Soil Science Dwi Priyo Ariyanto 2009 Soil Physic and Conservation Laboratory Department Soil Science Faculty of Agriculture Sebelas Maret University 2009

Kuliah dilaksanakan mengacu KBK Materi Kompetisi Dasar (KD) mengenai Kerusakan dan Erosi Tanah Penilaian didasarkan pada pengetahuan, ketrampilan, dan perilaku/etika selama perkuliahan dan tugas kelompok dan individu (quiz atau ujian KD) yang diberikan Toleransi (bukan batas akhir) masuk perkuliahan 15 menit (7.10) Selama kuliah tidak diperkenankan: menggunakan kaos dan sandal SMS maupun telepon selama kuliah, kecuali darurat Masuk kelas melewati batas toleransi

REFERENSI Dasar-dasar Ilmu Tanah. Henry D. Foth. Dasar-dasar Ilmu Tanah. Sutanto. Internet

BAB IV. MINERALOGI & PELAPUKAN BAHAN INDUK

Lapisan 14 Lempeng bumi

INTERIOR STRUCTURE OF THE EARTH

Unsur Bumi 8-35 km crust % bobot dalam kerak O = 49.2 Si = 25.7 Al = 7.5 Fe = 4.7 Ca = 3.4 Na = 2.6 K = 2.4 Mg = 1.9 lainnya = 2.6 82.4% Geotechnical engineers are interested mainly in the top 100 metres of the earth crust. As you can see from the table, 82% of the elements are oxygen, silicon and aluminium. 12500 km dia

What is a mineral ? Suatu zat padat alami yang mempunyai struktur internal dan komposisi atom kimia eg QUARTZ, EMERALDS, ETC Mineral : - naturally forming - inorganic - crystalline solid - known chemical composition - known physical properties

Mineralogi Bahan Induk Mineral Primer: Mineral penyusun batuan dg ukuran debu/pasir (0,002 – 1,00 mm). Misal: feldspar, amfibol, piroksin, kuarsa dll., Mineral Sekunder: Hasil pelapukan Mineral primer secara fisik, kimia & biologi membentuk koloid dg ukuran < 0,002 mm & bersifat aktif. Misal: lempung kaolinit, montmorilonit, illit, mika & limonit, Mineral Asesoria: Mineral yg tahan pelapukan & bergabung dg kuarsa atau campuran bermacam mineral. Ex. apatit, magnetit, zircon & pirit. Strengite FePO4.2H2O

Golongan Mineral bukan Silikat: Oksida-oksida, hidroksida-hidroksida, sulfat, klorida, karbonat dan fosfat dengan struktur yang sederhana Golongan Mineral Silikat: Mempunyai struktur yg komplek dg satuan utamanya (A) “silica-oksigen tetrahedron” 1 ion Si dikelilingi oleh 4 ion oksigen. Yang penting dalam struktur tetrahedron ini adalah penggantian ion Si oleh Al yang disebut “pergantian isomorfik” yg menyebabkan ketidakseimbangan muatan listrik yg akan mengikat Na, K, Mg & Fe. Satuan lain (B) adalah “alumunium hidrolsil octahedron” yg tersusun 1 ion A; dikelilingi oleh grup hidroksil (OH)

Atomic Structure

Struktur Dasar aluminium or magnesium hydroxyl or oxygen oxygen Silicon 0.29 nm aluminium or magnesium hydroxyl or oxygen oxygen silicon All clay minerals are made of two distinct building blocks: tetrahedrons and octahedrons. The tetrahedron on the left has oxygen atoms at the corners, and there is a silicon in the centre. Octahedron has six oxygen or hydroxyl atoms in the corners, and an aluminium or magnesium ion at the centre. 0.26 nm Silicon tetrahedron Aluminium Octahedron

2- 4+ 4+ 2- 2- 3+ 3+ 2- SILIKAT-TETRAHEDRAL O 2- Si 4+ O 2- Si 4+ SILIKAT-TETRAHEDRAL TERDIRI 1 ATOM Si DIKELILINGI 4 ATOM O O 2- Al 3+ OH- O 2- Al 3+ OH- ALUMINIUM-OKTAHEDRAL TERDIRI 1 ATOM Al DIKELILINGI 6 ATOM OH ATAU HIDROKSIL

