Provenance, Proses dan Diagenesis Sedimen
Batuan sedimen berasal dari pelapukan dan erosi batuan yang telah ada sebelumnya. Sedimen tertransportasi oleh bermacam-macam agen termasuk gravitasi, air yang mengalir, angin dan es yang bergerak (gletser). Sediment tersebut akan berpindah dari asalnya ke tempat-tempat pengendapan yang beragam. Di tempat tersebut sedimen diendapkan dalam berbagai macam litofasies yang karakternya tergantung pada lingkungan pengendapannya. Setelah pengendapan dan terjadinya timbunan sedimen, akumulasi sedimen itu mengalami diagenesis. Proses-peroses fisika, kimia dan biologi mengakibatkan: (1) perubahan dari sediment menjadi batuan sediment, (2) terjadinya modifikasi pada tekstur dan mineralogi pada batuan. Diagenesis berlawanan dengan pelapukan karena proses pelapukan merupakan perubahan dari batuan menjadi tanah. Arah reaksi keduanya berlawanan. Pada pelapukan terjadi degradasi dan proses yang mengakibatkan batuan menjadi lepas, terdiri dari mineral yang stabil pada permukaan bumi, sedangkan pada diagenesis material sedimen berubah menjadi lebih padu.
Pelapukan dan Provenance
Sifat endapan sediment pada berbagai lingkungan tergantung pada beberapa faktor yaitu :
1. Sumber atau tempat sediment itu berasal, yang mengontrol jenis material yang terdapat sebagai sedimen
2. Pelapukan dan transportasi, yang mengontrol perubahan-perubahan yang terjadi pada material sedimen
Pelapukan
Pelapukan secara umum terbagi menjadi proses yaitu:
1. Proses fisika yang disebut sebagai disintegrasi
2. Proses kimia yang disebut dekomposisi.
Prinsip disintegrasi pada pembentukan tanah atau sedimen yaitu berkurangnya ukuran butir tanpa perubahan pada komposisi kimianya. Hal ini terjadi akibat penghancuran secara fisika melalui:
• Abrasi, yaitu proses penggerusan batuan oleh agen transport seperti air dan es.
• Frost Action, yaitu proses pembekuan air dalam batuan. Hal ini mengakibatkan batuan terpecah akibat bertambahnya volume air ketika membeku.
• Aktivitas biologi, di antaranya rekahan pada batuan karena pertumbuhan akar.
Berkurangnya ukuran butir mengakibatkan bertambahnya luas permukaan partikel, hal ini tentunya akan meningkatkan laju reaksi kimia yang terjadi selama proses dekomposisi.
Proses dekomposisi diantaranya oksidasi, reduksi, solusi (larut), hidrasi, dan hidrolisis. Oksidasi adalah proses dimana bilangan oksidasi (valensi) suatu ion meningkat sedangkan reduksi adalah kebalikannya. Salah satu proses oksidasi yang umum pada pelapukan yaitu oksidasi pada besi. Contohnya adalah magnetit, suatu mineral yang umum ditemukan pada batuan beku, sedimen dan metamorf yang berubah menjadi mineral hasil pelapukan yang umum yaitu hematite.
4Fe2O3.FeO + O2 ---> 6 Fe2O3
Magnetit + Oksigen hematite
(Contoh proses reduksi yaitu pembentukan pirit pada kondisi anaerobik.)
Air berperan sangat penting dalam proses dekomposisi sebagai pelarut atau reaktan. Contohnya air dan asam pada larutan merupakan dua agen pelarut utama. Pelarutan adalah proses yang mana material yang dapat larut terlarut, atau pecah menjadi ion. Contohnya yaitu dekomposisi pada piroksen:
(Mg, Fe, Ca)SiO3 + 2 H+ + H2O ---> Mg2+ + Fe2+ + Ca2+ + H4SiO4
Piroksen + Ion Hidrogen + air Ion Mg, Fe, Ca + molekul silicic acid
Reaksi yang sama terjadi pada mineral ferromagnesian silicates yang lain. Ion Ca, Mg dan silicic acid yang dihasilkan pada reaksi ini tertransportasikan jauh melalui larutan, sedangkan ion Fe mungkin mengalami oksidasi atau hidrasi atau keduanya dan terpresipitasi sebagai hematite atau geotit. Hal yang sama, mineral karbonat terlarutkan menghasilkan ion Ca, Mg dan molekul bikarbonat, yang semuanya tertransportasi sebagai larutan.
