BRS - Bowen's Reaction Series | Dasar Ilmu Dalam Studi Batuan dan Mineral

Siapa Bowen?

Bowen bernama lengkap Norman Levi Bowen - adalah seorang ahli geologi asal Kanada yang merupakan salah satu pelopor paling penting dalam bidang experimental petrology (studi eksperimental tentang origin dan komposisi kimia batuan). Bowen melakukan penelitian tersebut di Carnegie Institution for Science, Washington sejak 1912 sampai 1937. Pada tahun 1928 ia menerbitkan sebuah buku yang berjudul “The Evolution of the Igneous Rocks”. Buku ini kemudian menjadi dasar ilmu geokimia dan geofisika dalam studi batuan dan mineral.

Norman Levi Bowen - The Evolution of The Igneous Rocks
(hazen.carnegiescience.edu)

“In the history of experimental research in petrology, in particular the study of heterogeneous equilibria in silicate melts, he was the great pioneer, in fact his position is unique, for no one has broken so much new ground, nor contributed in such rich measure to the solution of fundamental problems of petrogenesis.” - Tilley, 1957

Sejarah

Sebelumnya, dalam buku geologi pertama yang berjudul “De re Metallica” (On the Nature of Metals) yang ditulis oleh Georgius Agricola pada abad pertengahan. Buku tersebut berisi tentang seni pertambangan, penyulingan, dan peleburan logam. Saat itu para penambang sudah menyadari bahwa mereka bisa mengamati urutan kristalisasi mineral pada batuan, mineral mana yang pertama dan yang terakhir terbentuk. Namun, tidak ada hubungan yang dikodifikasikan sebelumnya untuk karya Norman L. Bowen di Institut Carnegie. Hal ini disebabkan karena ilmu pertambangan sangat sulit untuk diakses, hanya diturunkan secara lisan antar kelompok kecil teknisi dan pengawas pertambangan. Ilmu ini kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh beberapa kosmopolitan elit, akan tetapi tidak disebarluaskan ke dunia luar.

De re Metallica - Georgius Agricola
(wikipedia.org)

Eksperimen

Bowen bereksperimen dengan cara menghaluskan batuan beku bersamaan dengan campuran bahan kimia lainnya untuk mempermudah pelelehan batuan. Dia menaruh sampel ke dalam suatu alat yang disebut oleh ahli kimia sebagai “bom”, alat tersebut berupa sample holder yang tertutup sangat kuat, yang dapat menahan suhu dan tekanan yang sangat tinggi tanpa meledak (meskipun terkadang alat tersebut meledak).

Dia memanaskan sampel sampai mencair pada suhu lebih dari 1600 derajat Celsius, kemudian sampel didinginkan pada suhu yang ditentukan, misalnya 1400 derajat Celsius. Bowen menahan suhu sampel agar tetap stabil dalam waktu yang cukup lama (menit, jam atau hari) agar memungkinkan pembentukan kristal, dan kemudian sampel didinginkan secara cepat dengan melemparkan sampel ke dalam seember air. Dengan dimikian sampel mineral yang terbentuk pada suhu yang telah ditentukan akan terkunci. Sampel yang tidak membentuk kristal akan berupa gelas.

Untuk mengetahui mineral apa yang telah terbentuk, Bowen menganalisis sampel menggunakan X-ray Diffraction. Jika sampel mengandung mineral, sinar-X akan dibiaskan. Sudut yang terbentuk dari pembiasan sinar-X bergantung pada struktur kristal mineral yang dilewatinya. Karena setiap mineral memiliki struktur kristal yang berbeda, maka setiap mineral memiliki pola difraksi sinar-X yang berbeda pula. Jika dalam sebuah sampel tidak mengandung mineral (hanya mengandung gelas), maka sinar-X tidak akan terdifraksi.

Kegiatan eksperimen. N. L. Bowen (kanan) dan O. F. Tuttle (kiri)
(library.gl.ciw.edu)

Ketika Bowen melakukan eksperimen ini, dia menemukan bahwa ada urutan kristalisasi mineral yang sama persis seperti yang para ahli geologi amati di alam. Dalam proses analisisnya, dia menyadari bahwa urutan mineral tersebut memiliki karakteristik fisik dan kimia yang dapat diukur. Lebih lanjutnya dia menemukan bahwa ada dua jenis urutan mineral, Discontinous Reaction Series (urutan reaksi diskontinyu) dan Continous Reaction Series (urutan reaksi kontinyu).

