SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2016 (SFN XXIX), 19-21 September 2016,Makassar-Indonesia

225

Analisis Kualitatif Batuan Beku Gunung Batur dengan Plasma Laser

Hery Suyanto

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana

Jl. Kampus Bukit Jimbaran, Badung Bali

Email : hery6@yahoo.com; hery@unud.ac.id

Abstrak

Telah dilakukan penelitian tentang analisis unsur-unsur yang terkandung dalam batuan beku hasil letusan

Gunung Batur Bali. Analisis dilakukan dengan memfokuskan laser Nd-YAG (1064 nm, 7 ns) energi 120 mJ pada

permukaan batu dan menghasilkan plasma yang berisikan elektron-elektron, atom-atom netral, ion-ion,

molekul-molekul dan atom-atom tereksitasi. Elektron-elektron dalam atom-atom tereksitasi kembali ke keadaan

dasar sambil mengemisikan photon dengan panjang gelombang tertentu sesuai jenis atomnya. Setelah 0,5 µs,

photon ditangkap spektrometer HR 2500+ yang kemudian ditampilkan sebagai intensitas fungsi panjang

gelombang yang menyatakan konsentrasi dan jenis unsurnya. Penelitian dilakukan pada dua kondisi yaitu

dilingkungan udara dan gas He. Hasil menunjukkan bahwa batuan beku mengandung unsur-unsur utama

diantaranya Si, Ti, Al, Fe, Mg, H, O, Ca, Na dan K yang homogen hingga kedalaman sekitar 48 µm.

Penggunaan gas He dilingkungan sampel menyebabkan signal latar turun sebesar 13 % , signal intensitas emisi

meningkat sebesar 23 % dan nilai full width at half maximum (FWHM) menyempit dari 2,08 nm menjadi 0,42

nm dibandingkan dilingkungan udara. Batu beku Gunung Batur tergolong keras berdasarkan berbandingan

intensitas atom Ca ion dan netral adalah 1,12

Kata kunci: Batuan beku, plasma laser, analisis kualitatif, Gunung Batur, Gas He

Qualitative Analysis of Igneous Stone of Batur Mountain Using Laser Plasma

Abstract The aim of this research is to identify the main elements contained in igneous stone from Batur mountain-Bali.

The stone was analyzed by LIBS method. When a 120 mJ- fundamental Nd-YAG laser was focused on stone

surface, small amount of stone ablated with high speed and adiabatic compression take placed with surrounding

air that produced plasma. Plasma contains electrons, ions, molecules, neutral and ion atoms as well as excited

atoms. Emission radiation produced by excited atoms in this plasma, captured by HR 2500+ spectrometer after

delay time detection of 0.5 µs and plotted in intensity as function of wavelength. Data show that the stone

contains some main elements such as Si, Ti, Al, Fe, Mg, H, O, Ca, Na and K that homogenous till to about 48

µm. Application of helium gas as surrounding gas enhanced emission intensities and reduced background

signal were to about 23 % and 13 % respectively compare to surrounding air gas, as well as the full width at

half maximum (FWHM) sharped from 2.08 nm to 0.42 nm. Besides, based on emission intensity ratio of ion Ca

atom to its neutral (Ca II/Ca I = 1.12), the stone is categorized as hard.

1. PENDAHULUAN

Batuan merupakan benda padat yang mana

dapat diklasifikasikan dalam tiga jenis yaitu

sedimen, metamorf, dan batuan beku.

Penggolongan ini didasarkan pada proses

pembentukannya, struktur, tekstur dan

kandungan mineral dalam batu.[1,2] Batuan

sedimen terbentuk dari suatu endapan sedimen

yang mengalami tekanan oleh bahan tertentu,

batuan beku merupakan batuan yang terbentuk

dari magma cair hasil letusan gunung berapi

yang membeku, sedangkan batuan metamorf

adalah batuan beku atau batuan sedimen yang

mengalami perubahan bentuk karena

perubahan suhu dan tekanan yang sangat

tinggi.[3]

Magma merupakan cairan silikat kental

yang pijar dengan suhu sekitar 2000 0C dan

bersifat dapat bergerak serta berada pada kerak

bumi bagian bawah. Dalam magma tersebut

terdapat beberapa bahan yang larut, bersifat

volatile (air, CO2, chlorine, fluorine, iron,

sulphur, dan lain-lain) yang menyebabkan

magma dapat bergerak, dan non-volatile

(Silicon, aluminum, calcium dan lain-lain)

yang merupakan pembentuk mineral yang

lazim dijumpai dalam batuan beku.[4]

Berdasarkan proses pembentukan dan

kandungan batuan beku ini, maka pada

penelitian ini mengalisis secara kualitatif

unsur-unsur yang terkandung dalam batuan

beku hasil letusan Gunung Batur Bangli –

Bali. Analisis mencakup jumlah unsur penyu

sun batu beku, homogenitas dan kekerasan

berdasarkan perbandingan intensitas unsur

kalsium ion dan netral yang ada dalam batu

tersebut. Semua penelitian ini menggunakan

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2016 (SFN XXIX), 19-21 September 2016,Makassar-Indonesia

226

metode laser-induced breakdown spectroscopy

(LIBS).

