17Batuan Beku

Di pantai utara Irlandia, tiang-tiang batu yang berjajar rapat menuruni undakan sampai ke laut: Giant’s Causeway, sebuah basalt yang mendingin dari lava. Di Yosemite, California, dinding granit El Capitan menjulang sekitar $900\,\mathrm{m}$ di atas dasar lembah, satu tubuh tunggal batuan yang berbutir kasar. Keduanya mengkristal dari magma. Basalt itu mendingin di permukaan, dengan kristal yang terlalu kecil untuk dilihat; granit itu mendingin jauh di bawah tanah, dengan kristal yang cukup besar untuk dilihat, dan kini tampak hanya karena batuan di atasnya telah terkikis habis. Bab ini membaca pada butir-butir sebuah batuan seberapa cepat, dan seberapa dalam, batuan itu mendingin.

Yang sudah kamu ketahui

Magma adalah batuan cair di bawah permukaan; magma meletus sebagai lava, dengan tenang atau secara eksplosif (Buku 1, kelas 7). Batuan beku adalah batuan yang terbentuk ketika batuan cair mendingin dan menjadi padat (Buku 1, kelas 6). Basalt adalah batuan vulkanik yang gelap, granit batuan terang yang tersusun dari feldspar, kuarsa, dan mika (Buku 1, kelas 6). Peridotit mantel meleleh sebagian ketika naik di bawah punggungan, menghasilkan basalt dan gabro kerak samudra (Bab 14). Silikat pembentuk batuan adalah olivin, piroksen, amfibol, mika, feldspar, dan kuarsa; feldspar terdiri atas feldspar kalium dan plagioklas, sebuah deret dari yang kaya kalsium sampai yang kaya natrium (Bab 16). Kalor menyebar secara konduksi sejauh sekitar $\sqrt{\kappa t}$ dalam waktu $t$, dengan $\kappa$ difusivitas termal (Bab 15).

17.1 Batuan vulkanik dan batuan plutonik

Definisi 17.1 (Batuan vulkanik; batuan plutonik)

Batuan beku, yang terbentuk oleh kristalisasi magma, disebut batuan vulkanik (atau ekstrusif) bila magmanya membeku di permukaan Bumi, sebagai lava, dan batuan plutonik (atau intrusif) bila magmanya mengkristal di kedalaman, di dalam batuan lain.

Perbedaannya tampak pada ukuran kristal. Sebuah kristal tumbuh dengan menambahkan atom-atom yang diambil dari zat cair di sekitarnya, dan hal itu memerlukan waktu. Di permukaan, lava cepat kehilangan kalornya ke udara atau ke air: bahan yang dilontarkan ke udara atau ke air mendingin dalam hitungan detik, aliran lava dalam beberapa hari sampai beberapa minggu. Jauh di bawah, batuan di sekelilingnya panas dan magma kehilangan kalornya dengan lambat: intrusi yang dangkal mendingin dalam beberapa bulan sampai beberapa tahun, intrusi besar yang dalam mungkin memerlukan jutaan tahun. Pendinginan cepat menghasilkan banyak kristal kecil, atau sama sekali tidak ada kristal; pendinginan lambat menghasilkan kristal yang lebih sedikit tetapi jauh lebih besar.

Definisi 17.2 (Tekstur)

Yang disebut tekstur sebuah batuan adalah ukuran, bentuk, dan susunan butir-butirnya. Batuan beku bertekstur gelasan bila tidak mempunyai kristal, berbutir halus bila kristal-kristalnya terlalu kecil untuk dibedakan dengan mata telanjang, dan berbutir kasar bila semua kristalnya dapat dilihat.

Lava yang terdinginkan mendadak sebelum satu kristal pun sempat tumbuh menjadi kaca: obsidian, yang hitam dan gelasan, pecah dengan pecahan konkoidal seperti pecahan botol. Basalt berbutir halus: di tangan, mineral-mineralnya tidak dapat dikenali, dan bahkan dalam sayatan tipis kristal-kristalnya kecil (basalt pada Bab 16). Granit, gabro, dan diorit berbutir kasar: setiap butirnya tampak.

Definisi 17.3 (Fenokris; porfiritik)

Yang disebut fenokris adalah kristal besar yang terbenam dalam massa kristal yang jauh lebih kecil atau dalam kaca, yaitu massa dasar. Batuan yang mempunyai fenokris disebut porfiritik.