Air juga penting dalam hidrasi dan hidroslisis. Hidrasi adalah reaksi air dan komponen yang lain yang menghasilkan fase lain. Contohnya, goetit yang dihasilkan dari hematite melalui reaksi hidrasi:
Fe2O3 + H2O ---> 2 FeOOH
Hidrolisis adalah reaksi kelebihan H+ atau OH- yang dihasilkan reaksi yang bersangkutan. Reaksi hidrolisis terlihat sebagai reaksi penggantian kation suatu struktur mineral oleh hydrogen. Contohnya, pelapukan olivine menjadi silicic acid, ion Fe dan Mg, dimana hydrogen menggantikan Mg dan Fe.
(Mg, Fe)2SiO4 + 4 H2O ---> xMg2+ + 2-xFe2+ + H4SiO4 + 4 (OH)-
Hal yang sama terjadi pada hidrolisis feldspar dan segera setelah itu membentuk mineral lempung kaolinit:
KAlSi3O8 +H2O ---> HAlSi3O8 + K+ + OH-
2 HAlSi3O8 + 9 H2O ---> Al2Si2O5(OH)4 + 4 H4SiO4
Setiap proses dekomposisi adalah perubahan mineral yang tidak stabil pada permukaan bumi berubah menjadi mineral, molekul, atau ion yang lebih stabil dibawah kondisi permukaan. Produk utama pada proses ini yaitu kuarsa, mineral lempung, oksida besi, dan ion seperti Ca2+ dan Mg2+. Tiga produk hasil pelapukan karbonat berupa ion Ca dan Mg-, Mineral lempung, dan kuarsa serta opal dihasilkan dari proses yang kira-kira sama dengan umur bumi yaitu 4,5 miliar tahun.
Kestabilan relatif dari mineral selama proses pelapukan dikemukakan oleh Goldich (1938) yang merupakan kebalikan dari Deret Bowen. Dia menemukan bahwa Olivine, Augite (klinopiroksen), dan Ca-plagioklas lebih mudah terlapukan dibandingkan dengan kuarsa dan muskovit. Walaupun secara umum hal ini benar, proses pelapukan lebih rumit dari perkiraan. Hal lain yang mempengaruhi adalah iklim, mikroba dan tanaman dan asam yang dihasilkannya. Olivine, augite, dan plagioklas mengandung unsur Mg, Na, K, Ca, yang mudah telepas melalui pemecahan ikatan ion dengan oksigen. Si, Al, dan Ti membentuk ikatan kovalen dengan oksigen yang lebih sulit untuk pecah, yang mencegah pemecahan mineral seperti kuarsa.
Provenance
Provenance adalah sumber material sedimen, yang merupakan faktor utama yang menentukan komposisi sedimen. Faktor provenance mengontrol proses pelapukan dan sifat sedimen yang dapat disuplai oleh berbagai macam agen. Faktor ini diantaranya relief dan elevasi yang merupakan fungsi dari setting tektonik, iklim dan vegetasi yang bersangkutan, serta komposisi dari batuan asal. Pada komposisi batuan asal kita bisa mengambil contoh yang sederhana, bila batuan asalnya banyak mengandung kuarsa maka sedimen yang dihasilkan akan banyak mengandung kuarsa juga. Bila batuan sumbernya kaya akan feldsfar maka sedimen yang dihasilkan akan banyak mengandung feldsfar dan mineral lempung tergantung dari tingkat pelapukan batuannya.
Relief dan elevasi dari provenance akan berpengaruh pada dekomposisi dan disintegrasi, dan transportasinya. Relief adalah perbedaan ketinggian didalam cekungan erosional, yang mengontrol laju erosi. Secara umum, daerah yang memiliki relief yang tinggi, yang merupakan daerah uplift yang aktif, akan mengalami laju erosi yang tinggi. Sebaliknya pada daerah yang berelief rendah yang umumnya datar memiliki laju erosi yang rendah. Daerah yang datar merupakan daerah metastabil dimana energi potensial minimum. Konsekuensinya material tidak bisa turun dan mengakibatkan laju disintegrasi rendah, hal ini akan mengakibatkan proses dekomposisi berlangsung cukuip lama.