Lembar Tetrahedral Several tetrahedrons joined together form a tetrahedral sheet. tetrahedron Here is a tetrahedral sheet, formed by connecting several tetrahedons. Note the hexagonal holes in the sheets. hexagonal hole

Lembar Tetrahedral & Octahedral For simplicity, let’s represent silica tetrahedral sheet by: Si and alumina octahedral sheet by: The green and yellow blocks represent the tetrahedra and octahedra sheets respectively. The octahedral sheet containing aluminium is also called gibbsite. Sometimes, Al3+ ions are substituted by Mg2+ and the octahedral sheet is called brucite. Al

Different Clay Minerals Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals: 1:1 Clay Mineral (e.g., kaolinite, halloysite): All clay mineral are made of different combinations of the above two sheets: tetrahedral sheet and octahedral sheet.

Different Clay Minerals Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals: 2:1 Clay Mineral (e.g., montmorillonite, illite)

Kaolinite 0.72 nm Al Si Typically 70-100 layers Al Si Al Kaolinite is used for making paper, paint and in pharmaceutical industry. A nanometer is 10-9 metres. joined by strong H-bond no easy separation Si Al joined by oxygen sharing Si Al

Kaolinite used in paints, paper and in pottery and pharmaceutical industries (OH)8Al4Si4O10 Halloysite kaolinite family; hydrated and tubular structure (OH)8Al4Si4O10.4H2O

easily separated by water Montmorillonite disebut juga smectite; mengembang jika basah Si Al Si Al 0.96 nm easily separated by water joined by weak van der Waal’s bond Si Al

Montmorillonite Bentonite A highly reactive (expansive) clay swells on contact with water (OH)4Al4Si8O20.nH2O Bentonite high affinity to water montmorillonite family used as drilling mud, in slurry trench walls, stopping leaks

fit into the hexagonal holes in Si-sheet Illite Si Al joined by K+ ions 0.96 nm Si Al fit into the hexagonal holes in Si-sheet Si Al

Others… Chlorite Vermiculite Attapulgite A 2:1:1 (???) mineral. Si Al Al or Mg Vermiculite montmorillonite family; 2 interlayers of water Attapulgite has no sheets. It has a chain structure, and therefore looks like rods or needles. Attapulgite chain structure (no sheets); needle-like appearance

Silika Oksigen tetrahedron tunggal Struktur Rantai Silika Oksigen tetrahedron O O Al Mg Al-oktahedron (dioktahedron) Mg-oktahedron (trioktahedron)

Formasi Batuan Batuan Induk Tanah Residu Tanah Terangkut ~ pelapukan in situ (secara fisika & kimia) batuan induk ~ pelapukan dan terangkut sangat jauh oleh angin, air, dn es.

Batuan induk ~ formed by one of these three different processes sedimen beku metamorphic formed by gradual deposition, and in layers formed by cooling of molten magma (lava) formed by alteration of igneous & sedimentary rocks by pressure/temperature e.g., limestone, shale e.g., granite e.g., marble

Residual Soils Formed by in situ weathering of parent rock

Transported Soils Dipindahkan oleh: Nama: Laut (air asin) “Marine” angin “Aeolian” Laut (air asin) “Marine” Danau (air tawar) “Lacustrine” sungai “Alluvial” es “Glacial”

Batuan dibedakan menjadi : MAKIN MASAM -– INTERMIDIER -– MAKIN ALKALIS Batuan Beku ~ terbentuk karena magma yg membeku BATUAN BEKU JENIS BATUAN Batuan beku atas Liparit Trachit Dasit Andesit Basalt Pikrit Batuan beku gang Granit Sienit Diorit, kuarsa Diorit Gabro Batuan beku dalam Perido- tit Sifat MAKIN MASAM -– INTERMIDIER -– MAKIN ALKALIS

2. Batuan Sedimen  Batuan endapan tua a. Batuan Gamping ~ endapan laut, sebagian besar terdiri kalsit dan dolomit b. Batu Pasir ~ banyak mengandung pasir kuarsa c. Batu Konglomerat & Breksi ~ macam-macam mineral d. Batu Liat ~ Kadar lempung tinggi Ex. napal atau shale

3. Batuan Metamorfose ~ Berasal dari batuan beku atau sedimen yang karena tekanan & suhu tinggi berubah menjadi jenis lain Ex. kuarsit dari batu pasir, marmer dari batu kapur, mika dengan lembar halus, granit dengan lembar kasar