Tekstur porfiritik merekam dua tahap pendinginan: mula-mula lambat, di kedalaman, selagi fenokris tumbuh dalam magma yang sebagian besar masih cair; lalu cepat, ketika magma naik dan meletus, atau disuntikkan ke dalam batuan yang dingin, dan sisa zat cairnya membeku menjadi massa dasar.

17.2 Menamai batuan beku

Kunci kedua sebuah batuan beku adalah kimianya, dan terutama kandungan silikanya, $\ce{SiO2}$, yang pada magma-magma umum berkisar dari sekitar $45\,\%$ sampai sekitar $75\,\%$ dari massanya.

Definisi 17.4 (Mafik; intermediet; felsik)

Sebuah magma, atau batuan yang dibentuknya, disebut mafik bila mengandung sekitar $45\,\%$ sampai $55\,\%$ $\ce{SiO2}$ dan kaya akan besi, magnesium, dan kalsium; intermediet bila kandungannya antara $55\,\%$ dan $65\,\%$; felsik bila mengandung sekitar $65\,\%$ sampai $75\,\%$ $\ce{SiO2}$ dan miskin besi, magnesium, dan kalsium tetapi kaya akan natrium dan kalium.

Setiap jenis magma menghasilkan dua batuan, satu vulkanik dan berbutir halus, satu plutonik dan berbutir kasar, dengan kimia yang sama. Basalt dan gabro adalah pasangan mafik, yang telah kita jumpai pada kerak samudra; granit adalah batuan plutonik felsik. Tiga nama melengkapi kumpulan ini.

Definisi 17.5 (Andesit; diorit; riolit)

Andesit dan diorit adalah batuan vulkanik dan batuan plutonik yang komposisinya intermediet, yang sebagian besar tersusun dari plagioklas dengan amfibol atau piroksen. Riolit adalah batuan vulkanik yang komposisinya felsik, padanan granit yang berbutir halus.

Metode 17.6 (Menamai batuan beku)

1. Amati teksturnya: gelasan, berbutir halus, atau berbutir kasar; porfiritik atau tidak. Berbutir halus atau gelasan berarti vulkanik (atau intrusi kecil yang cepat mendingin); berbutir kasar berarti plutonik.
2. Kenali mineral-mineral yang dapat dilihat (Metode 16.4): kuarsa dan feldspar kalium menunjuk ke felsik, amfibol dengan plagioklas ke intermediet, olivin dan piroksen ke mafik. Pada batuan berbutir halus, gunakan fenokrisnya, warna massa dasarnya — gelap untuk mafik, terang untuk felsik — sebagai petunjuk, atau sebuah analisis kimia.
3. Bacalah namanya pada perpotongan baris dan kolom diagram.

Contoh 17.7 (Dua basalt)

Sebuah batuan gelap dari aliran lava berbutir halus di seluruh bagiannya; batuan lain, dari gunung api yang sama, memperlihatkan butir-butir olivin hijau selebar beberapa milimeter dalam massa dasar yang gelap. Keduanya mafik dan berbutir halus: keduanya basalt. Yang kedua adalah basalt porfiritik: olivinnya tumbuh lebih dahulu, dengan lambat, di dalam magma di bawah gunung api, sebelum lava meletus dan membeku di sekelilingnya.

17.3 Urutan kristalisasi

Magma tidak membeku pada satu suhu, seperti air. Mineral-mineralnya muncul satu demi satu ketika magma mendingin, masing-masing dalam selang suhunya sendiri, sehingga magma yang sedang mendingin dapat mengandung kristal dan masih sebagian besar cair.

Sejarah — Percobaan-percobaan Bowen

Norman L. Bowen (1887–1956) bergabung dengan Laboratorium Geofisika di Lembaga Carnegie di Washington pada tahun 1912. Dengan bekerja terutama pada magma basaltik, ia melelehkan batuan di dalam tungku, membiarkannya mendingin perlahan sampai suhu yang dipilih sehingga sebagian mineral terbentuk, lalu mendinginkannya secara mendadak, begitu cepat sehingga sisa zat cairnya menjadi kaca. Di bawah mikroskop, kristal-kristal itu menunjukkan mineral mana yang telah terbentuk di atas suhu tersebut. Dengan mengulanginya pada suhu yang makin lama makin rendah, percobaan itu memberikan urutan munculnya mineral-mineral. Bowen menerbitkan urutan ini sebagai sebuah deret reaksi pada tahun 1922 dan bukunya The Evolution of the Igneous Rocks pada tahun 1928.