LIBS merupakan salah satu metode

spektroskopi yang dapat menganalisis sampel

baik secara kualitatif maupun kuantitatif

dengan cepat dan akurat. Hal ini disebabkan

karena menganalisis dengan LIBS hampir

tidak membutuhkan preparasi sampel, sekali

analisis memperoleh semua unsur dengan

konsentrasi hingga dibawah 10 ppm. Prinsip

kerja LIBS, laser difokuskan pada permukaan

sampel dan sebagian kecil sampel (˞ 0.01 mg)

terablasikan menjadi partikel-partikel bergerak

dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi

adiabatik dengan lingkungan menyebabkan

terbentuknya gelombang kejut (shock

wave).[5,6] Energi dari gelombang ini

diabsorpsi oleh electron-elektron dalam atom

untuk pindah ke level energi yang lebih tinggi.

Dalam waktu sangat singkat elektro-elektron

tersebut kembali ke keadaan dasar (ground

state) dengan mengemisikan foton dengan

panjang gelombang sesuai jenis atomnya.

Selanjutnya foton ditangkap oleh spektrometer

dan ditampilkan pada spektra intensitas fungsi

panjang gelombang yang masing-masing

menyataan konsentrasi dan jenis unsur yang

dikandung dalam batu.

2. METODE PENELITIAN DAN BAHAN

2.1. Bahan

Bahan yang digunakan pada penelitian ini

adalah batu beku yang berasal dari Gunung

Batur- Bangli- Bali. Batu dibersihkan dengan

air demineralisasi dan kemudian dikeringkan

di terik matahari bersuhu sekitar 40 0C selama

4 jam. Kemudian Batu dipotong berukuran 3 x

2 x 1 cm sebagai sampel.

2.2. Metode Penelitian

Laser-induced Breakdown spectroscopy

(LIBS) merupakan salah satu metode analisis

bahan baik secara kualitatif dan kuantitatif

secara cepat dan akurat.[7] Susunan peralatan

LIBS yang digunakan pada penelitian ini

ditunjukkan pada gambar 1. LIBS terdiri dari

laser Nd-YAG (model CFR 200, 7 ns, 1064

nm, 200 mJ), spektrometer HR 2500+ (14,336

CCD pixels, resolusi 0.1 nm, spectra range

200 – 980 nm), tempat sampel dan komputer

beserta software AddLIBS. Laser dioperasikan

pada mode Q-switch, frekuensi 5 Hz dengan

energi120 mJ difokuskan pada permukaan

sampel batu akan menghasilkan plasma. Emisi

foton dari atom-atom dalam plasma ditangkap

oleh spectrometer dengan akumulasi 3 , waktu

tunda deteksi 0,5 μs yang kemudian

ditampilkan sebagai spektra intensitas fungsi

panjang gelombang di komputer. Intensitas

berkorelasi dengan jumlah atau konsentrasi

suatu atom dalam sampel sedangkan panjang

gelombang menunjukkan jenis unsurnya.

Eksperimen dilakukan di lingkungan udara

bertekanan 1 atm dan gas He dengan

kecepatan aliran 40 ml/s.

Untuk mengalisis homogenitas unsur-

unsur yang terkandung dalam bahan hingga

kedalaman tertentu melalui metode depth

profile. Pada metode ini laser difokuskan pada

suatu titik tetap yang kemudian dilakukan

pengambilan data dengan akumulasi 3

sebanyak 6 kali pengulangan.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar 2 merupakan foto potongan

batu beku Gunung Batur yang mana terlihat

permukaan batu tidak rata dan seolah-olah

kumpulan dari batu-batu kecil. Keadaan

tekstur semacam itu dapat terjadi apabila lava

hasil letusan Gunung Batur diperkirakan

membeku dengan sangat lambat, sehingga

akan terbentuk batuan dengan ukuran kristal

yang agak besar – besar.