Discontinous Reaction Series

Urutan ini berada di sisi kiri dari Bowen’s Reaction Series - terdiri dari kelompok mineral-mineral mafik (ferromagnesian) - olivin, piroksen, amphibole, dan biotit. Jika magma mengandung unsur silika yang cukup, maka mineral-mineral ini bereaksi secara diskontinyu untuk membentuk mineral baru berdasarkan urutannya, dan kandungan unsur silika akan meningkat pada tiap-tiap mineral seiring dengan menurunnya temperatur magma.

Pada magma basaltik, olivin merupakan mineral mafik pertama yang terbentuk. Ketika suhu menurun, semua olivin akan bereaksi dengan sisa magma untuk membentuk piroksen. Pada suhu kristalisasi amphibole, semua piroksen akan bereaksi dengan sisa magma untuk membentuk amphibole. Begitu juga dengan biotit, ketika suhu berada pada suhu kristalisasi biotit, semua amphibole akan bereaksi dengan sisa magma untuk membentuk biotit. Dengan demikian, semua batuan beku hanya akan mengandung biotit (?) Tidak seperti itu!

Jika olivine telah terbentuk, dan sisa magma tidak mengandung unsur silika yang cukup untuk membentuk piroksen, maka reaksi tidak akan terjadi dan olivin akan tetap menjadi olivin. Jika olivin telah terbentuk dan suhu magma menurun terlalu cepat, maka reaksi tidak akan terjadi, magma akan cepat membeku dan olivine akan tetap menjadi olivin.

Continous Reaction Series

Urutan ini berada di sisi kanan dari Bowen’s Reaction Series - terdiri dari mineral-mineral plagioklas (Ca, Na)(Al, Si)3O8. Pada suhu tertinggi plagioklas hanya terdiri dari kalsium (Ca), pada suhu terendah plagioklas hanya terdiri dari natrium (Na), dan pada suhu antara, ion-ion ini akan bercampur dalam urutan kontinyu. 100% Ca + 0% Na pada suhu tertinggi, 50% Ca + 50% Na pada suhu menengah, dan 0% Ca + 100% Na pada suhu terendah.

Misalnya pada magma basaltik, plagioklas yang pertama terbentuk adalah 100% Ca dan 0% Na plagioklas. Ketika suhu magma menurun, plagioklas pertama akan bereaksi dengan sisa magma untuk membentuk 99% Ca dan 1% Na plagioklas. Kemudian, plagioklas pertama dan kedua akan bereaksi untuk membentuk 98% Ca dan 2% Na. Begitu seterusnya. Semua proses ini terjadi secara kontinyu asalkan: 1.) ada waktu yang cukup untuk memunginkan terjadi reaksi, dan 2.) magma harus mengandung unsur Na, Al dan Si yang cukup untuk membentuk mineral-mineral baru. Hasil akhirnya akan menjadi sebuah batu yang terdiri dari mineral-mineral plagioklas dengan rasio Ca Na yang sama dengan yang terkandung pada magma awal.

Di kedua sisi BRS, unsur silika mengalami peningkatan di tiap-tiap mineral (dari atas ke bawah). Dengan demikian, biotit mengandung unsur silika lebih banyak dari olivin. Na plagioklas mengandung unsur silika lebih banyak dari pada Ca plagioklas.

Diagram 1. Kondisi fisik dan kimia mineral dan BRS.

Diagram 2. Batuan beku dan BRS

Diagram 3. Perubahan tipe magma dan BRS

Contoh penggunaan BRS (diagram 1, 2 dan 3).

[accordion] [item title="Temperatur dan Tekanan"]

Pada diagram 1 - kita dapat menginterpretasi kondisi fisik dan kimia mineral saat terbentuk. Misalnya, olivin merupakan mineral yang terbentuk pada suhu dan tekanan tinggi dengan kandungan besi dan magnesium yang tinggi, tetapi rendah silika.

[/item] [item title="Asosiasi Mineral"]

Diagram 2 menunjukkan asosiasi mineral dalam suatu batuan. Jenis batuan (di sisi kiri) sejajar horizontal dengan asosiasi mineralnya (di sisi kanan). Misalnya, basal mengandung mineral olivin, piroksen dan Ca plagioklas, tetapi tidak mengandung mineral kuarsa dan K feldspar.