Kata reaksi itu penting. Olivin hanya stabil pada suhu tinggi: ketika magma mendingin, kristal-kristal olivin bereaksi dengan silika dalam zat cair dan berubah menjadi piroksen,

dan begitu seterusnya menuruni cabang itu, selama silika masih ada dalam zat cair. Di sepanjang cabang yang lain, kristal plagioklas terus tumbuh, tetapi setiap lapisan barunya lebih kaya natrium daripada lapisan sebelumnya: kristal plagioklas dapat berzona, dari inti yang kaya kalsium sampai tepi yang kaya natrium, seperti fenokris plagioklas pada andesit di atas.

Deret ini menjelaskan diagram tadi. Magma mafik kehabisan silika lebih awal: magma itu mengkristalkan olivin, piroksen, dan plagioklas yang kaya kalsium, dan menghasilkan gabro bila mendingin perlahan di bawah tanah, basalt bila mendingin cepat di permukaan. Hanya magma yang kaya silika yang berlanjut sampai akhir deret dan membentuk feldspar kalium dan kuarsa: mineral-mineral granit dan riolit. Bagaimana sebuah magma mengubah komposisinya di sepanjang jalan, ketika kristal-kristal awalnya terpisah dari zat cair, adalah pokok bahasan tahun kedua perkuliahan.

17.4 Intrusi

Magma naik karena massa jenisnya lebih kecil daripada batuan di sekitarnya, sambil memaksakan jalannya ke dalam rekahan dan melebarkannya. Sebagian besar magma tidak pernah mencapai permukaan: magma itu mengkristal di dalam kerak sebagai intrusi, yang baru terlihat setelah erosi menyingkirkan batuan di atasnya.

Definisi 17.8 (Retas; sill; pluton)

Yang disebut intrusi adalah tubuh batuan beku yang mengkristal di dalam batuan lain. Yang disebut retas adalah lembaran batuan beku yang memotong lapisan atau struktur batuan yang diterobosnya; yang disebut sill adalah lembaran yang terletak sejajar dengan lapisan-lapisan, di antara lapisan-lapisan itu. Yang disebut pluton adalah intrusi besar dengan bentuk apa pun, yang terbentuk di kedalaman; banyak pluton yang bergabung membentuk sebuah batolit (Bab 22).

Lebar retas umumnya kurang dari $20\,\mathrm{m}$ dan tebal sill kurang dari $50\,\mathrm{m}$; sebuah sill biasanya dipasok oleh sebuah retas. Retas dan sill yang dangkal mendingin dengan cepat: keduanya berbutir halus, kadang-kadang porfiritik. Berbatasan dengan batuan dingin yang diterobosnya, tepi-tepinya mendingin paling cepat dan berbutir lebih halus lagi daripada bagian tengahnya: sebuah tepi dingin, tanda dari tubuh yang masih panas ketika menempati tempatnya. Sierra Nevada di California, tempat Yosemite berada, adalah sebuah batolit: batuan granitik yang massa jenisnya diukur pada Bab 16 berasal dari sekitar dua ratus plutonnya.

Berapa lama sebuah intrusi mengkristal? Tinjaulah selembar magma — sebuah retas atau sebuah sill — yang tebalnya $b$, yang kehilangan kalornya secara konduksi ke batuan di kedua sisinya. Satu-satunya besaran yang menentukan lajunya adalah tebal $b$, dalam meter, dan difusivitas termal $\kappa$, dalam $\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$; satu-satunya waktu yang dapat disusun dari keduanya adalah $b^2/\kappa$.

Proposisi 17.9 (Waktu pendinginan selembar magma)

Selembar magma yang tebalnya $b$ dan yang mendingin secara konduksi membeku dalam waktu

$$t = C\,\frac{b^2}{\kappa},$$

dengan $\kappa$ difusivitas termal batuan dan $C$ sebuah bilangan yang ditentukan oleh suhu magma dan suhu batuan di sekitarnya serta oleh kalor yang dilepaskan ketika magma mengkristal. Menggandakan tebalnya mengalikan waktunya dengan empat. (Diterima tanpa bukti; nilai $C$ berasal dari model yang dihitung.)