Elevasi provenance juga penting, karena elevasi akan mempengaruhi iklim, dimana pada gilirannya akan mempengaruhi proses disintegrasi dan dekomposisi. Pada elevasi yang tinggi air akan membeku, hal ini tentunya akan menyebabkan proses disintegrasi terutama frost action berperan cukup dominan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa pada elevasi yang tinggi proses disintegrasi cukup dominan sedangkan pada elevasi yang rendah terutama daerah tropis proses dekomposisi cukup dominan.
Iklim dan vegetasi juga memiliki peran yang penting. Pada iklim dingin laju proses dekomposisi akan rendah sedangkan laju proses disintegrasi akan tinggi. Sebaliknya pada iklim hangat proses dekomposisi akan lebih dominan daripada proses disintegrasi dan pada iklim panas proses yang dominan adalah disintegrasi sama seperti pada iklim dingin. Vegetasi akan banyak pada iklim hangat, basah dari pada iklim dingin dan panas. Vegetasi dapat menghasilkan asam organik dan senyawa lain yang dapat menyebabkan proses dekomposisi. Contohnya lava muda di Hawaii yang ditutupi oleh tumbuhan (lichens, yang banyak mengandung besi, terlapukan lebih tinggi daripada batuan yang sama dan seumur. Hal ini dapat menjawab pertanyaan mengenai proses disintegrasi dan dekomposisi pada pre-Devonian yang vegetasinya kurang, dimana pada pre-Devonian proses disintegrasi lebih penting dari pada dekomposisinya sehingga sedimennya sedikit mengandung lempung.
Produk hasil pelapukan
Fenomena yang terpampang pada gambar ini adalah bagian dari proses hancurnya/lapuknya batuan beku pada sebuah tebing yang berkemiringan hampir 90 derajat di kaki gunung Semeru, di perbatasan Kabupaten Lumajang dengan Kabupaten Malang, Jawa Timur.
Produk yang dihasilkan dari pelapukan yaitu kuarsa, mineral lempung dan oksida besi dan hidrat yang merupakan material residu yang tertinggal di tanah yang dihasilkan dari batuan yang terdekomposisi tinggi. Silicic acid dan kation berbagai logam (termasuk Ca, Mg, Fe, Mn, Na, dan K) dan P akan tertransportasikan jauh dari sumbernya.
Transportasi sediment
Transportasi sedimen dimulai ketika material terlapukan dan ion terlarut. Transportasi material yang terlarut disebut transportasi larutan, sedangkan material padat tertransportasi melalui transportasi mekanik. Transportasi mekanik di antaranya falling, sliding, rolling, bouncing(saltation), flowing dan transportasi supensi.
Transportasi sedimen tergantung pada sifat fisik dari agen transportasi, sifat material, sifat fisik dari campuran agen transportasi dan material, dan gaya yang menyebabkan transportasi.
Agen transportasi diantaranya gravitasi, air mengalir, angin dan es yang bergerak. Gravitasi tidak hanya menyebabkan pergerakan material tetapi juga menggerakan arus air dan es untuk bergerak turun.
Transportasi mekanik, di antaranya:
• Transportasi gravitasi
Gravitasi merupakan agen utama yang mengakibatkan transportasi pada landslides dan massflow. Pada pergerakan masa subaeria (falls, slides, slumps, avalanches, mudflowa, dan subaerial debris flows) dan submarine debris flow transportasi terjadi ketika gaya yang menahan (resisting force) terlampaui.
Pada falls, slides, slumps dan avalanches, retakan dihasilkan ketika batuan kehilangan gaya kohesi antara partikelnya yang kemudian bergerak dan berhenti ketika energinya habis. Sedimen yang dihasilkan berupa breksi atau diamicite yang terpilah buruk, tidak berlapis.
Pada debris flows, mudflows dan olisostrom seluruh masa diendapkan sekali. Pergerakannya biasanya berlangsung ketika terdapat air yang mengakibatkan gaya gesek antar partikel mengecil dan mengakibatkan masa meluncur dan terendapkan dengan kacau. Produk yang dihasilkan terpilah buruk, banyak material Lumpur dan lapisan biasanya tebal dan massive.
