Elemen Komposisi Bumi

Elemen-elemen yang terdapat pada Solar System merupakan hasil dari proses Nucleo-Synthetic dan juga bercampur dengan Solar Nebula, yang terjadi sebelum terjadinya pertumbuhan planet yang ada di Solar System. Butiran-butiran yang terdapat di dalam carbonaceous condurites menunjukkan rekaman tentang apa yang terjadi mula-mula hingga proses terakhir yaitu ledakan supernova yang mengawali pertumbuhan planet-planet dalam kurun waktu tidak lebih dari miliyaran tahun. Elemen-elemen yang lebih berat dari besi, kebanyakan didominasi oleh unsur radioaktif yang merupakan hasil dari ledakan supernova.

Elemen non-volatile yang tumbuh di dalam komponen solar system yang termasuk dalam kelompok inner akan membentuk golongan planet terresterial dan juga akan membentuk body awal dari semua meteorit. Pencampuran yang terjadi pada proses ini didominasi oleh elemen dengan nomor atom kelipatan empat dan stuktur nuklir yang terbentuk didominasi oleh ikatan yang lebih kuat dari ⁴He (dapat dilihat pada Tabel 2.1). Nuklida-nuklida yang terdapat pada Tabel 2.1 merupakan nuklida yang menjadi komposisi planet.

Table 2.1 menunjukkan bahwa elemen-elemen besar yang membentuk semua planet teresterial, juga merupakan elemen yang membentuk meteorit dan melalui meteorit kita akan mengetahui suatu gambaran umum tentang planet. Seperti pada meteorit, kandungan dominan pada elemen-elemen yang terdapat dibumi adalah Oksigen, besi, magnesium dan silika (nomor massa 16,56, 24, 32). Proporsi massa dari masing-masing elemen dibumi adalah 31,5%, 30,3%, 15,4%, dan 14,2%, dengan semua elemen yang mengalami peningkatan hampir sekitar 8,6%.

Tabel 2.1    Perkiraan kandungan relatif berdasarkan massa dari elemen-elemen yang terdapat di solar photosphere, meteorit dan bumi. Nilai yang normal dapat dilihat pada kandungan silika. Lihat Newsom (1995) dan McDonough dan Sun (1995).

Nomor massa isotope	isotope	matahari	meteorites	bumi
1	H	1003
4	He	392	-	-
16	O	13.6	2.2	2.22
12	C	4.4	0.33
20	Ne	3.5
56	Fe	2.6	1.81	2.14
14	N	1.6	0.001	20 ppm
28	Si	1	1	1
24	Mg	0.91	0.91	1.09
32	Si	0.52	0.6	0.2
36	Ar	0.13	20 ppb	20 ppb
58	Ni	0.105	0.105	0.16
40	Ca	0.092	0.088	0.12
27	Al	0.08	0.082	0.11
23	Na	0.049	0.047	0.013

Tabel 2.2         Elemen-elemen yang dominan terdapat di bumi; presentasi massa untuk mantel, model core dan upper crust akan didiskusikan pada Section 2.7, section 2.8 dan section 2.9. 

Element	Upper cont. crust	Mantle	Outer core	Inner core	Earth
O	46.8	44.23	5.34	0.11	31.47
Fe	3.5	6.26	79.15	84.43	30.26
Mg	1.3	22.8	-	-	15.36
Si	30.8	21	-	-	14.15
Ni	-	0.2	6.49	6.92	2.27
S	3	0.03	8.84	8.02	2.78
Ca	-	2.53	-	-	1.7
Al	8	2.35	-	-	1.58
Na	2.9	0.27	-	-	0.18
Others	3.7	0.33	0.58	0.52	0.22
Mean at. Wt.	20.8	21.08	44.53	50.16	25.72