Untuk magma basaltik yang menerobos pada $1150{}^{\circ}\mathrm{C}$ ke dalam batuan bersuhu $50{}^{\circ}\mathrm{C}$, yang mengkristal seluruhnya pada $950{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan melepaskan $900\,\mathrm{MJ}$ kalor untuk setiap meter kubik yang mengkristal, dengan $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$, model itu memberikan $C \approx 0.21$. Selembar magma setebal $2\,\mathrm{m}$ lalu membeku dalam sekitar sepuluh hari, sebuah sill setebal $20\,\mathrm{m}$ dalam sekitar dua setengah tahun, dan yang setebal $100\,\mathrm{m}$ dalam sekitar enam puluh lima tahun. Tanpa kalor kristalisasi, waktunya akan tiga kali lebih singkat: magma yang sedang mengkristal menjaga dirinya tetap hangat.

Model itu juga memperlihatkan terbentuknya tepi dingin. Batuan pada bidang kontak langsung melonjak ke sekitar $690{}^{\circ}\mathrm{C}$, jauh di bawah solidus: beberapa sentimeter pertama sill itu membeku dalam satu hari, sedangkan bagian tengahnya tetap cair selama bertahun-tahun. Intrusi yang sebenarnya lebih rumit — sifat-sifat batuan berubah dengan suhu, air bersirkulasi, pluton yang dalam berada di dalam batuan yang sudah panas dan dapat dipasok lagi berulang kali — dan itulah sebabnya intrusi besar yang dalam memerlukan waktu jauh lebih lama untuk mendingin daripada yang ditunjukkan oleh hukum itu, dengan batuan sekitar yang dingin.

17.5 Latihan

Latihan 17.1 ★

Definisikan batuan vulkanik dan batuan plutonik. Sebutkan tiga pasangan batuan vulkanik dan plutonik yang komposisinya sama, dari mafik ke felsik.

Solusi

Solusi Latihan 17.1.

Batuan vulkanik terbentuk dari magma yang membeku di permukaan, sebagai lava; batuan plutonik mengkristal di kedalaman, di dalam batuan lain. Pasangannya: basalt dan gabro (mafik), andesit dan diorit (intermediet), riolit dan granit (felsik).

Latihan 17.2 ★

Pasangkan setiap batuan dengan teksturnya — gelasan, berbutir halus, berbutir kasar, porfiritik: (1) obsidian; (2) granit; (3) basalt dengan kristal olivin hijau selebar beberapa milimeter dalam massa dasar yang gelap; (4) basalt yang tidak satu mineral pun dapat dilihat di dalamnya.

Solusi

Solusi Latihan 17.2.

(1) Gelasan. (2) Berbutir kasar. (3) Porfiritik (fenokris olivin dalam massa dasar yang halus). (4) Berbutir halus.

Latihan 17.3 ★

Tiga magma mengandung $48\,\%$, $60\,\%$, dan $72\,\%$ $\ce{SiO2}$. Golongkan masing-masing, dan sebutkan batuan yang dihasilkan masing-masing bila mendingin perlahan di kedalaman.

Solusi

Solusi Latihan 17.3.

$48\,\%$: mafik, gabro. $60\,\%$: intermediet, diorit. $72\,\%$: felsik, granit.

Latihan 17.4 ★

Definisikan retas, sill, dan pluton. Pada gambar intrusi dalam bab ini, tubuh manakah yang memasok gunung api?

Solusi

Solusi Latihan 17.4.

Retas adalah lembaran batuan beku yang memotong lapisan batuan yang diterobosnya; sill adalah lembaran yang sejajar dengan lapisan-lapisan, di antara lapisan-lapisan itu; pluton adalah intrusi besar dengan bentuk apa pun yang terbentuk di kedalaman. Retas tegak yang naik dari pluton itulah yang memasok gunung api.

Latihan 17.5 ★

Dalam deret reaksi Bowen, mineral manakah yang terbentuk pertama, dan mineral manakah yang terbentuk terakhir? Bagaimana plagioklas berubah ketika magma mendingin?

Solusi

Solusi Latihan 17.5.

Olivin terbentuk pertama; feldspar kalium, kuarsa, dan kadang-kadang muskovit terakhir. Plagioklas mula-mula kaya kalsium dan menjadi makin lama makin kaya natrium ketika magma mendingin.

