Penentuan Waktu Geologi

Waktu, ditemukan di Edinburg tahun 1770 oleh kelompok kecil yang diketuai James Hutton. Mereka tertantang oleh pemikiran orang kebanyakan soal waktu yang hanya sebatas umur manusia, atau beberapa generasi yang lampau. Dan juga saat itu orang percaya umur bumi 6000 tahun, yang ditentukan oleh Bishop Ussher berdasarkan penjumlahan kronologi dari injil. Hutton dan kelompoknya mempelajari batuan sepanjang pantai Skotlandia dan mengamati bahwa setiap formasi, berapapun umurnya, merupakan hasil erosi dari batuan lain, yang tentunya lebih tua. Penemuan ini memperlihatkan bahwa “akar waktu” jauh lebih dalam dari yang diperkirakan orang. Penemuan Hutton mengenai waktu berdasarkan interpretasi bahwa batuan sebagai hasil peristiwa-peristiwa dalam sejarah bumi, merupakan penemuan yang menonjol pada abad delapan belas. Karena untuk selanjutnya mengubah cara melihat bumi, planet-planet dan bintang-bintang.

Interpretasi bahwa batuan adalah hasil peristiwa dalam sejarah bumi berdasarkan salah satu asumsi dasar, pemeriksaan ilmiah; prinsip uniformitarianism, bahwa hukum-hukum alam tidak berubah sepanjang waktu. Kita asumsikan bahwa hukum-hukum kimia dan fisika yang berlangsung saat ini, telah berlangsung sepanjang waktu. Meskipun penjelasan-penjelasan ilmiah berkembang dan berubah, tetapi hukum-hukum alam dan proses-prosesnya tetap, tidak berubah.

Untuk saat itu, prinsip Hutton ini sangat radikal dan lama baru dapat diterima, terutama teori pembentukan dan umur bumi. Orang percaya bumi terbentuk dalam 6 hari dan umurnya sekitar 6000 tahun.

Umur Bumi

Umur bumi atau kelahiran bumi ini sudah menjadi pemikiran orang sejak berabad yang lalu, dan berbagai cara dilakukan untuk mengetahuinya. Sebelum Hutton dan Lyell sudah ada beberapa orang yang memikirkan umur bumi. Baru pada akhir abad ke sembilan belas ada usaha yang serius untuk memperkirakan berapa umur bumi sebenarnya. 

Dalam menentukan umur, lebih sering dipergunakan istilah pentarikhan atau dating, dan ada dua metoda yang umum dipergunakan. Dengan menganalisis fossil yang terdapat dalam batuan, yang memberikan umur relatif dan mempergunakan sifat radio aktif isotop, hasilnya adalah umur absolut yang dinyatakan dalam jumlah tahun.

1.  UMUR RELATIF

James Hutton adalah ilmuwan pertama yang mengerti akan arti umur relatif dalam geologi. Waktu itu ia belum tahu cara menentukan umur absolut. Dari kenampakan di Siccar Point, Skotlandia, Hutton mendapat bukti bahwa urutan peristiwa geologi terekam dan tersimpan dalam batuan. Kemudian Charles Lyell (1797 – 1875), seorang skotlandia seperti Hutton, menunjukkan penemuan Hutton dapat dipergunakan untuk menentukan umur relatif semua peristiwa-peristiwa geologi.

Umur bumi yang didasarkan pada material bumi (batuan, fossil dan sedimen) atau kejadian-kejadian (events) yang berlangsung di bumi, dinamakan umur relatif. Dan dinyatakan dengan dua cara yang berbeda. Pertama, dengan membandingkan material bumi, yang satu lebih tua atau lebih muda dibandingkan dengan yang lainnya. Meskipun umur sebenarnya tidak diketahui. Misalnya batuan sedimen dengan fossil dinosaurus relatif lebih tua dibandingkan dengan sedimen berfossil manusia, yang artinya lapisan yang satu diendapkan lebih dulu dibandingkan yang lainnya.

