06. Waktu Geologi dan Geokronologi MFS 1

06. Waktu Geologi dan
Geokronologi
MFS 1810
Salahuddin Husein

Jurusan Teknik Geologi
Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada
2008

Pendahuluan

shddin © 2008

Pendahuluan

shddin © 2008

• Konsep waktu (yang benar) ditemukan di Edinburgh pada
dekade 1770-an oleh sekelompok ilmuwan yang dipimpin oleh
James Hutton.
• Mereka menantang konsep waktu konvensional yang telah ada

di sepanjang sejarah hidup manusia, yang menyatakan bahwa
unit waktu terukur adalah rentang hidup manusia dan bahwa
umur planet Bumi hanya 6000 tahun (yang dihitung oleh Uskup
Ussher berdasarkan kronologi alkitab).
• Hutton dan kawan-kawan telah mempelajari batuan di sepanjang
pesisir Skotlandia dan menyimpulkan bahwa setiap formasi
batuan, betapapun tua, adalah hasil erosi dari batuan lain, yang
jauh lebih tua.

Pendahuluan

shddin © 2008

• Penemuan Hutton dkk memperlihatkan bahwa waktu terentang
sangat jauh melebihi manusia mampu bayangkan. Penemuan
tersebut merubah cara pandang manusia terhadap Bumi, planet,
bintang, dan juga terhadap kehadiran manusia itu sendiri.
• Sesungguhnya, konsep waktu yang berdasarkan observasi
formasi batuan tersebut berakar dari prinsip paling dasar dalam
ilmu Geologi, yaitu prinsip keseragaman (uniformitarianisme),

yang menjadi dasar Geologi modern.

Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi

shddin © 2008

• Pendapat paling dominan sebelum abad ke-18 dimiliki oleh
kelompok gereja berdasarkan kajian tekstual terhadap alkitab,
mereka menyatakan umur Bumi tidak lebih tua dari 6.000 tahun.
Penciptaan Bumi dan segala isinya dalam waktu sedemikian
singkat dipercaya melibatkan proses katastropis. Pendapat ini
lazim disebut sebagai teori penciptaan.
• Salah seorang ilmuwan pendukung teori penciptaan adalah
Baron Georges Cuvier (1769-1832). Pengamatannya terhadap
kumpulan fosil pada setiap lapisan batuan dianggapnya sebagai
bukti adanya peristiwa bencana alam bersifat katastropis yang
memusnahkan setiap makhluk hidup di setiap kurun waktu
tertentu.

Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi


shddin © 2008

• Upaya ilmiah untuk menentukan umur Bumi telah dilakukan oleh
beberapa ilmuwan. Georges Louis de Buffon (1707-1788)
menyatakan Bumi mendingin perlahan-lahan dari suatu bola
panas. Dengan membuat percobaan laboratorium dengan
beberapa bola besi berbagai diameter dan dibiarkan dingin
mengikuti temperatur kamar, de Buffon melakukan ekstrapolasi
terhadap diameter Bumi sesungguhnya dan menentukan usia
Bumi sekitar 75.000 tahun.
• Sekelompok ilmuwan lainnya pada paruh abad ke-18
menghitung kecepatan pengendapan berbagai sedimen dan
melakukan ekstrapolasi terhadap ketebalan batuan sedimen
yang diketahui saat itu, menghasilkan rerata umur Bumi sekitar 1
juta tahun.

Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi

shddin © 2008


• John Joly, seorang geolog Irlandia, pada abad ke-19 berasumsi
bahwa air laut pada mulanya bersifat tawar namun kemudian
menjadi asin akibat mineral garam yang dibawa oleh sungai.
Dengan menghitung volume seluruh airlaut yang ada di Bumi,
dia menentukan waktu 90 juta tahun untuk lautan mencapai
kadar salinitas saat ini, yang kemudian dianggap sebagai umur
Bumi.
• Pada tahun 1785, James Hutton (1726-1797), seorang geolog
Skotlandia, berdasarkan studi detail terhadap singkapan batuan
dan proses alam yang tengah berlangsung saat itu,
mengemukakan prinsip keseragaman (uniformitarianisme).
Konsep tersebut menyatakan proses geologi yang sama telah
bekerja pula pada waktu lampau, dan Hutton menuliskannya
sebagai “we find no vestige of a beginning, and no prospect of
an end”. Keunggulan prinsip ini lah yang mengantarkan Hutton
sebagai Bapak Geologi Modern.

Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi


shddin © 2008

• Pada tahun 1830, Charles Lyell, seorang murid James Hutton,
menerbitkan buku “Principles of Geology”. Konsep keseragaman
menjadi diterima secara luas oleh kalangan ilmuwan dan usia
Bumi yang sangat tua diterima oleh masyarakat. Kelak, buku
tersebut juga sangat mempengaruhi teori evolusi yang
dikembangkan oleh Charles Darwin pada tahun 1859.
• Lord Kelvin (1824-1907), seorang fisikawan Inggris yang sangat
dihormati, pada tahun 1866 mengklaim telah mematahkan
fondasi uniformitarianisme geologi. Beranjak dari asumsi umum
bahwa Bumi berawal dari sebuah bola panas, Kelvin
menghitung usia terbentuknya Bumi berdasarkan suhu leleh
batuan, dimensi Bumi dan koefisien pendinginan. Dia
menyatakan umur Bumi tidak mungkin lebih tua dari 100 juta
tahun. Pendapat Kelvin membuat masyarakat ilmuwan terbelah,
antara mendukung konsep Hutton atau menerima kalkulasi
Kelvin (yang tampak sangat logis).

Konsep-Konsep tentang Waktu Geologi


shddin © 2008

• Pada akhirnya, kampanye Kelvin selama 40 tahun harus
berakhir dengan ditemukannya unsur radioaktif di penghujung
abad ke-19. Materi radioaktif dipercaya menjaga panas internal
Bumi relatif konstan. Penemuan radioaktif tersebut sekaligus
membuat para geolog dapat menghitung umur batuan secara
mutlak dan menemukan bahwa Bumi memang sangat tua!

Pendekatan Waktu Geologi

shddin © 2008

Para geolog menggunakan dua pendekatan berbeda untuk
menentukan waktu geologi, yaitu:
1. Penanggalan relatif (relative dating) yang menempatkan
berbagai peristiwa geologi dalam urutan kronologis
berdasarkan posisinya dalam rekaman data geologi.
2. Penanggalan mutlak (absolute dating) menggunakan berbagai

teknik dan hasilnya dinyatakan dalam angka tahun sebelum
sekarang. Yang paling lazim adalah penanggalan radiometrik
dengan menggunakan unsur-unsur radioaktif di dalam
batuan.

Penanggalan Relatif

shddin © 2008

Sebelum berkembangnya teknik penanggalan radiometrik, para
geologi tidak memiliki cara untuk menentukan umur mutlak dan
hanya berpegang kepada metode penanggalan relatif.
Penanggalan relatif menempatkan berbagai proses geologi dalam
urutan kronologis tertentu, metode ini tidak dapat mengetahui
kapan suatu proses terjadi di masa lampau.
Ada 6 prinsip yang dipergunakan dalam penanggalan relatif:
1. Superposition
2. Original horizontality
3. Lateral continuity
4. Cross-cutting relationship

5. Inclusion
6. Fossil succession

Penanggalan Relatif

shddin © 2008

1. Prinsip superposition (Nicolas Steno, 1638-1686): dalam suatu
urutan batuan sedimen yang belum terganggu, batuan yang
paling tua diendapkan paling bawah sedangkan batuan yang
paling muda diendapkan paling atas.
2. Prinsip original horizontality (Nicolas Steno, 1638-1686): dalam
proses sedimentasi, sedimen diendapkan sebagai lapisan
horisontal.
3. Prinsip lateral continuity (Nicolas Steno, 1638-1686): sedimen
melampar secara horisontal ke segala arah hingga menipis dan
berakhir di tepi cekungan pengendapan.