Latihan 17.6 ★★

Dua batuan dianalisis (persen massa). Batuan A: $\ce{SiO2}$ 74, $\ce{Al2O3}$ 14, $\ce{FeO}$ 3, $\ce{CaO}$ 3, $\ce{MgO}$ 0.5, $\ce{Na2O}$ 5, $\ce{K2O}$ 4. Batuan B: $\ce{SiO2}$ 47, $\ce{Al2O3}$ 14, $\ce{FeO}$ 8, $\ce{CaO}$ 10, $\ce{MgO}$ 8, $\ce{Na2O}$ 1, $\ce{K2O}$ 2. (1) Golongkan masing-masing. (2) Periksa jawabanmu dengan oksida-oksida lainnya. (3) Batuan A berbutir halus: sebutkan namanya. Batuan B berbutir kasar: sebutkan namanya.

Solusi

Solusi Latihan 17.6.

(1) A: $74\,\%$ $\ce{SiO2}$, felsik; B: $47\,\%$, mafik. (2) A miskin $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$, dan $\ce{CaO}$ serta kaya $\ce{Na2O}$ dan $\ce{K2O}$, seperti magma felsik; B kaya $\ce{FeO}$, $\ce{MgO}$, dan $\ce{CaO}$, serta miskin $\ce{Na2O}$, seperti magma mafik. (3) A adalah riolit; B gabro.

Latihan 17.7 ★★

Sebuah retas setebal $2\,\mathrm{m}$ membeku dalam sekitar sepuluh hari. Dengan proposisi tentang waktu pendinginan, berapa lama waktu yang diperlukan sebuah retas dari magma yang sama bila tebalnya $1\,\mathrm{m}$? Sebuah sill setebal $20\,\mathrm{m}$? Yang setebal $200\,\mathrm{m}$?

Solusi

Solusi Latihan 17.7.

Waktunya bertambah sebanding dengan kuadrat tebalnya. $1\,\mathrm{m}$: $10/4 = 2.5$ hari. $20\,\mathrm{m}$: $10 \times 10^2 = 1000$ hari, sekitar 2.7 tahun. $200\,\mathrm{m}$: $10 \times 100^2 = 100\,000$ hari, sekitar 270 tahun.

Latihan 17.8 ★★

(1) Tunjukkan bahwa $b^2/\kappa$ adalah sebuah waktu. (2) Hitung nilainya untuk $b = 20\,\mathrm{m}$ dan $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$, dalam detik dan dalam tahun ($1\text{ tahun} \approx 3.16 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$). (3) Dengan $C = 0.21$, berapa lama sill itu membeku?

Solusi

Solusi Latihan 17.8.

(1) $\mathrm{m}^{2}$ dibagi $\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ menghasilkan detik. (2) $400/10^{-6} = 4 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$, yaitu $4 \times 10^8 / 3.16 \times 10^7 \approx 12.7$ tahun. (3) $0.21 \times 12.7 \approx 2.7$ tahun.

Latihan 17.9 ★★

Sebuah batuan memperlihatkan kristal-kristal plagioklas berbentuk balok yang panjangnya sekitar satu sentimeter dalam massa dasar yang butir-butirnya tidak dapat dilihat. Jelaskan teksturnya, dan ceritakan kisah pendinginannya dalam dua tahap.

Solusi

Solusi Latihan 17.9.

Teksturnya porfiritik: fenokris plagioklas dalam massa dasar yang berbutir halus. Mula-mula magma mendingin perlahan di kedalaman, dan kristal-kristal plagioklas tumbuh besar selagi sebagian besar magma tetap cair; lalu magma naik dan mendingin dengan cepat, dan sisa zat cairnya mengkristal menjadi massa dasar yang halus.

Latihan 17.10 ★★

Olivin bereaksi dengan silika dalam zat cair: $\ce{Mg2SiO4 + SiO2 -> 2 MgSiO3}$. (1) Periksa bahwa persamaan itu setara. (2) Dengan massa molar $140.7\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ($\ce{Mg2SiO4}$) dan $60.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ($\ce{SiO2}$), berapa massa silika yang diambil $1\,\mathrm{kg}$ olivin dari zat cair? (3) Mengapa magma yang miskin silika mempertahankan olivinnya?

Solusi

Solusi Latihan 17.10.