[/item] [item title="Kestabilan Terhadap Pelapukan"]

Diagram 1 menunjukkan kestabilan mineral terhadap pelapukan. Dimana mineral yang paling tidak stabil pada 1 bar dan 25 derajat Celcius (permukaan bumi) adalah olivin dan Ca plagioklas. Semakin ke atas BRS, mineral semakin tidak stabil, dan sebaliknya semakin ke bawah BRS, mineral semakin stabil. Misalnya, sebuah basal mengandung olivin dan Ca plagioklas. Jika basal sedang melapuk, kedua mineral tersebut sangat tidak stabil dan akan mudah terurai dan membentuk tanah liat. Contoh lain adalah granit - mengandung kuarsa, K feldspar, dan muskovit. K feldspar dan muskovit akan mudah terurai, sedangkan kuarsa cukup resisten. Material hasil pelapukan basal dan granit yang tererosi akan berupa pasir yang terdiri dari banyak kuarsa dengan beberapa K feldspar dan muskovit. Sedangkan kehadiran olivin dan Ca plagioklas sangat jarang ditemukan atau bahkan tidak ada.

[/item] [item title="Kandungan unsur kimia"]

Diagram 1 menunjukan perbedaan kandungan unsur kimia. Di bagian atas BRS terdiri dari mineral-mineral yang kaya akan unsur Fe, Mg dan Ca, dan di bagian bawah terdiri dari mineral-mineral yang kaya akan unsur Si, K dan Na.

[/item] [item title="Magma Mixing"]

Batuan yang ada di bagian atas dan di bagian bawah BRS pada diagram 2, tidak akan berada pada satu singkapan yang sama. Kondisi magma saat membentuk basal tidak sama dengan kondisi magma saat membentuk riolit. Namun, dua jenis batuan ini ditemukan tersingkap secara interlayer di Yellowstone National Park. Dengan demikian, singkapan tersebut terbentuk dari dua magma yang berbeda.

[/item] [item title="Xenolith dan Xenocryst"]

Jika basal mengandung xenocryst kuarsa di dalamnya, hal tersebut sangat jarang terjadi, maka kuarsa tersebut tidak mungkin terbentuk dari magma yang sama, tapi berasal dari batuan samping yang diterobos oleh basal.

[/item] [item title="Produk Erosi"]

Pantai pasir hijau dan hitam di pulau Hawaii tersusun atas mineral olivin dan piroksen. Berdasarkan BRS (diagram 1), mineral-mineral ini merupakan mineral yang tidak stabil - tidak tahan terhadap pelapukan. Kedua jenis pasir (olivin dan piroksen) terbentuk karena source rock yang dominan menempati pulau Hawaii adalah batuan basal. Ca plagioklas telah terurai dengan cepat, sedangkan olivin dan piroksen lebih tahan, maka secara waktu geologi mineral-mineral ini masing sangat muda.

[/item] [item title="Fraksinasi dan Gravity Settling"]

Ketika magma basal mendingin secara perlahan, mineral pertama yang terbentuk adalah olivin dan Ca plagioklas. Maka komposisi yang dihasilkan adalah berupa mineral (solid) dan sisa magma (liquid). Sebuah material padat memiliki densitas lebih tinggi daripada material cair, dengan demikian olivin dan plagioklas akan tenggelam ke dasar dapur magma. Proses ini dikenal dengan istilah gravity settling. Olivin memiliki berat jenis lebih tinggi daripada plagioklas, yang lebih dulu mencapai dasar adalah mineral olivin. Oleh karena itu, lapisan olivin (dunite) sering ditemukan di bagian bawah dari intrusi basal yang tebal. Contohnya seperti Palisades Sill di tepi barat Sungai Hudson di New York dan New Jersey.

[/item] [/accordion]

Lapisan olivin dai bagiian bawah intrusi basal. Palisades Sill, Hudson River.
(stevekluge.com)

Basaltik - Andesitik - Riolitik

Bayangkan jika ada satu tubuh intrusi magma basaltik dengan volume 1.000 km kubik dan kedalaman 20 km. Magma ini akan mendingin secara perlahan dan membentuk kristal-kristal besar.