Proses Pelapukan 1. PELAPUKAN FISIK : Pemecahan ukuran batuan menjadi lebih kecil tanpa perubahan kimia yg disebabkan perbedaan temperatur, angin atau gerakan air 2. PELAPUKAN KIMIA : Pelunakan batuan & penguraian mineral penyusunnya yg diikuti dg pembentukan mineral baru atau mineral sekunder melalui proses hidrasi-dehidrasi, oksidasi, reduksi, hidrolisis & pelarutan

a. Hidrasi : molekul air terikat oleh senyawa tertentu sehingga mineral menjadi lunak dan meningkat daya larutnya CaSO4 + H2O  CaSO4.2H2O b. Dehidrasi : hilangnya molekul air oleh senyawa tertentu shg terjadi perubahan volume sehingga mempercepat proses disintegrasi c. Oksida : muatan listrik negatif berkurang shg terjadi perubahan ukuran & muatan maka mineral mudah hancur (terjadi jika cukup oksigen), penting utk mineral yg mengandung besi seperti biotit, glaukonit, hornblende & piroksin Fe++  Fe+++ + e-

d. Reduksi : penambahan elektron (tidak ada oksigen) dari besi feri menjadi fero yg mudah bergerak (mobil) Fe+++ + e-  Fe++ e. Hidrolisis : penggantian kation dalam struktur kristal oleh hidrogen shg struktur kristal rusak & hancur K Al Si3 O8 + H+  H Al Si3 O8 + K+ f. Pelarutan : terjadi pada garam sederhana Ex. Karbonat, klorida dll CaCO3 + 2 H+  H2CO3 + Ca++

3. Pelapukan Biologi ~ Pelapukan & penguraian batuan oleh biota tanah. Misal: rayap, semut, cacing, tanaman, mikroba dan hewan lainnya

Tiga proses pelapukan yang belangsung bersama-sama menghasilkan mineral sekunder yang tersusun atas mineral lempung, seskuioksida, humus & senyawa lainnya

A : bagian yang tertinggal B : batuan segar semula Hasil Umum Pelapukan A : (B x C) = X 100 – X = Y Merrill (1912) A : bagian yang tertinggal B : batuan segar semula C : hasil bagi seskuioksida sisa bahan dibagi seskuioksida batuan segar X : persentasi bagian yang tetap ada Y : bagian asal yang hilang

Penelitian LINCK dan BLANK (1923) ; Batuan andesit (lereng G. Halimun)  mengalami Dekomposisi  4 lapisan (berbeda warna dan susunan kimia) : Inti padat  lapisan batuan paling dalam Lapisan yang sedang mengalami pelapukan Lapisan yang telah mengalami pelapukan lanjut Lapisan paling luar berupa tanah yang dihasilkan

Laps I Laps II Laps III Laps IV Hasil analisis kimia ; Kandungan Senyawa Kimia Laps I Laps II Laps III Laps IV Kadar % mol Al2O3 14,94 0,146 21,39 0,209 28,98 0,284 29,60 0,288 Fe2O3 7,93 0,050 16,49 0,101 11,41 0,071 16,98 0,106 SiO2 62,30 1,030 59,74 0,990 57,53 0,904 32,49 0,870 CaO 6,84 0,121 20,22 0,004 0,46 0,008 5,00 MgO 3,18 0,079 0,92 0,023 0,45 0,011 0,37 0,009 K2O 1,87 0,020 0,39 0,33 0,13 0,001 Na2O 2,27 0,036 0,34 0,005 6,096 0,20 0,003 (Al2O3+Fe2O3) 5,26 3,20 2,55 2,21

Rumus Perhitungan : A = 100% - (% Al2O3 + % Fe2O3) lapisan IV B = 100% - (% Al2O3 + % Fe2O3) lapisan I (% Al2O3 + % Fe2O3) lapisan IV (% Al2O3 + % Fe2O3) lapisan I  X = persentase bagian yang tetap ada 100 – X = Y  Y = bagian yang hilang C = A (B x C) = X

CONTOH A = 100% - (29,60 + 16,98)% = 53,42 % B = 100% - (14,94 + 7,93)% = 77,13 % 29,60+16,98 14,94+7,93 = X  X = 0,3913 = 39,13% Y = 100%-39,13% = 60,87% Jadi bagian yang hilang adalah 60,87% C = = 1,77 A (B x C)