(1) Kiri: 2 Mg, 2 Si, 6 O; kanan: 2 Mg, 2 Si, 6 O. (2) $1\,\mathrm{kg}$ olivin adalah $1000/140.7 \approx 7.11$ mol, yang mengambil mol silika dalam jumlah yang sama: $7.11 \times 60.1 \approx 427\,\mathrm{g}$. (3) Bila tidak ada lagi silika dalam zat cair, reaksi itu tidak dapat berlanjut: olivinnya tetap.

Latihan 17.11 ★★

Sebuah sill setebal $20\,\mathrm{m}$ dengan luas $1\,\mathrm{m}^{2}$ mendingin dari $1150{}^{\circ}\mathrm{C}$ ke $50{}^{\circ}\mathrm{C}$. (1) Kapasitas kalornya $2.5\,\mathrm{MJ}$ per meter kubik dan per derajat: berapa kalor yang hilang karena pendinginan itu? (2) Sill itu juga melepaskan $900\,\mathrm{MJ}$ per meter kubik ketika mengkristal: berapa kalor itu? (3) Bandingkan keduanya.

Solusi

Solusi Latihan 17.11.

(1) $2.5 \times 20 \times 1100 = 55\,000\,\mathrm{MJ}$, $5.5 \times 10^{10}\,\mathrm{J}$. (2) $900 \times 20 = 18\,000\,\mathrm{MJ}$, $1.8 \times 10^{10}\,\mathrm{J}$. (3) Kalor kristalisasi kira-kira sepertiga kalor yang hilang karena pendinginan, atau seperempat dari jumlahnya: cukup untuk sangat memperlambat pembekuan, karena seluruhnya dilepaskan di atas solidus.

Latihan 17.12 ★★★

Dalam model yang dihitung untuk sebuah sill setebal $20\,\mathrm{m}$, batuan yang berjarak $12.5\,\mathrm{cm}$ dari bidang kontak turun di bawah solidus setelah sekitar $0.6$ hari, batuan yang berjarak $5\,\mathrm{m}$ dari bidang kontak setelah sekitar 545 hari, dan bagian tengahnya setelah sekitar 950 hari. (1) Di bagian mana dalam sill itu kamu perkirakan kristal-kristal terkecil, dan di mana yang terbesar? (2) Apakah laju pertumbuhan lapisan padat itu tetap? (3) Mengapa sill itu berbutir halus bahkan di bagian tengahnya, dibandingkan dengan granit?

Solusi

Solusi Latihan 17.12.

(1) Kristal terkecil berada pada bidang kontak, yang membeku dalam satu hari; yang terbesar di bagian tengah, yang tetap cair selama sekitar 950 hari. (2) Tidak: $5\,\mathrm{m}$ pertama memerlukan sekitar 545 hari, $5\,\mathrm{m}$ terakhir sekitar 400 hari; mula-mula batas pembekuan itu melambat, lalu bergerak lebih cepat di dekat bagian tengah, tempat kalor yang keluar melalui kedua sisi bertemu. (3) Bahkan di bagian tengahnya, sill itu membeku dalam waktu kurang dari tiga tahun; granit dengan kristal besar memerlukan waktu yang jauh lebih lama.

Latihan 17.13 ★★★

Sebuah pluton tebalnya $2\,\mathrm{km}$. (1) Dengan proposisi itu dan sill setebal $20\,\mathrm{m}$ (sekitar 2.6 tahun), perkirakan waktu pendinginannya. (2) Intrusi besar yang dalam diketahui memerlukan waktu sampai jutaan tahun untuk mendingin. Berikan dua alasan mengapa hukum yang sederhana itu meremehkan waktunya.

Solusi

Solusi Latihan 17.13.

(1) Pluton itu 100 kali lebih tebal: $2.6 \times 100^2 = 26\,000$ tahun. (2) Misalnya: pluton yang dalam berada di dalam batuan yang sudah panas, sehingga kehilangan kalornya lebih lambat daripada ke dalam batuan bersuhu $50{}^{\circ}\mathrm{C}$; pluton itu dapat dipasok oleh magma baru berulang kali; pluton bukan lembaran yang tak terhingga luasnya; sifat-sifat batuan berubah dengan suhu.