• Mineral pertama yang terbentuk adalah olivin dan Ca plagioklas. Kedua mineral ini akan tenggelam dan terendapkan di dasar dapur magma. Pengendapan tersebut akan mengisolasi keduanya sehingga tidak terjadi reaksi dengan sisa magma. Dengan demikian, saat suhu menurun, lapisan olivin dan lapisan Ca plagioklas masih menetap di dasar dapur magma.
• Ketika suhu magma berada pada suhu pembentukan piroksen dan Ca-Na plagioklas, mineral akan terbentuk dan tenggelam ke dasar dan terisolasi dari sisa magma. Sama seperti yang terjadi pada olivin dan Ca plagioklas.
• Sekarang ada empat lapisan di dasar dapur magma, yaitu: lapisan olivin, lapisan Ca plagioklas, lapisan piroksen, dan lapisan Ca-Na plagioklas. Batuan yang mungkin terbentuk adalah dunit dan gabro.
• Perhatikan bahwa saat suhu magma menurun, kandungan unsur Fe, Mg dan Ca akan berkurang. Sedangkan unsur Na, K dan Si semakin bertambah.
• Magma terus mengkristal, suhu terus menurun, sehingga menghasilkan mineral amphibole dan Na-Ca plagioklas. Magma berubah menjadi andesitik. Batuan yang mungkin terbentuk adalah diorit.
• Mineral yang berikutnya mengkristal adalah biotit dan Na plagioklas. Magma yang tersisa menjadi kaya akan unsur Na, K dan Si. Maka jenis batuan yang mungkin terbentuk adalah granit.
• Dengan demikian, berdasarkan urutan kristalisasi BRS dan efek gravitasi, dapat disimpulkan bahwa magma riolitik terbentuk dari magma basaltik. Hubungan ini dapat dilihat di Stillwater Complex, Montana.

Mekanisme fraksinasi kristal dalam dapur magma.
(wikipedia.org)

***

Evaluasi

[accordion] [item title="Soal #1"]Mineral apa saja yang akan Anda temukan pada jenis-jenis batuan beku berikut ini:

• Basal: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
• Diorit: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
• Granit: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
• Gabro: _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

[/item] [item title="Soal #2"]Jika suatu magma berada pada temperatur dan tekanan yang tinggi,

• Mineral apa yang membentuk batuan dari magma tersebut jika terjadi intrusi?
• Mineral apa yang membentuk batuan dari magma tersebut jika terjadi ekstrusi?
• Apa yang membedakan kedua batuan ini?

[/item] [item title="Soal #3"]Mineral (hasil pembekuan magma) apa saja yang akan Anda temukan di pasir pantai?[/item] [item title="Soal #4"]Kenapa olivin tidak ditemukan pada batuan riolit?[/item] [item title="Soal #5"]Jika Anda menemukan batuan basal dengan kuarsa di dalamnya, darimana kuarsa itu berasal?[/item] [item title="Soal #6"]Saat Anda menganalisis kandungan mineral pada suatu batuan, dan batuan tersebut hanya terdiri dari olivin. Mengapa demikian?[/item] [/accordion]
*Posting jawaban Anda pada kolom komentar!*

Bahan Bacaan

[tab] [content title="Literatur:"]

• Bowen, N. L. (1928). The Evolution of The Igneous Rocks. Princeton University Press, second edition, 1956, New York. 
• Eugster, H. P. (1980). Norman L. Bowen 1887 - 1956, A Biographical Memoir. National Academy of Science. Washington. 
• Hoover, H. C. and Hoover, L. H. (1950). De Re Metallica by Georgius Agricola. The translated version. Dover Publications, Inc. New York. 
• Robin, G. (2010). Igneous Rocks and Processes, A Practical Guide. John Wiley & Sons Ltd. 
• Winter, J. D. (2001). An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Pentrice Hall Inc. New Jersey.

[/content] [content title="Website:"]

• “De re Metallica.” (2016). Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved [April 11, 2016] from https://en.wikipedia.org/wiki/Norman_L._Bowen 
• “Experimental Petrology’s Long Road to Respect.” (2015). Cranegie Istitution for Science of Washington, Geophysical Laboratory. Retrieved [April 11, 2016] from https://library.gl.ciw.edu/GLHistory/petrology.html 
• “Norman L. Bowen 1887 - 1956.” (2015). Cranegie Istitution for Science of Washington, Geophysical Laboratory. Retrieved [April 11, 2016] from https://library.gl.ciw.edu/GLHistory/pgbowen.html 
• “Norman L. Bowen.” (2016). In Encyclopædia Britannica. Retrieved [April 11, 2016] from http://www.britannica.com/biography/Norman-L-Bowen 
• “Petrography and Petrology.” (2005). Brock University. Retrieved [April 10, 2016] from https://brocku.ca/earthsciences/people/gfinn/petrology/321lect.htm

[/content] [/tab]

Dikompilasi oleh Koordinator Asisten.