Penanggalan Relatif


shddin © 2008

4. Prinsip cross-cutting relationship (James Hutton, 1726-1797):
intrusi batuan beku atau patahan harus lebih muda daripada
batuan yang diintrusi atau yang terpatahkan.
5. Prinsip inclusion: suatu inklusi (fragmen suatu batuan didalam
tubuh batuan lain) harus lebih tua daripada batuan yang
mengandungnya tersebut.
6. Prinsip fossil succession (William Smith, 1769-1839): fosil yang
ada di lapisan paling bawah lebih tua daripada fosil pada
lapisan paling atas.

shddin © 2008

Principles of Cross-cutting Relationship and Inclusions

(a) Aliran lava (lapisan 4)
membakar lapisan
dibawahnya, dan lapisan 5
mengandung inklusi dari

aliran lava, sehingga
lapisan 4 lebih muda dari
lapisan 3 namun lebih tua
dari lapisan 5 dan 6.
(b) Lapisan batuan dibawah
dan diatas sill (lapisan 3)
terbakar, menunjukkan
bahwa sill tersebut lebih
muda daripada lapisan 2
dan 4, namun umur lapisan
5 terhadap sill tidak dapat
ditentukan.

shddin © 2008

Principles of Cross-cutting Relationship and Inclusions

(a) Granit lebih muda daripada batupasir karena batupasir
terpanggang pada bidang kontaknya dengan granit dan granit
mengandung inklusi batupasir.

(b) Inklusi granit didalam batupasir menunjukkan granit lebih tua
daripada batupasir.

Principle of Faunal Succession

shddin © 2008

William Smith
mempergunakan fosil
untuk mengidentifikasi
perlapisan yang sama
umurnya dari
berbagai lokasi
terpisah, kelak
metode ini dikenal
sebagai prinsip faunal
succession.

Ketidakselarasan

shddin © 2008

Siccar Point, Berwickeshire, Skotlandia tenggara.
Disinilah James Hutton, James Hall dan John Playfair pada tahun
1788 menemukan prinsip ketidakselarasan.

Ketidakselarasan

shddin © 2008

• Waktu geologis bersifat menerus/kontinyu, namun informasi
dimana waktu tersebut didapatkan berasal dari rekaman batuan
yang bersifat tidak menerus/diskontinyu.
• Bidang ketidakmenerusan dalam urutan batuan yang
menunjukkan terganggunya proses sedimentasi dalam waktu
yang cukup lama disebut sebagai bidang ketidakselarasan
(unconformity).
• Waktu geologi yang hilang dari rekaman batuan, karena tidak
adanya pengendapan batuan, disebut sebagai hiatus.
• Sehingga bidang ketidakselarasan bisa juga disebut sebagai
bidang dimana tidak adanya pengendapan (non-deposisi) atau
erosi yang memisahkan batuan yang lebih muda terhadap
batuan yang lebih tua.

Ketidakselarasan

shddin © 2008

Ketidakselarasan

shddin © 2008

Terdapat 3 jenis ketidakselarasan:
1. Disconformity (antara 2 unit batuan sedimen yang paralel)
2. Angular unconformity (antara 2 unit batuan sedimen yang
menyudut)
3. Nonconformity (antara batuan kristalin dan batuan sedimen)

Disconformity

shddin © 2008

Angular Unconformity

shddin © 2008

Nonconformity

shddin © 2008

Menerapkan Prinsip Penanggalan Relatif

shddin © 2008

Menerapkan Prinsip Penanggalan Relatif

shddin © 2008

Korelasi

shddin © 2008

Penanggalan Mutlak

shddin © 2008

• Pada tahun 1896, Henri Bacquerel (1852-1908) menemukan
unsur radioaktif di alam.
• Pada tahun 1903, Pierre dan Marie Curie menemukan proses
peluruhan radioaktif.
• Lord Rutherford (1871-1937) yang pertamakali mengetahui
kegunaan peluruhan radioaktif untuk menentukan penanggalan
geologis secara mutlak.