Grain flow adalah aliran dari butiran sediment yang inkohesif yang terdapat pada lereng yang curam. Aliran terjadi ketika akumulasi sedimen melebih gaya gesek antar partikel dan ketika gempa bumi. Endapan yang dihasilkan berupa pasir yang terpilah baik, tak berstruktur sampai berlaminasi secara lokal.
• Transportasi glacial
Transportasi ini dihasilkan oleh gaya gravitasi terhadap aliran fluida, tetapi laju alirannya sangat lambat. Glacier membawa partikel melalui penggusuran sepanjang dasar dan sisinya. Partikel yang besar biasanya tertinggal dan yang lebih kecil akan terbawa lebih jauh. Sedimen yang terpilah baik, berukuran halus diendapkan sebagai outwash dan yang terpilah buruk dan kasar diendapkan sebagai till.
• Transportasi air dan udara
Ketika air dan udara bergerak terjadi gesekan antara fluida dengan sekitarnya. Turbulensi dimulai dekat batas dengan sekitarnya, seperti dekat dasar sungai sebagai hasil dari interaksi gaya di tempat tersebut. Faktor yang menentukan bergeraknya partikel adalah ukuran, densitas dan bentuk partikel, kecepatan aliran, viskositas fluida dan batas gaya gesek.
Sedimentasi akan terjadi ketika fluida melambat. Masing-masing ukuran partikel jatuh keluar dari suspensi dan menjadi bagian dari pergerakan bed load. Pada unit pengendapan dari suspensi biasanya berupa laminasi tabular, ketebalan bervariasi tetapi biasanya tipis saja. Lapisan dari bed load yang terendapkan melalui traksi mungkin tipis tetapi cenderung sedang sampai tebal dan membentuk cross bedding, imbrikasi butir dan ripple marks.
Transportasi kimia
Ion dan molekul yang dihasilkan dari dekomposisi akan menjadi bagian dari larutan dalam air tanah dan air permukaan. Selama perpindahan larutan mungkin mengalami pengenceran, pengkonsentrasian dan perubahan dalam kimianya karena reaksi dengan batuan yang dilaluinya. Jika bereaksi dengan batuan atau sediment, batuan dan sediment mengalami perubahan diagenesis. Presipitasi kimia yang terjadi selama diagenesis merupakan salah satu bentuk pengendapan kimia.
Diagenesis
Setelah sedimen terendapkan, diagenesis adalah proses yang bekerja pada sedimen tersebut. Diagenesis merupakan proses fisika, kimia dan biologi yang secara umum mengubah sedimen menjadi batuan sedimen. Diagenesis kemungkinan berlanjut bekerja setelah sedimen menjadi batuan, mengubah tekstur dan mineraloginya.
Tujuh proses diagenesis yang terjadi yaitu :
1. Kompaksi
2. Rekristalisasi
3. Pelarutan
4. Sementasi
5. Autigenisasi
6. Replacement
7. Bioturbasi
Kompaksi adalah proses yang menyebabkan volume sedimen berkurang. Ini dihasilkan oleh tekanan penutup (overburden), yang diakibatkan oleh berat dari sedimen dan batuan di atasnya. Tekanan ini mengakibatkan penyusunan kembali butiran dan pengeluaran fluida, hal ini menghasilkan pengurangan porositas batuan sedimen. Kemungkinan tingkat kompaksi merupakan fungsi dari ukuran butir, bentuk butir, pemilahan, porositas awal dan jumlah fluida yang terdapat dalam sedimen. Sedimen dengan pemilahan yang baik, membundar akan kurang kompak bila dibandingkan dengan sedimen yang terpilah buruk dan menyudut. Pada sedimen yang terpilah buruk ukuran butir yang kecil akan mengisi rongga antar butiran yang besar dan pada sedimen yang menyudut, ikatan antar butirnya akan sangat kuat karena bersifat saling mengunci. Pada pasir porositas awalnya sekitar 25% - 50%, pada sedimen karbonat kemungkinan cukup tinggi yaitu sekitar 50% - 75% dan pada lumpur lempung lebih dari 85%. Pada batuan sedimen porositas kecil yaitu 0% - 2% hal ini dikarenakan kompaksi dan proses diagnesis lain terutama sementasi.