Latihan 17.14 ★★★

Magma felsik meletus pada sekitar $650\text{ sampai }800{}^{\circ}\mathrm{C}$, magma mafik pada sekitar $1000\text{ sampai }1200{}^{\circ}\mathrm{C}$. Dengan deret reaksi Bowen, jelaskan mengapa granit mengandung feldspar kalium, kuarsa, dan plagioklas yang kaya natrium, tanpa olivin, sedangkan gabro mengandung olivin, piroksen, dan plagioklas yang kaya kalsium, tanpa kuarsa.

Solusi

Solusi Latihan 17.14.

Magma mafik panas dan miskin silika: magma itu mengkristalkan mineral-mineral pertama dalam deret — olivin, piroksen, plagioklas yang kaya kalsium — dan kehabisan silika sebelum kuarsa dapat terbentuk. Magma felsik lebih dingin dan kaya silika: olivin tidak stabil di dalamnya, dan magma itu berlanjut sampai akhir deret, membentuk plagioklas yang kaya natrium, feldspar kalium, dan kuarsa.

Latihan 17.15 ★★★

Bahan yang dilontarkan ke udara mendingin dalam hitungan detik, aliran lava dalam beberapa hari sampai beberapa minggu, intrusi dangkal dalam beberapa bulan sampai beberapa tahun. (1) Dengan proposisi itu, berapa tebal lembaran yang membeku dalam sekitar satu hari? (2) Sebuah aliran lava setebal $5\,\mathrm{m}$ membeku dalam sekitar satu bulan: apakah hal itu sesuai dengan hukum untuk lembaran yang didinginkan pada kedua sisinya? (3) Tekstur mana yang kamu perkirakan pada masing-masing kasus?

Solusi

Solusi Latihan 17.15.

(1) $b = \sqrt{t\kappa/C} = \sqrt{86400 \times 10^{-6}/0.21} \approx 0.64\,\mathrm{m}$. (2) Hukum itu memberikan $0.21 \times 25/10^{-6} \approx 5.3 \times 10^{6}\,\mathrm{s}$, sekitar dua bulan: orde besarnya sama dengan satu bulan (aliran lava juga kehilangan kalor ke udara di bagian atasnya). (3) Gelasan untuk bahan yang dilontarkan ke udara atau ke air; berbutir halus untuk aliran lava dan lembaran tipis; lebih kasar, tetapi masih kecil, untuk intrusi dangkal yang tebal.

17.6 Soal: Sebuah Sill dan Kristal-Kristalnya

Soal 17.1

Soal akhir pekan — berapa lama sebuah sill membeku

Di dinding sebuah lembah, selembar batuan beku gelap setebal $20\,\mathrm{m}$ terletak di antara dua lapisan batu pasir, sejajar dengan keduanya. Contoh-contoh diambil dari tepinya sampai ke bagian tengahnya. Pada bidang kontak batuannya sangat berbutir halus, hampir gelasan; $1\,\mathrm{m}$ ke dalam, kristal-kristalnya berukuran sekitar $0.1\,\mathrm{mm}$; di bagian tengah, sekitar $1\,\mathrm{mm}$, dan plagioklas serta piroksen baru dapat dibedakan dengan kaca pembesar.

Bagian I — Tekstur.

1. Apakah lembaran itu retas atau sill? Mengapa?
2. Jelaskan tekstur pada bidang kontak dan di bagian tengah.
3. Mengapa batuan itu paling halus butirnya pada bidang kontak?
4. Apa nama tepi berbutir halus ini, dan apa yang dibuktikannya tentang suhu lembaran itu ketika menempati tempatnya?
5. Lembaran itu dipasok dari bawah oleh selembar batuan yang sama yang tegak, setebal $2\,\mathrm{m}$, yang memotong batu pasir. Apakah itu?

Bagian II — Menamai batuan.

6. Sebuah analisis memberikan $49\,\%$ $\ce{SiO2}$, $10\,\%$ $\ce{FeO}$, $7\,\%$ $\ce{MgO}$, dan $10\,\%$ $\ce{CaO}$. Apakah magma itu mafik, intermediet, atau felsik?
7. Mineral-mineral apa yang kamu perkirakan, menurut deret Bowen?
8. Nama mana yang cocok untuk batuan pada bidang kontak? Batuan plutonik mana yang komposisinya sama?
9. Mengapa satu tubuh magma dapat menghasilkan batuan dengan tekstur yang berbeda-beda?
10. Dalam urutan apa olivin, piroksen, dan plagioklas mulai mengkristal?

Bagian III — Waktu pendinginan.