Umur relatif material bumi atau kejadian-kejadian di bumi merupakan perbandingan umur yang satu dengan lainnya. Penentuan umur relatif secara fisik dilakukan dengan bantuan kaidah-kaidah: 

1. Steno , original horizontality, pada awalnya sedimen diendapkan horizontal, dan hukum superposisi, lapisan yang dibawah diendapkan lebih dahulu dari pada yang diatasnya. 
2. James Hutton , dengan hubungan potong memotong (cross cutting relationship) 
3. Dan terutama dengan fossil yang terdapat dalam batuan sedimen (tidak terdapat dalam batuan beku atau metamorf).
4. Prinsip inklusi (priciple of inclusion), batuan asing yang terdapat dalam tubuh atau lapisan batuan berumur lebih tua dari batuannya sendiri.

Hukum super posisi

Hukum ini merupakan dasar penuntun untuk menentukan umur relatif tubuh batuan. Prinsipnya adalah, pada suatu urutan lapisan batuan sedimen dalam keadaan normal (belum terdeformasi), batuan tertua adalah yang paling bawah dan makin muda kearah atas. Urutan umur relatifnya sesuai dengan saat pengendapan sedimen. 

Pada penerapan hukum ini diasumsikan bahwa sedimen diendapkan secara horizontal dan dalam keadaan normal. Perlu diperhatikan kedudukan perlapisannya, mana yang diatas dan mana yang dibawah. Deformasi tektonik dapat membalikkan susunan perlapisan-perlapisan. Urutan batuan yang sudah terbalik dapat mudah dikenali dengan melihat struktur sedimennya, seperti lapisan silang siur (cross-bedding), gelembur-gelombang (riple-mark) dan rekah kerut (mud cracs).

Hukum potong memotong

Umur relatif suatu peristiwa tertentu diperlihatkan juga oleh hubungan potong memotong (crosscutting relations). Tahun 1788 James Hutton mempublikasi-kan gagasannya mengenai hubungan batuan sebagai berikut. Bila suatu lapisan, atau lapisan-lapisan batuan terpotong oleh batuan lain, maka umur batuan yang memotong lebih muda dari pada batuan yang dipotongnya. Misalnya lapisan-lapisan batuan sedimen diterobos batuan beku, gambar 1, yang berarti lapisan batuan sedimen dipotong oleh batuan beku, maka umur batuan beku lebih muda dibandingkan dengan umur batuan sedimen yang sudah ada sebelumnya. 

Gambar 1 Diagram memperlihatkan Hukum Potong-memotong dapat dipergunakan untuk menentukan umur relatif satuan-satuan batuan.dan urutan peristiwa geologi yang pernah berlangsung (dalam diagram diatas sesuai urutan abjat) (Hamblin, 1989).

Sebagai contoh, dalam diagram gambar 1 dapat dilihat urutan peristiwa pengendapan sedimen dan penerobosan batuan beku sesuai dengan urutan abjad. Batuan tertua adalah batuan metamorf (A), yang di-intrusi granit (B). Kontak granit dan lapisan yang terangkat (D), tidak ada, sehingga hubungannya tidak diketahui dengan pasti. Bidang erosi (C) berkembang diatas dataran metamorf yang disusul pengendapan batuan sedimen (D). Batuan-batuan ini diterobos oleh korok dan sill (E). Sesar (F) menggeser urutan (D). Kemudian terjadi bidang erosi luas atau berkembangnya bidang ketidak selarasan (G) yang memotong seluruh satuan-satuan (A sampai F). Lalu seri edapan horizontal (H) diendapkan. Intrusi (I) dan (J) terjadi, (I) membentuk lakolit dan (J) membentuk korok dan sill.

Urutan fossil (faunal succession)

Disamping hukum super-posisi, dalam suatu seri lapisan-lapisan batuan sedimen pada kerak bumi mengandung elemen tersendiri lain yang dapat dipergunakan untuk menentukan urutan kronologi peristiwa-peristiwa : urutan keatas himpunan fossil yang terkandung dalam batuan. Banyaknya dan sangat beragamnya fossil sangat menakjubkan. Beberapa batuan, seperti kapur (chalk) dan batugamping tertentu berkomposisi seluruhnya dari fossil, dan lainnya mengandung berjuta jenis. Yang paling umum adalah invertebrata laut, dan juga vertebrata mamalia, reptil dalam beberapa formasi batuan. Dengan dikenalnya fossil memungkinkan ahli geologi menyusun umur relatif, seperti halnya ahli arkheologi dengan artifak. Keduanya memperlihatkan evolusi dan perubahan dengan bejalannya waktu.