Terdapat ketidakpastian dari presentasi komposisi yang telah dijelaskan pada Tabel 2.2 yang diindikasikan dengan terdapatnya perbedaan antara proporsi dari major refraction elements di meteorit dan di bumi (dapat dilihat di Tabel 2.1). Kandungan dari metallic iron dimeteorit menunjukkan bahwa metallic iron juga merupakan suatu unsur pokok di bumi dalam jumlah yang sangat besar di bagian inti (core) dan hal ini juga dibenarkan ketika dilakukan identifikasi terhadap inti bumi melalui seismology. Bukti bahwa bumi didominasi oleh besi (iron) dapat dilihat bahwa mantel secara keseluruhan ditutupi oleh MgO dan SiO₂ , dengan kandungan yang paling kecil adalah FeO, CaO, Al₂O₃, Na₂O dan lain-lain. Oksida-oksida ini membentuk kandungan yang bervariasi pada mineral-mineral yang terdapat di mantel dengan tekanan yang dikontrol oleh struktur dari mineral itu sendiri. Dengan memperhatikan unsur utama dari mantel maka diyakini bahwa unsur utama mantel secara esensial adalah homogen tetapi karena pada mantel terdapat lapisan-lapisan yang disebabkan oleh tekanan maka akan menghasilkan adanya zona transisi yang membuat naiknya densitas pada struktur mineral terhadap kedalaman.

 Unsur pokok pada kerak bumi paling atas (uppermost crust) hanya sekitar 0,5% dari massa bumi dan hal ini tidak dapat merepresentasikan keseluruhan komposisi bumi. Jika diteliti lebih dalam hingga ke lapisan mantel bumi diketahui bahwa mantel bumi berkisar sekitar 67% dari total massa bumi dan inti (core) sekitar 32,5% dari total massa bumi. Mantel dan inti bumi memiliki material yang lebih padat dibandingkan dengan kerak bumi dan tekanan yang terdapat pada mantel dan inti bumi juga lebih besar jika dibandingkan dengan kerak bumi. Untuk mengetahui lebih jelas mengenai hal ini terdapat metode tidak langsung yang dapat digunakan untuk melihat pembagian komposisi bumi, seperti dengan seismology (lebih dijelaskan pada Chapter 17), eksperimen menggunakan tekanan yang tinggi pada masing-masing material (Section 18.2), analisis pada mantel dengan melihat pembagian unsur batuan beku yang terdapat pada mantel, perbandingan kandungan unsur radioaktif dengan menggunakan flux geothermal (Chapter 20) dan keberadaan serta sifat medan geomagnet (Chapter 24) yang akan 

memberikan informasi yang akurat. Semua metode tidak langsung tersebut akan memberikan petunjuk mengenai komposisi bumi.

Pada pembahasan kali ini, komposisi bumi akan dibagi berdasarkan kesamaan unsur pokok non-volatile antara bumi dengan meteorit dan antara bumi dengan solar atmosphere. Walaupun secara garis besar seluruh planet teresterial ini memiliki dasar penyusun yang sama, tetapi akan terdapat perbedaan dari sisi proporsinya. Hal ini terjadi disebabkan oleh karena adanya fraksinasi (fraksinasi adalah proses pemisahan suatu kuantitas tertentu dari campuran berupa padat, cair, terlarut, suspense atau isotope, dibagi dalam beberapa jumlah kecil (fraksi), pembagian atau perubahan ini didasarkan pada bobot dari tiap fraksi, fraksi yang lebih berat akan berada paling dasar sedang fraksi yang lebih ringan akan berada diatas)¹. Salah satu contoh adalah planet merkurius yang memiliki kandungan besi yang sangat tinggi dan hal ini tidak terjadi pada bumi.