Gambar 2. Foto batu betu Gunung Batur Bangli-Bali Gambar. 1. Setup Eksperimen [8]

Sampel Cu

LIBS 2500+ +

spectrometer

A bundle

of fiber

optic

Nd:YAG laser

computer

Lens

Plasma

Mirror

Gas He

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2016 (SFN XXIX), 19-21 September 2016,Makassar-Indonesia

227

Untuk mengetahui elemen-elemen

yang terkandungan pada batu beku Gunung

Batur, maka dianalisis dengan LIBS dengan

energi laser 120 mJ, akumulasi 3, waktu

tunggu deteksi 0,5 µs dilingkungan udara 1

atm yang hasil spektranya seperti pada gambar

3. Gambar 3, menunjukkan spectra intensitas

emissi suatu atom fungsi panjang gelombang

yang mana masing-masing menyatakan

konsentrasi dan jenis atomnya. Berdasarkan

data yang ada pada gambar 3, bahwa batu

beku tersebut mengandung sepuluh unsur

kimia yang dominan, yaitu Silika (Si) ,

Aluminium (Al), Kalsium (Ca), Besi

(Fe), Natrium (Na), Hidrogen (H), Oksigen

(O), Titanium (Ti) , Magmesium (Mg) , dan

Kalium (K). Dalam penelitian ini tidak

menghitung besarnya kadar atau konsentrasi

dari masing-masing elemen yang terkandung

dalam batu beku tersebut.

Untuk memastikan bahwa elemen-

elemen tersebut merupakan penyusun utama

batu beku dan bukan merupakan elemen

impuritas selama proses pembekuan di

permukaan bumi, maka dilakukan analisis

elemen fungsi kedalaman yang sering disebut

depth profile analysis dan hasilnya

ditunjukkan pada gambar 4.[9]

Gambar 4 adalah spektra batu beku

pada daerah panjang gelombang 375 - 485 nm,

yang dianalisis setiap tiga kali irradiasi laser

sampai 18 irradiasi laser pada tempat yang

sama. Spektra menampilkan nilai intesitas

yang hampir sama dari irradiasi laser pertama

hingga ke 18. Ini menunjukkan bahwa elemen-

elemen tersebut merupakan unsur utama

penyusun batu beku dan bukan elemen

impuritas. Untuk melihat intensitas fungsi

kedalaman, maka dianalisis unsur Ca dan

hasilnya seperti pada gambar 5.

375 400 425 450 475

500

1000

1500

3

6

9

12

15

Ca II

396

,85

nm

Panjang gelombang, nm

inte

nsita

s em

isi, a

.u

irradiasi

laser k

e

Ca I

422,

67 n

m

Fe I

438,

35 n

m

Ti I

453,

32 n

m

Al I

396.

14 n

m

Mg

I 27

9.0

8 n

m

Ca

II 39

6.85

nm

Ca

I 422

.67

nm

Al I

396

.14

nm

Na

I 588

,99

Na

I 589

.59

O I

777

.19

nm

H I

656.

2 n

m

Si I

I 518

.53

nm

K I

766.

49 n

m

K I

769.

90 n

m

sampel : Batu beku G. Batu energi laser : 120 mJ akumulasi : 3 lingkungan gas : udara 1 atm

Fe I

438,

35 n

m

Ti I

453,

32 n

m

Gambar 3. Spektra dari batu betu Gunung Batur dianalisis dengan LIBS

Gambar 4. Spectra batu beku fungsi kedalaman (depth profile) pada daerah panjang gelombang 375–485 nm

dianalisis dengan LIBS

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2016 (SFN XXIX), 19-21 September 2016,Makassar-Indonesia

228

Berdasarkan data pada gambar 5,

bahwa intensitas emissi baik atom calcium

netral (Ca I) maupun ion (Ca II) menurun

dengan gradient masing-masing adalah -7,57

dan -4,56. Kemiringan ini bila dikonversikan

ke sudut adalah kurang dari satu derajat yang

mana dapat diasumsikan bahwa atom Ca

mempunyai intensitas yang sama atau

homogen dari permukaan batu hingga irradiasi

ke 18 (atau sekitar 48 µm). Untuk mengetahui

kekerasan batu beku ini, maka perlu

dibandingkan nilai intensitas emisi atom Ca

antara ion dan netral yang mana diperoleh nilai

sebesar 1,12. Nilai ini menunjukan bahwa batu

beku mempunyai kekerasan yang cukup

tinggi.[10]

Untuk meningkatkan kualitas signal

intensitas emisi, maka dilakukan eksperimen

di lingkungan gas He dengan kecepatan aliran

40 ml/s dan hasilnya ditampilkan pada gambar

6. Spektra pada gambar 6 menunjukkan bahwa

intensitas emisi semua elemen meningkat rata-

rata sekitar 23 % dan signal latarnya menurun

rata-rata sebesar 13 %. Khusus untuk atom

hidrogen bahwa intensitas di lingkungan udara

tampak lebih tinggi dibandingkan di

lingkungan gas He. Ini disebabkan karena

intensitasnya merupakan akumulasi dengan

intensitas hidrogen yang berasal dari udara

disekitar sampel. Akan tetapi, penggunaan gas

He menyebabkan nilai full width at half

maximum (FWHM) dari atom hidrogen

menyempit dari 2,08 nm menjadi 0,42 nm.