Saat ini pentarikhan dengan fossil telah dipercaya dan telah dipergunakan secara luas dalam penentuan lokasi sumber daya alam ekonomis, seperti minyak bumi dan endapan mineral ekonomis. Dan juga merupakan dasar penyusunan kolom geologi.

Dengan mempelajari penyebaran fossil indeks dan stratigrafi, letak susunan lapisan-lapisan batuan, disusunlah satu kolom waktu geologi (geologic time scale), dimana umur-umurnya dinyatakan dalam masa kehidupan fossil. Dan masa ini diberi nama sesuai dengan geografi dimana pertama kali fossil tersebut dijumpai. Misalnya Jura, fossilnya dijumpai di pegunungan Jura di Eropa.

Metoda yang paling sering digunakan dan umum adalah metoda paleontologi atau mikropaleontologi. Cara ini dilakukan dengan mengidentifikasi fossil indeks atau himpunan fossil yang terdapat dalam batuan, dan diperoleh umur relatif batuan.

Prinsip inklusi

Umur relatif batuan beku intrusif, terhadap batuan disekitarnya, biasanya terlihat dari inklusinya, atau fragmen-fragmen batuan yang lebih tua didalam batuan lebih muda. Saat magma bergerak keatas menembus kerak, menyingkap dan menelan fragmen-fragmen besar material disekitarnya yang tetap sebagai inklusi asing yang tidak meleleh.

Prinsip ini juga berlaku dalam konglomerat dimana kerakal yang relatif besar dan bongkah dari batuan yang telah ada, tertransport dan terendapkan dalam formasi baru. Konglomerat lebih muda dibandingkan kerakal dan bongkah yang ada didalamnya

2.  UMUR ABSOLUT

Umur bumi yang dinyatakan dalam satuan waktu, ditentukan dengan melakukan perhitungan alamiah dinamakan umur absolut. Untuk mengetahui umur bumi yang sebenarnya, orang mencoba menghitung waktu yang dibutuhkan untuk mengendapkan satu lapisan batuan sedimen. 

Dengan mengukur tebal lapisan dan kecepatan pengendapan, maka dapat dihititung waktu yang diperlukan untuk mengendapkan lapisan tersebut. Namun hasilnya masih belum memadai, karena sedimen yang diukur telah mengalami berbagai proses geologi, misalnya telah terjadi kompaksi. 

Kemudian Edmund Halley, pada tahun 1715 berpikir, dengan menghitung waktu yang dibutuhkan untuk “menggarami” laut sampai mempunyai salinitas seperti saat ini. Pemikiran ini baru dilakukan oleh John Joly pada 1889. Ia mengukur kadar garam di sungai dan di laut, kemudian menghitung waktu yang diperlukan.

Dan waktu yang dibutuhkan identik dengan umur bumi. Metoda inipun masih lemah, karena tidak mencermin kan semua laut di bumi, juga garam yang terlarut dalam air laut tidak hanya berasal dari sungai-sungai saja, tetapi juga dari gunung api bawah laut dan pelarutan mineral-mineral evaporit. Masih ada pemikiran yang lebih menarik, yakni dengan menghitung kecepatan pendinginan bumi oleh Lord Kelvin, seorang fisikawan.

Berdasarkan anggapan bahwa bumi semula merupakan suatu bulatan pijar yang sekarang telah mendingin secara pelahan-lahan dan membentuk kerak bumi di permukaannya, sedangkan intinya masih pijar. Akan tetapi pada saat itu, tahun 1896, belum diketahui adanya radio aktifitas, yang memancarkan panas secara kontinyu dan memanaskan dalaman bumi. Sehingga yang seharusnya mendingin dengan cepat, dalaman bumi mendingin lambat sekali. Bahkan bersuhu hampir tetap selama ratusan juta tahun. Penambahan panas radio aktif ini tidak diperhitungkannya, mengakibatkan hasil perhitungan umur bumi masih belum akurat. 

