: Magma bergerak sepanjang puncak antiklin atau lembah sinklin, hingga dapat terbentuk tubuh pakolit.

4. Magmatic stoping - Magma berkontak dengan batuan dinding - Penambahan material-material bongkah- batuan dinding akan menyebabkan terjadinya penambahan tekanan pada tubuh magma, sehingga akan ikut serta mempermudah gerakan magma ke atas.

Reservoir (Dapur) Magma Karena terjadi perbedaan densitas yang kontras antara bagian mantel dan kerak bumi, yaitu dari 3,3 ke sekitar 2,8 g/cm3 maka banyak magma yang tertahan di zona ini (disebut juga magma underplating) Karena proses geodinamik lainnya, sebagian magma akan naik ke dalam kerak dan berkumpul dalam dapur magma yang lebih dangkal (<10 km) Secara umum di dapur magma, magma berada dalam kondisi stagnan dan mendingin (mengkristal) secara perlahan

Proses Kristalisasi Magma Magma yang naik mendekati permukaan bumi biasanya mengalami berbagai ubahan kimia dan mineralogi melalui proses-proses yang disebut diferensiasi, yang menghasilkan bermacam-macam batuan beku dengan komposisi kimia yang berbeda-beda Komposisi asal magma disebut sebagai magma induk atau ‘Parental Magma’ atau ‘Primitive Magma’ Diferensiasi (Differentiation): proses-proses yang menghasilkan magma turunan (derivative magmas) yang berbeda komposisi kimia dan mineralogi dari Primitive Parental Magma Secara umum diferensiasi dianggap terjadi dalam reservoir magma di dalam kerak (kedalaman < 10km), di mana magma dalam kondisi stagnan, mendingin secara perlahan dan mengkristal Proses diferensiasi yang paling penting adalah Kristalisasi Fraksinasi (fractional crystallization). Proses lainnya antara lain asimilasi.

Evolution of magmas Observation: A single volcano may extrude lavas with different compositions The change in composition can occur during a single eruption.

Figure 4.24

Palisades Intrusion

Kristalisasi fraksinasi (fractional crystallization) 1. Kristal-kristal (terbentuk awal) dapat bertahan dengan sempurna (dipertahankan kesetimbangan-nya dengan lelehan asal mereka tumbuh) atau sebagian bereaksi dengan lelehan magma; komposisi lelehan akhir berbeda dengan lelehan semula (Charmical et al., 1971; Ehlers dan Blat, 1981) 2. Magma mengkristal pada suatu kisaran suhu, sehingga suhu berbagai mineral berbeda-beda. Dihasilkan beberapa tipe mineral, tipe-tipe mineral yang berbeda mempunyai komposisi dan struktur ion yang berbeda pula 3. Komposisi mineral dapat berubah terus-menerus karena terjadi reaksi dengan magma, terutama apabila mineral-mineral tersebut tidak berpindah tempat 4. Fraksinasi tergantung kepada reaksi tidak sempurna atau sama sekali tidak ada reaksi antara magma dengan kristal-kristal yang dihasilkan. 5. Konsep tersebut dapat dipakai untuk mendeskripsi presipitasi kristal secara berurutan (sequential). 6. Pemikiran awal: magma induk tunggal, basalt. 7. Sekarang diketahui bahwa semua batuan beku tidak hanya berasal dari hasil diferensiasi magma basalt 8. Reaksi antara kristal dengan lelehan magma hanya terjadi pada bagian- bagian tertentu (tidak seluruh kristal terdahulu habis bereaksi dengan magma, pada saat kristal berikutnya mulai terbentuk).

Kristalisasi fraksinasi (fractional crystallization) 9. Mineral dapat saling bersimpati (berasosiasi), namun adapula yang saling berantipati. 10. Tipe mineral bersimpati (berasosiasi), berasal dari magma yang berkomposisi sama, dan terbentuk pada kisaran suhu yang sama. Contoh: 1. kuarsa-K feldspar-plagioklas-biotit 2. plagioklas-hornblenda-biotit 3. plagioklas-piroksen-olivin 11. Tipe mineral berantipati, berasal dari generasi magma yang berbeda, dan terbentuk pada kisaran suhu yang berlainan. 1. kuarsa-olivin 2. kuarsa-feldspatoid 3. K feldspar-olivin

Reaksi antara kristal dengan lelehan magma - Secara teoritis pada suhu yang lebih rendah sebagian kristal olivin tersebut dapat habis bereaksi dengan silika, untuk membentuk piroksen. Adapun reaksinya adalah sebagai berikut: Olivin + silika —> piroksen (Mg,Fe)2SiO4 + SiO2 —> 2(Mg,Fe)SiO2

Reaksi antara kristal dengan lelehan magma Faktor penghalang reaksi antara kristal dengan lelehan magma: 1. Penurunan kristal, berlangsung efektif pada awal kristalisasi, yang berkaitan erat dengan pengaruh gaya berat. Contoh: Olivin terpisah dari lelehan magma basalt, karena pengaruh gaya berat. 2. Kristal-kristal yang lebih ringan akan mengapung di bagian atas dapur magma. 3. Komposisi kristal-kristal yang terbentuk tidak akan serupa dengan magma aslinya, sehingga akan terjadi perubahan komposisi magma aslinya.