Penanggalan Mutlak

shddin © 2008

• Prinsip dasar metode ini adalah menggunakan peluruhan
radioaktif dari isotop unsur beberapa mineral yang terdapat
didalam batuan, yang tingkat kecepatan peluruhan telah
diketahui dalam satuan waktu-paruh (half-life), yaitu jumlah
waktu yang diperlukan untuk merubah separuh inti isotop,
dengan cara membandingkan jumlah atom unsur yang tersisa
(parent isotope) dengan atom unsur yang dihasilkan oleh proses
peluruhan tersebut (daughter isotope).
• Pengukuran waktu paruh ditentukan di laboratorium. Dari
sampel batuan, geolog hanya menentukan rasio isotop indukanak (parent-daughter ratio) dengan alat bernama mass
spectrometer.

Isotop

shddin © 2008

Sebuah atom karbon memiliki nomer atom 6 dan nomer massa
atom 12, 13, atau 14, tergantung pada jumlah neutron didalam
intinya.

Meskipun hampir semua isotop dari 92 unsur alam bersifat stabil,
namun sebagian kecil justru bersifat tidak stabil dan secara
spontan luruh kedalam bentuk isotop yang lebih stabil.

Jenis-jenis Peluruhan Radioaktif

shddin © 2008

Peluruhan Radioaktif

shddin © 2008

Uranium 238 meluruh menjadi stabil sebagai timbal 206 melalui
delapan peluruhan alfa dan 6 peluruhan beta.

Waktu Paruh

shddin © 2008

(A) Hampir semua proses
peluruhan alamiah berjalan
secara linear. Jika ½ pasir
luruh dalam waktu 1 jam,
maka seluruhnya akan
habis dalam waktu 2 jam.
(B) Peluruhan radioaktif
berjalan secara
eksponensial. Jika ½-nya
meluruh dalam waktu 1 jam,
maka ½ dari sisanya (atau
¼) akan meluruh dalam 2
jam. Proses ini
diekspresikan dengan istilah
waktu paruh (half-life),
dalam contoh ini adalah 1
jam.

Waktu Paruh

shddin © 2008

(a) Magma mengandung atom stabil dan atom radioaktif.
(b) Ketika magma mendingin dan mengkristal, sebagian atom
radioaktif bergabung kedalam mineral. Pada kondisi ini,
mineral tersebut mengandung 100% isotop induk dan 0%
isotop anak.
(c) Setelah satu waktu paruh terlewati, 50% isotop induk meluruh
menjadi 50% isotop anak yang lebih stabil.

Waktu Paruh

shddin © 2008

Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif

shddin © 2008

• Penanggalan radioaktif yang paling akurat umumnya pada
batuan beku, karena mineral hasil kristalisasi magma hanya
mengandung isotop induk saja, sedangkan isotop anak jika telah
terbentuk tidak akan masuk kedalam sistem kristal karena
perbedaan ukuran.
• Sehingga yang terukur betul-betul waktu kristalisasi mineral
yang mengandung isotop radioaktif, bukan waktu terbentuknya
isotop tersebut.

Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif

shddin © 2008

• Penanggalan radioaktif pada batuan sedimen tidak dapat
dilakukan, karena yang terukur hanyalah waktu terbentuknay
mineral, bukan waktu berlangsungnya sedimentasi.
Pengecualian berlaku pada mineral glaukonit, suatu mineral
berwarna hijau yang mengandung isotop potassium 40 yang
akan meluruh menjadi argon 40. Glaukonit terbentuk di
lingkungan laut hasil reaksi kimia dengan mineral lempung
selama proses diagenesa ketika litifikasi.
• Meskipun demikian, karena argon adalah gas, maka isotop anak
argon 40 biasanya hilang menguap dari mineral. Sehingga
penanggalan pasangan potassium 40/argon 40 pada glaukonit
harus dipandang sebagai umur minimal.

Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif
Umur mutlak
batuan sedimen
dapat diperkirakan
dari penanggalan
mutlak batuan
beku yang ada
didekatnya.

shddin © 2008

Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif

shddin © 2008

• Penanggalan radioaktif pada batuan metamorf harus dilakukan
dengan sangat berhati-hati. Panas yang terjadi selama
metamorfisme umumnya menyebabkan isotop anak keluar dari
sistem yang ada. Bila semua isotop anak keluar dan yang tersisa
hanya isotop induk, maka rasio yang terukur kemudian adalah
cerminan waktu metamorfisme, bukan waktu kristalisasi mineral.
Namun bila tidak semua isotop anak keluar selama
metamorfisme, maka hasil penanggalan akan menjadi tidak
akurat.

Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif

shddin © 2008

• Untuk menjamin penanggalan radiometrik yang akurat, maka
sampel harus:
- segar
- tidak lapuk
- tidak pernah terkena tekanan dan temperatur tinggi
- selalu lakukan uji silang dengan isotop lainnya (misal uranium
235/timbal 207 dengan uranium 238/timbal 206; hasil rasio
keduanya harus mendekati).

Ketidakpastian dalam Penanggalan Radioaktif

shddin © 2008

Pengaruh metamorfisme
terhadap akurasi penanggalan
radioaktif:
(a) Mineral ketika terkristal
pada 700 jtl.
(b) Mineral ketika 400 jtl.
(c) Proses metamorfisme
pada 350 jtl menyebabkan
seluruh isotop anak keluar
dari mineral.
(d) Penanggalan pada saat ini
hanya mendapatkan umur
metamorfisme, bukan
umur kristalisasi.

Penanggalan Jejak Fisi (Fission Track)

shddin © 2008

• Pemancaran partikel atom dari peluruhan uranium dalam suatu
mineral dapat menyebabkan rusaknya struktur kristal yang ada.
Dampak kerusakan akan tampak sebagai jejak mikroskopis
linear yang hanya tampak apabila mineral dikenai asam
hidrofluorik.
• Umur sampel ditentukan berdasarkan jumlah jejak fisi dan
jumlah uranium: semakin tua sampel, semakin besar jumlah
jejak fisi.
• Metode ini efektif untuk kisaran 40.000 hingga 1,5 juta tahun.

• Problem kemungkinan muncul apabila batuan terkena
temperatur tinggi dimana struktur kristal yang rusak dapat
diperbaiki dan jejak fisinya akan hilang. Umur yang didapat akan
jauh lebih muda dari yang seharusnya.

Penanggalan Jejak Fisi (Fission Track)

shddin © 2008

Jejak fisi
(panjangnya
16 μm) dalam
kristal apatit
dari batuan
beku.

Penanggalan Radiokarbon

shddin © 2008

• Karbon memiliki 3 isotop,
yaitu karbon 12, 13 dan
14. Hanya karbon 14 yang
bersifat radioaktif.
• Karbon 14 memiliki waktu
paruh 5.730 30 tahun.
Praktis untuk sampel
berumur >70.000 tahun.
• Penanggalan radiokarbon
berdasarkan rasio karbon
14 terhadap karbon 12
dan umumnya
dipergunakan untuk sisasisa makhluk hidup.