Jadi untuk menghitung umur bumi yang tepat diperlukan suatu proses yang berlangsung menerus, tidak terjadi proses balik, tidak terpengaruh proses lain dan daur lain, dan meninggalkan jejak (record) yang menerus (tidak ada gap). 

Diketemukannya unsur-unsur radio aktif, yang meluruh secara tetap oleh Marie Curie, merupakan metoda yang dibutuhkan untuk menyelesaikan masalah umur bumi pada masa kini.

Isotop dan Penentuan umur absolout

Dalam fisika dan kimia telah dipelajari bahwa nomor atom unsur tertentu merupakan jumlah proton dalam inti atom unsur tersebut dan tidak berubah-ubah. Sedangkan inti atom terdiri dari neutron yang jumlahnya dapat bervariasi tanpa mengubah jumlah proton. Misalnya unsur karbon, terdiri dari 6 proton, tetapi dapat disertai oleh 6,7 atau 8 neutron. Atom suatu unsur yang mengandung jumlah neutron yang berbeda-beda disebut isotop. Suatu isotop dikenali dari nomor massanya, yang merupakan jumlah neutron dan protonnya. Contoh diatas, carbon mempunyai 3 nomor massa 12, 13 dan 14, ditulis seperti ¹²C, ¹³C dan ¹⁴C. Umumnya unsur kimia merupakan gabungan beberapa isotop. Pada umumnya isotop-isotop unsur kimia dibumi bersifat stabil, cenderung tidak berubah. 

Akan tetapi ada beberapa yang tidak stabil, misalnya Karbon empat belas  (¹⁴C) bersifat rarioaktif, sebab intinya tidak stabil. Ketidak stabilan inti isotop disebabkan oleh karena keragaman nomor massa ada batasnya. Inti isotop radioaktif akan berubah secara spontan menjadi isotop yang lebih stabil dari unsur kimia yang sama atau isotop unsur kimia yang lain. 

Proses perubahan ini disebut peluruhan (decay), contohnya ¹⁴C meluruh menjadi ¹⁴N dan ²³⁸U menjadi ²⁰⁶Pb. Isotop semula sebelum meluruh, ¹⁴C dan ²³⁸U dinamakan parents, sedangkan hasil peluruhan, ¹⁴N dan ²⁰⁶Pb disebut daughter. Ada tiga cara peluruhan unsur radioaktif : 

1. Dengan memancarkan partikel Beta, dalam hal ini nomor massa tetap, tetapi nomor atomnya bertambah satu.
2. Dengan menangkap partikel Alpha , nomor atom berkurang satu, nomor massanya tetap.
3. Dengan memancarkan partikel Alpha, yang terdiri dari 2 proton dan 2 neutron (2p +2n); hilangnya partikel Alpha, mengakibatkan nomor massa berkurang empat dan nomor atom dua.

Peluruhan radioaktif dapat juga disertai radiasi sinar elektromagnitik, disebut sinar Gamma , tetapi tidak mempengaruhi nomor massa dan nomor atomnya.

Kecepatan peluruhan isotop tidak sama, banyak isotop radioaktif yang pernah ada di bumi tetapi sekarang sudah punah karena meluruh dengan cepat. Beberapa isotop radioaktif yang peluruhannya lambat masih ada. Percobaan di laboratotium membuktikan bahwa kecepatan peluruhan tidak terpengaruh oleh perubahan kondisi kimia atau fisika. Jadi kecepatan peluruhan suatu isotop di selubung (mantle) atau magma, sama seperti dalam batuan sedimen. Atau dapat dikatakan bahwa kecepatan peluruhan tidak terpengaruh oleh proses geologi. Hal ini penting artinya bagi penentuan umur absolut. 