11. Hitung $b^2/\kappa$ untuk sill itu, dengan $\kappa = 1 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$, dalam detik.
12. Model itu memberikan $C = 0.206$. Hitung waktu yang diperlukan sill itu untuk membeku, dalam detik, lalu dalam tahun ($1\text{ tahun} \approx 3.16 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$).
13. Berapa lama waktu yang diperlukan lembaran pemasoknya, yang setebal $2\,\mathrm{m}$?
14. Tanpa kalor kristalisasi, $C$ akan sekitar $0.07$. Berapa lama sill itu akan membeku? Mengapa kristalisasi memperlambat pendinginan?
15. Model itu memberikan sekitar $0.6$ hari untuk batuan yang berjarak $12.5\,\mathrm{cm}$ dari bidang kontak. Berapa kali lebih cepat batuan itu membeku daripada bagian tengahnya?

Bagian IV — Apa yang diceritakan kristal-kristal itu.

16. Aliran lava mendingin dalam beberapa hari sampai beberapa minggu, intrusi dangkal dalam beberapa bulan sampai beberapa tahun. Di mana tempat sill itu?
17. Granit dengan kristal berukuran satu sentimeter atau lebih mendingin jauh lebih lambat. Dengan hukum itu, perkirakan tebal lembaran yang akan memerlukan waktu seribu kali lebih lama daripada sill itu.
18. Mengapa tubuh seperti itu pasti terbentuk jauh di dalam kerak?
19. Sill itu kini terlihat di permukaan. Apa yang pasti telah terjadi pada batuan yang dahulu berada di atasnya?
20. Simpulkan: berapa lama sill itu membeku?

Solusi

Solusi Soal 17.1.

1. Sebuah sill: lembaran itu terletak sejajar dengan lapisan-lapisan, di antara lapisan-lapisan itu.

2. Pada bidang kontak, sangat berbutir halus, hampir gelasan; di bagian tengah, berbutir halus sampai sedang, dengan mineral-mineral yang baru terlihat dengan kaca pembesar.

3. Bidang kontak kehilangan kalornya paling cepat, ke dalam batu pasir yang dingin: kristal-kristalnya tidak sempat tumbuh.

4. Tepi dingin. Tepi itu membuktikan bahwa magma itu panas ketika menempati tempatnya, dan batu pasirnya dingin.

5. Sebuah retas, pemasok sill itu.

6. Mafik: $49\,\%$ $\ce{SiO2}$, kaya akan besi, magnesium, dan kalsium.

7. Olivin, piroksen, dan plagioklas yang kaya kalsium.

8. Basalt; batuan plutonik yang komposisinya sama adalah gabro.

9. Tekstur bergantung pada laju pendinginan, yang berbeda dari bidang kontak sampai ke bagian tengah, bukan pada komposisinya.

10. Olivin lebih dahulu; plagioklas mulai kurang lebih pada titik yang sama dengan piroksen.

11. $b^2/\kappa = 400/10^{-6} = 4 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$.

12. $0.206 \times 4 \times 10^8 \approx 8.2 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$, yaitu $8.2 \times 10^7 / 3.16 \times 10^7 \approx 2.6$ tahun.

13. $0.206 \times 4/10^{-6} \approx 8.2 \times 10^{5}\,\mathrm{s}$, sekitar 9.5 hari.

14. $0.07 \times 4 \times 10^8 = 2.8 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$, sekitar 0.9 tahun. Magma yang sedang mengkristal melepaskan kalor, yang juga harus dibuang sebelum magma itu menjadi padat.

15. Sekitar 950 hari dibandingkan dengan 0.6 hari: sekitar 1600 kali lebih cepat.

16. Sekitar 950 hari, kira-kira 2.6 tahun: jauh lebih lama daripada aliran lava, di dalam rentang bulan sampai tahun intrusi dangkal.

17. Waktu seribu kali lebih lama memerlukan tebal $\sqrt{1000} \approx 32$ kali lebih besar: sekitar $630\,\mathrm{m}$.

18. Di dekat permukaan, tubuh magma akan meletus, atau mendingin terlalu cepat; tubuh besar yang mendingin dalam waktu yang sangat lama pasti berada di kedalaman, di dalam batuan yang sudah panas.

19. Batuan itu telah terkikis habis oleh erosi.

20. Sill itu memerlukan sekitar 2.6 tahun untuk membeku.