Keadaan ini sangat baik untuk analisis

kualitatif yang mana dapat memisahkan dua

garis emisi yang sangat berdekatan.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 3 6 9 12 15 18 21

Inte

nsi

tas

emis

i, ca

cah

irradiasi laser ke

Ca I 422.55 nm

Ca II 396.57 nm

Linear (Ca I 422.55 nm)

Linear (Ca II 396.57 nm)

sampel : Batu beku G. Batu energi laser : 120 mJ akumulasi : 3 lingkungan gas : udara 1 atm waktu tunggu deteksi: 0,5 µs

Ratio rata-rata = Ca II/Ca I = 1,12

Gambar 5. Intensitas emisi atom Ca fungsi kedalaman

--> y = -7.5714x + 806.44

--> y = -4.5683x + 861.58

100

300

500

700

900

600 620 640 660 680

inte

nsi

tas

emis

i, ca

cah

panjang gelombang, nm

di Gas Hedi Udara

H I

656.

2 n

m

Gambar 6. Spektra batu beku pada daerah panjang gelombang 600 – 680 nm di lingkungan udara dan gas He

dianalisis dengan LIBS

SIMPOSIUM FISIKA NASIONAL 2016 (SFN XXIX), 19-21 September 2016,Makassar-Indonesia

229

5. KESIMPULAN

1. Batu beku Gunung Batur Bangli-Bali

mengandung unsur-unsur utama yaitu

Silika (Si) , Aluminium (Al), Kalsium

(Ca), Besi (Fe), Natrium (Na), Hidrogen

(H), Oksigen (O), Titanium (Ti) ,

Magmesium (Mg) , dan Kalium (K)

2. Konsentrasi 10 elemen yang dikandung

dalam batu beku Gunung Batur adalah

homogen hingga kedalaman sekitar 48 µm

dengan kekerasan yang cukup tinggi

berdasarkan perbandingan intensitas atom

kalsium ion terhadap netralnya (CaII / Ca I

=1,12)

3. Penggunaan lingkungan gas He

dibandingkan udara akan meningkatkan

intensitas emisi dari masing-masing unsur

rata-rata sebesar 23 % , menurunkan

signal latar sebesar 13 % serta

menyempitkan full width at half maximum

(FWHM) dari 2,08 nm menjadi 0,42 nm.

6. REFERENSI

1. Walter T. Huang, Petrology, McGraw-

Hill, New York, 1962

2. https://id.wikipedia.org/wiki/Batu diakses

15 Mei 2016.

3. Blatt, Harvey and Robert J.

Tracy, Petrology, W.H.Freeman, 2nd ed.,

1996.

4. Turner dan Verhoogen , dalam

https://id.wikipedia.org/wiki/Batuan_beku

diakses 20 Mei 2016

5. Koo H. Kurniawan, T. Kobayashi and K.

Kagawa: The Effect of Different

Atmospheres on the Excitation Process of

TEA CO2 Laser Induced Shock Wave

Plasma, Appl. Spectrosc., 46, 4, (1992) pp.

581-586.

6. H Kurniawan, M O Tjia, M Barmawi, S

Yokoi, Y Kimura and K Kagawa, A time-

resolved spectroscopic study on the shock

wave plasma induced by the bombardment

of a TEA CO2 laser, Journal of Physics D:

Applied Physics, Volume 28, Number 5 ,

1994

7. David A. Cremers and Leon J.

Radziemski, Handbook of Laser-Induced

Breakdown Spectroscopy, John Wiley &

Sons, Ltd, 2006.

8. Hery Suyanto, Prosiding Seminar Fisika

Nasional (SFN XXVIII), Kendari 23-25

November 2015.

9. Hery Suyanto, “ Identifikasi Unsur Utama

Penyusun Permukaan Bahan Baja Ringan

dengan Laser-Induced Breakdown

Spectroscopy (LIBS)” Jurnal Energy dan

Manufaktur, vol.6 no.2, hal 151-156,

Oktober 2013.

10. Kenichiro Tsuyuki, Satoru Miura,

Nasrullah Idris, Koo Hendrik Kurniawan,

Tjung Jie Lie, and Kiichiro Kagawa,

Measurement of Concrete Strength Using

the Emission IntensityRatio Between

Ca(II) 396.8 nm and Ca(I) 422.6 nm in a

Nd:YAG Laser-Induced Plasma, Applied

spectroscopy, Volume 60, Number 1, 2006