Peluruhan setiap unsur radioaktif mempunyai waktu tertentu yang dapat diukur, dan mengikuti hukum dasar fisika: banyaknya bagian parent atoms yang meluruh dalam setiap satuan waktu adalah sama. Jumlah parent atoms yang meluruh turun secara kontinu sedangkan jumlah daughter atoms naik secara kontinu pula.

Waktu paruh (half life)

Kecepatan peluruhan unsur radioaktif dinyatakan dalam waktu paruh (half life), yang artinya waktu yang dibutuhkan untuk meluruhkan sejumlah panrent atoms menjadi setengahnya. Sebagai gambaran, misalnya waktu paruh suatu isotop radioaktif adalah satu jam, dan dimulai dengan 1000 atom (N₀). Setelah satu jam maka tersisa 500 parent atoms (N_p) dan terbentuk 500 daughter atoms (N_d).

Pentarikhan Kalium-Argon (⁴⁰K/⁴⁰Ar)

Sebagai gambaran penentuan umur dapat dilakukan terhadap mineral, dipilih isotop radio aktif alamiah kalium-40 (⁴⁰K). Kalium mempunyai 3 isotop, ³⁹K, ⁴⁰K dan ⁴¹K, tetapi hanya ⁴⁰K yang bersifat radio aktif dan mempunyai waktu paruh 1.3 . 10⁹ tahun.

Pada saat mineral yang mengandung kalium mengkristal dari magma atau berkembang pada batuan metamorf, termasuk ⁴⁰K, didalam struktur kristalnya. Sejak mineral terbentuk, saat itu pula mulai terakumulasi ⁴⁰Ar dan ⁴⁰Ca didalam mineral. Karena perbandingan ⁴⁰Ar dan ⁴⁰Ca selalu tetap, maka untuk mengetahui berapa banyak ⁴⁰K yang meluruh, dapat dipilih salah satu saja yang diukur. Isotop argon lebih baik, karena merupakan unsur yang properti atomnya berbeda dari lainnya. 

Selain itu juga argon tidak membentuk ikatan kimia dengan unsur lainnya, sehingga terdapat sebagai argon bebas yang terperangkap dalam kristal. Jadi argon yang terukur adalah seluruhnya hasil peluruhan. 

Kelebihan lainnya adalah pada suhu tinggi argon akan keluar dari kristal, tetapi pada suhu rendah ia akan tetap terperangkap. Artinya, argon yang diukur, hanya yang terbentuk dan terakumulasi sejak pembentukan mineralnya. Walaupun dalam magma terdapat ⁴⁰K yang menghasilkan ⁴⁰Ar, tetapi suhunya masih sangat tinggi, dan Ar tidak terperangkap dan keluar. Semua atom ⁴⁰Ar dalam mineral yang mengandung kalium pada batuan ekstrusif seperti diorit atau andesit haruslah berasal dari ⁴⁰K yang terakumulasi sejak suhunya rendah. Batuan ekstrusif mendingin dengan cepat, maka waktu ekstrusi sama dengan saat terperangkapnya argon. 

Dengan mengetahui jumlah ⁴⁰K dan ⁴⁰Ar serta waktu paruhnya, maka dapat dihitung waktu peluruhan, yang identik dengan umur batuannya.

Selain kalium-argon ada beberapa isotop lain yang dipergunakan pada pentarikhan radio aktif. Setiap isotop mempunyai kisaran efektif tertentu. Diluar kisarannya penentuannya tidak akan akurat lagi. Dengan bantuan analisis umur relatif dapat ditentukan kisaran umurnya, dan dipilih isotop mana yang paling sesuai. Selain metoda radioaktif, masih ada metoda-metoda lainnya yang juga dapat dipergunakan untuk menentukan umur absolut, Thermal Luminescens, Infra Red Oscilation Optic Luminescens, Electron Spib Resonance, Fission Track dan Asam Amino.

Hasil dari penentuan waktu geologi menggunakan fossil indeks dan umur relatif akan mendapatkan urutan stratigrafi. Dari korelasi stratigrafi di seluruh dunia disusun suatu Kolom Waktu Geologi, yang merupakan standard urutan kejadian di bumi