Rekristalisasi adalah proses di mana kondisi fisika dan kima menyebabkan pengorientasian kembali kristal lattice pada butir mineral. Rekristalisasi bekerja melalui pelarutan dan presipitasi dari fase mineral yang terdapat pada batuan. Ketika fluida melewati batuan atau sedimen, komponen pada sedimen yang tidak stabil karena tekanan, pH, temperature akan mengalami pelarutan. Kemudian material yang terlarut itu akan mengalami transportasi dan akan terpresipitasi pada pori-pori sediment yang memiliki kondisi yang berbeda. Hal yang penting yaitu tekanan pelarutan, yaitu suatu proses di mana tekanan terkonsentrasi pada satu titik antara dua butir yang menyebabkan pelarutan dan migrasi ion atau molekul yang menjauhi titik itu. Lewat proses ini massa tertransportasi dari titik kontak menuju tempat dengan tekanan yang lebih rendah yang memungkinkan presipitasi dari larutan itu. Tentunya rekristalisasi ini akan menyebabkan pengurangan porositas sedimen dan memfasilitasi rekristalisasi tekstur.
Sementasi adalah proses di mana terjadi presipitasi kimia pada pembentukan kristal baru, terbentuk didalam pori-pori sedimen atau batuan yang mengikat satu butir dengan butir lainnya. Semen yang umum yaitu kuarsa, kalsit dan hematite, tetapi jenis semen secara luas di antaranya aragonite, Mg kalsit, dolomite, gypsum celesite, goethite, dan todorit. Tekanan pelarutan secara local dapat menghasilkan semen, tetapi banyak semen merupakan material baru (allochemical material) yang masuk melalui larutan. Jelas bahwa proses sementasi akan mengakibatkan berkurangnya porositas dan menghasilkan tekstur baru seperti spherulitic, comb texture, dan poikilotopic texture.
Autigenesis (neocrystalitation) adalah proses yang mana fase mineral baru mengalami kristalisasi didalam sediment atau batuan selama proses diagenesis ataupun setelahnya. Mineral baru mungkin terbentuk melalui reaksi di dalam fase yang terdapat dalam sedimen atau batuan, mungkin juga muncul karena presipitasi dari material yang masuk melalui fase fluida, atau dihasilkan dari kombinasi sedimen primer dan material yang masuk. Autigenesis operlap dengan pelapukan, sementasi dan biasanya rekristalisasi, dan kemungkinan menghasilkan replacement. Jenis dari fasa autigenesis jauh lebih beragam dibandingkan dengan mineral semen. Fase autigenesis termasuk silikat seperti kuarsa, K-feldspar, lempung,dan zeolite; carbonat seperti kalsit, dolomite dan carbonat besi; evaporate mineral seperti halit, sylvite, gypsum dan anhidrit;oksida seperti hematite, goetit, todorokit; dan mineral samping lainnyatermasuk sulfat, sulfide dan fosfat.
Replacement yaitu proses yang mana mieral baru menggantikan (secara kimia dan fisika) in situ pada endapan mineral. Replacement mungkin bersifat neomorphic, yang mana butiran yang baru memiliki fase yang sama dengan asalnya atau polimorpisme dari fase asalnya. Pseudomorfic yang mana fase baru merupakan tiruan dari bentuk eksternal dari fase yang digantikan tetapi fasenya berbeda, allomorphic yaitu replacement dalam bentuk fase baru yang biasanya berbeda bentuk kristalnya dan menggantikan sepenuhnya fase sediment asal. Fase replacement sama beragamnya dengan fase autigenesis, tetapi fase replacement yang penting yaitu dolomite, opal, kuarsa dan ilite.
Bioturbasi adalah aktifitas biologis yang terjadi dekat permukaan, termasuk burrowing, boring dan pencampuran sedimen oleh organisme. Pada beberapa kasus proses ini dapat meningkatkan kompaksi, menghancurkan laminasi dan perlapisan. Selama proses bioturbasi beberapa organisme mempresipitasikan material yang berfungsi sebagai semen.
Daigenesis biasanya dibagi menjadi tiga tahap, yaitu:
1. Eogenesis, proses awal diagenesis yang terdapat di antara endapan dan timbunan, atau dekat permukaan,
2. Mesogenesis, tahap tengah dari proses diagenesis yang terjadi setelah penimbunan,
3. Telogenesis, tahap akhir dari proses diagenesis.