Penanggalan Radiokarbon

shddin © 2008

Produksi karbon 14 di atmosfer tidaklah konstan di sepanjang
waktu, sehingga perbandingan karbon 14/karbon 12 juga tidak
konstan.
Penanggalan radiokarbon kemudian dikoreksi dengan metode
penanggalan lainnya, seperti penanggalan cincin pohon,
sebagaimana pada diagram diatas.

shddin © 2008

Penanggalan Cincin Pohon (Tree-Ring Dating)

• Usia sebuah pohon dapat ditentukan dengan menghitung jumlah
cincin pertumbuhan yang ada pada pokok pohon bagian bawah.
Setiap cincin mencerminkan masa pertumbuhan satu tahun.
Perbedaan lebar setiap cincin dapat dipergunakan sebagai kunci
untuk mencocokkan usia pertumbuhan dari berbagai pohon.
• Prosedur mencocokkan pola cincin dari berbagai pohon di suatu
tempat disebut sebagai penanggalan silang (cross-dating).
• Dengan mengkorelasikan sekuen cincin pohon yang sudah
teridentifikasi dari pohon yang masih hidup hingga sisa-sisa
pohon yang telah mati, suatu skala waktu dapat dibuat hingga
14.000 tahun silam.
• Metode ini sangat berguna untuk penanggalan peristiwa geologi
muda.

shddin © 2008

Penanggalan Cincin Pohon (Tree-Ring Dating)

Dengan metode cross-dating, pola cincin-pohon dari berbagai
pohon dan kayu dapat saling dicocokkan untuk membuat
kronologi lebar cincin.

Skala Waktu Geologi

shddin © 2008

Beberapa Bukti Pendukung

shddin © 2008

• Pertanyaan tentang umur Bumi sesungguhnya juga pertanyaan
tentang usia Matahari dan benda-benda angkasa lainnya,
karena diyakini semuanya terbentuk bersamaan dari material
debu jagad semesta.

• Para ahli astronomi telah menghitung rasio mula-mula hidrogen
dan helium di dalam Matahari dan jumlahnya kini,
memperkirakan usia Matahari sekitar 4,6 milyar tahun.
• Meteorit yang jatuh ke Bumi menunjukkan sebagian dari mereka
(dan yang tertua) terbentuk sekitar 4,5 milyar tahun lalu.
• Batuan yang dibawa dari Bulan menunjukkan usia paling tua
sekitar 4,53 milyar tahun lalu.

Beberapa Bukti Pendukung

shddin © 2008

• Material tertua di Bumi adalah butiran zircon dari Australia Barat
yang berumur 4,4 milyar tahun lalu.
• Batuan tertua di Bumi adalah gneiss Acasta berusia 4,0 milyar
tahun lalu dari Kanada baratlaut.
• Tanpa mengembangkan konsep waktu geologis, seorang
mahasiswa geologi tidak akan mampu memahami arti besar dari
proses geologi yang berjalan sangat lambat, seperti pelapukan
dan pelarutan. Arti dari proses-proses tersebut tidak dapat
hanya dilihat dari jangkauan waktu yang dialami indera manusia,
yang hanya mengenal hari, minggu, tahun dan pergantian
musim.

Mineral Tertua Planet Bumi

shddin © 2008

Kristal zirkon dari batupasir yang ditemukan di Australia Barat,
berumur 4.4 milyar tahun (hanya 100-200 juta tahun setelah
planet Bumi terbentuk!).

Batuan Tertua Planet Bumi

shddin © 2008

Gneiss Acasta di Kanada baratlaut terbentuk 4,0 milyar tahun lalu.

Skala Waktu Geologi
Namun bagaimana
memahami dan
mengapresiasi
skala waktu
milyaran tahun
tersebut kedalam
perspektif
manusiawi kita?
Salah satunya
adalah dengan
mempergunakan
jam tangan geologi
ini. Kehadiran kita
hanyalah 17 detik
terakhir saja…

shddin © 2008

shddin © 2008

Sejarah Bumi (Kita adalah Penghuni Terakhir?)