Faktor lain sebagai penghalang reaksi antara kristal dengan lelehan magma: 2. Filter pressing, berlangsung efektif pada akhir kristalisasi, pada sat terjadi pemisahan magma dari jaringan jala-jala kristal. Pemisahan (segregasi) lelehan magma akhir yang bersifat asam, yang terbentuk sesudah kristalisasi olivin, piroksen, dan plagioklas. Pemisahan magma tersebut dapat berlangsung karena kristal-kristal yang lebih berat cenderung untuk terkompaksi, sehingga akan dapat mendesak keluar lelehan magma yang lebih ringan yang berada di dalam jala-jala kristal tersebut (Jackson, 1970; Ehler dan Blat, 1981; Best, 1982).

Bowen’s reaction series Minerals crystallize in a systematic fashion based on their melting points During crystallization, the composition of the liquid magma continually changes Early crystals consume Mg, Fe, and Ca, but less SiO2 Late (cool) crystals are enriched in Na, K, and SiO2 Minerals that remain in contact with the magma can evolve into the next mineral in the sequence

Bowen’s reaction series

2. Asimilasi Perubahan komposisi magma,sebagai akibat adanya reaksi antara magma dengan batuan dinding yang berkomposisi berbeda. 3. Percampuran magma induk Magma intermediate, misal andesit sebagai hasil percampuran antara magma basalt dengan riolit.

Asimilasi dan percampuran magma induk (magma mixing) Figure 4.25

4. Lelehan tidak dapat bercampur 4.1. Peristiwa pemisahan suatu lelehan menjadi dua lelehan yang secara fisik terpisah satu dari yang lain, seperti halnya minyak dengan air. 4.2. Contoh, pemisahan lelehan sulfida yang menghasilkan mineral-mineral logam sulfida maupun lelehan kaya karbonat dari magma basalt, yang menghasilkan batuan beku karbonatit.

5. Aliran gas 5.1. Volatil yang terperangkap di dalam magma dapat mengalir dari dapur magma ke tempat lain, kemudian berkumpul menjadi kumpulan gas yang semakin banyak. 5.2. Sebagai akibatnya akan terjadi perubahan komposisi magma, dan di tempat yang dalam (P tinggi), akan mengontrol kristalisasi fraksinasi (Jackson, 1970).

2.2.6. Asosiasi batuan pada tepi lempeng tektonik 1. Lempeng divergen (zona rekahan tengah samodra/ mid oceanic rift) - Peleburan mantel atas, menghasilkan magma basalt. - Lava basalt di permukaan bumi, pada kerak samodra. - Gabro di dalam kerak samodra, di tempat yang dalam. - Di bawah gabro adalah batuan mantel atas yang berujud batuan ultramafik (Best, 1982).

Ultramafic mantle

2. Lempeng konvergen (zona penunjaman/ subduction zone) 2.1. Zona di dekat palung - Proses alihtempat batuan-batuan yang berasal dari lempeng samodra, benua, termasuk lempeng samodra purba. - Asosiasi batuannya termasuk ke dalam melans tektonik, yang terdiri dari ofiolit (urutan batuan ultramafik, basalt, dan batuan sedimen pelagik) serta sekis glaukofan (sekis biru).

2. Lempeng konvergen (zona penunjaman/ subduction zone) - Penunjaman lempeng samodra dingin termetamorfosakan ke dalam mantel yang lebih panas. - Penyerapan energi panas dan dehidrasi kerak samodra termetamorfosakan yang basah. - Magma basalt panas hydrous, hasil pelelehan parsial kerak samodra termetamorfosakan di zona gesekan dengan mantel atas.

3. Lempeng konvergen (zona penunjaman/ subduction zone) 3.1. Busur tepi benua aktif - Batuan-batuan gunungapi, pada umumnya berkomposisi andesit, dasit, dan riolit. - Contoh: Sumatra 3.2. Busur kepulauan - Batuan-batuan gunungapi, pada umumnya berkomposisi basalt sampai andesit. - Contoh: Jawa bagian timur, Nusa Tenggara

Geologic Background Western Indonesia Japan Philippines Metallic mineral deposits I N D O N E S I A Volcanoes Sunda-Banda Arc

Kondisi Subduksi di Sepanjang Sunda Trench 73

Continental Vs. Oceanic Basements di Sumatra dan Jawa (Gambar dari Metchalfe, 2006) 74

3.3. Kerak benua - Magma basalt mengalami percampuran dan kontaminasi dengan material kerak benua, serta diferensiasi. - Magma berkomposisi basalt sampai granit. - Batuannya dapat terdiri dari gabro, diorit, granodiorit, dan granit.

4. Lempeng konvergen (zona tumbukan/collision zone) - Penebalan kerak benua, misal di Sulawesi Tengah, pada Neogen. - Pelelehan parsial di kerak benua bagian tengah (anateksis) sebagai akibat adanya peningkatan gradien panas bumi. - Magma yang dihasilkan adalah granitoid. - Asosiasi batuannya meliputi migmatit, granit, granodiorit, tonalit (Best, 1982; Widiasmoro et al., 1997).

5. Zona rekahan samodra (pasif), kepulauan samodra, misal Hawaii - Magma berasal dari peleburan mantel atas. - Batuannya adalah basalt. 6. Zona rekahan benua (pasif), misal zona rekahan Afrika Timur - Magma berasal dari peleburan mantel atas - Batuannya terdiri dari basalt sampai riolit.

Fine Grained Coarse Grained Pertemuan berikutnya: model pembekuan batuan beku, klasifikasi dan volkanisme Fine Grained Coarse Grained