4 proses pelapukan (Polinov, 1937) Phase I ~ hasil pelapukan kehilangan Cl dan S Phase II ~ hasil pelapukan kehilangan basa-basa Ca, Na, K dan Mg Phase III ~ basa-basa hilang Al dan Si menjadi mobil Phase IV ~ hasil pelapukan berakhir sebagian besar terdiri atas seskuioksida

Hasil Pelapukan 1. Bahan sisa residu ~ Berasal dari pelapukan batuan setempat (insitu) tanah tidak mengandung bahan asing, dg ciri bahannya tidak berlapi-lapis, susunan kimia ditentukan oleh bahan induk setempat 2. Bahan terangkut ~ Bahan hasil pelapukan dipindahkan dari tempat asalnya melalui gaya oleh air, angin, gravitasi dan es

a. Bahan terangkut oleh air Endapan aluvial : terbentuk akibat banjir dengan sifat berlapis-lapis Endapan lacustrin : terbentuk di dasar danau atau kolam dengan tekstur beraneka Endapan marine : terbentuk di dasar lautan dan banyak mengandung kuarsa b. Bahan terangkut oleh angin Endapan puntuk pasir : terdapat di pantai dan kurang subur Endapan loess : kadar debu tinggi, diendapkan masa pleistocen

c. Bahan terangkut oleh gravitasi (Endapan Coluvial) Timbunan batuan ke kaki lereng secara lambat akibat gravitasi d. Bahan terangkut oleh es (Glacial Till Deposits)

Proses yang Mengatur Perkembangan Pembentukan Tanah 1. Podsolisasi Di daerah dingin yang basah Menghasilkan tanah Podzolik dan Podzol Podzolik : berkembang di daerah yang ditanami berbagai tanaman, termasuk hutan berdaun lebar atau berganti daun, juga di daerah padang rumput dan lahan yang diolah Podzol :berkembang di daerah hutan cemara, padang rumput, padang alang-alang

Podsolisasi menghasilkan penumpukan seresah, air hujan yang meresap melalui seresah yang terurai  asam, sehingga mencuci hara di bagian tanah atas berwarna pucat Lempung dan bo diendapkan di lapisan bawah  horison B Terjadi illuviasi atau horison spodik Jika di horison B banyak diendapkan lempung  horison argilik

2. Kalsifikasi Di daratan benua yang curah hujannya rendah sehingga proses pencucian jarang terjadi Sering terjadi horizon kalsik  merupakan tempat terkumpulnya kalsium karbonat (CaCO3) 3. Ferrallitisasi Di daerah tropika yang lembab udaranya Proses perubahan BI menjadi tanah yang mengandung kaolinit dan seskuioksida (Al2O3 dan Fe2O3) Menghasilkan tanah Latosol dan Laterit

4. Salinisasi ~ Di daerah kering (arid & semi arid) ~ Proses penimbunan garam2 dalam tanah, terutama NaCl di tanah bagian atas, karena adanya penguapan air tanah shg tertinggallah garam-garam ~ Air laut mengalami interusif ke daratan tanpa ada pencucian ~ Menghasilkan tanah alkali putih atau Solonchak yg memiliki horizon salik ~ Jika ion Na sangat banyak di daerah komplek lempung & humus  komplek terurai struktur tidak stabil  pH tinggi  menghasilkan tanah alkali hitam atau tanah Solonetz yg mempunyai horizon natrik

5. Solonisasi ~ Proses pencucian ~ Menghilangkan garam-garam pada proses salinisasi sampai ke keadaan netral ~ Ion-ion garam seluruhnya diganti ion hidrogen  reaksi asam ~ Menghasilkan tanah Solod

6. Hidromorpik ~ Di tanah yg selalu jenuh air, shg anaerobik  menimbulkan gleysasi  pembentukan tanah gley ~ Jika drainase sangat jelek, air selamanya tergenang  tanah gambut/peatsoil (bo > 20 %) ~ Tanah gley air permukaan  jika ada lapisan kedap air di dalam profil tanah ~ Tanah gley air tanah  jika ada lapisan kedap air di bawah tanah

Any Question? Pic. By: Cahyo Proyogo

This slide can be download at http://ariyanto.staff.uns.ac.id

 Let’s SAFE our SOIL! Consequences of Misuse: Sand Mining in the Forest Land (C. Kalimantan, 2002)  Let’s SAFE our SOIL! © Foto: Eko Handayanto, 2002

See you Next Week InsyaAllah