       Pada mantel terdapat zona transisi mineral pada kedalaman 410km dan 660km zona transisi paling kecil terdapat pada kedalaman 520 km. Berdasarkan arus konveksi, mantel yang paling bawah dimulai pada kedalaman 660 km dan terus bertambah hingga terdapat batas antara mantel dan inti pada kedalaman sekitar 2890 km. Untuk daerah diatas 660 km dinamakan mantel atas yang disebut juga dengan zona transisi dan sifatnya lebih heterogen jika dibandingkan dengan bagian yang lebih dalam dari zona transisi tersebut. Pada mantel atas dan mantel bawah terdapat perbedaan secara kimia tetapi perbedaan ini sangat kecil / tidak terlalu terlihat. Telah banyak perdebatan mengenai konveksi yang terdapat pada mantel atas dan mantel bawah. Hasil pemikiran zona transisi dan konveksi akan didiskusikan pada termodinamika pada konveksi mantel pada Chapter 22. Pemisahan secara kimia pada mantel atas dan mantel bawah akan memberikan gambaran mengenai komposisi yang tidak pasti. Kandungan mineral pada intan merupakan suatu bukti bahwa bagian mantel paling bawah merupakan origin dan ‘hot spot’ basalt yang diyakini bahwa pada mantel bagian bawah ini merupakan bagian pelelehan parsial dari plumes konveksi yang merupakan dasar dari mantel (hal ini akan dibicarakan pada Chapter 12) yang juga akan membicarakan 

mengenai homogenitas dari mantel. Secara seismology diindikasikan bahwa slab litosfer yang dingin/kaku, terdapat subduksi dari permukaan hingga penetrasi dalam hingga kepada mantel yang paling bawah.

Model yang memberikan gambaran komposisi mantel berasal dari meteorite primitif (type 1 carbonaceous) yang mengandung vollatiles (unsur pokok inti bumi tidak termasuk di dalamnya) dan mengacu pada model pyrolite. Model ini berasal dari A.E Ringwood dari elemen pecahan-pecahan dalam proses pelelehan parsial yang menghasilkan magma yang bersifat basalt. Walaupun secara pemikiran dalam proses ini terdapat api, kata pyrolite adalah kontraksi dari dua prinsip mineral yaitu PYRoxene dan Olivine, kombinasi sederhana yang merupakan pendekatan dari komposisi mantel. Secara numerik terdapat variasi dari model pyrolite, dapat dilihat pada tekanan yang rendah bentuknya menjadi 60% olivine ((MgFe)₂SiO₄), 30% pyroxene ((MgFe)SiO₃) dan 10% garnet ((FeMgCa)₃Al₂Si₃O₁₂). Garnet lebih close-packed daripada olivine dan pyroxene dan garnet juga jauh lebih dapat bertahan terhadap tekanan.

      Mantel tidak dapat merepresentasikan bumi dikarenakan beberapa elemen terutama besi (iron) yang justru lebih banyak terdapat di core, walaupun besi merupakan elemen yang lebih dominan, inti bumi 10% kurang padat jika dibandingkan dengan besi alami yang berada pada kondisi yang sama dan hal ini terjadi karena inti bumi merupakan pencampuran elemen-elemen yang lebih ringan dan hal ini menyebabkan perdebatan dalam beberapa dekade  (Poirier, 1994). Kandidat yang lebih serius menyatakan bahwa penambahan berat atom dan massa atom di outer core membutuhkan unsur yang lebih ringan, H (1,4%), C (10,6%), O (12,7%), Si (17,7%), S (18,2%). Unsur-unsur ini mempengaruhi estimasi mengenai komposisi bumi. Argumen di section 2.8 menyatakan bahwa outercore lebih dominan merupakan pencampuran dari S dan O dan diinner core adalah S dan sedikit O. Keberadaan H dan C harus diakui tetapi Si tidak dominan. Pada core kandungan Ni lebih dominan dan Ni merupakan komposisi dari carbonaceous condrites dan kandungan Ni juga terdapat pada iron meteorites Untuk komposisi mantel dan kerak (silicate earth) kita menggunakan model McDonough dan Sun (1995) dan perkiraan komposisi core pada Tabel 2.5 untuk memperoleh hasil total bulk komposisi bumi pada Tabel 2.2. Komposisi kerak paling atas (upper crust) di area continent/benua yang diestimasikan oleh McLennan (1995). Komposisi kerak sangat beragam dan sangat berbeda dengan komposisi mantel. Dengan memperhatikan unsur pokok utama penyusun bumi, komposisi kerak lebih pasti dan elemen-elemen kecil dari bumi banyak terkonsentrasi pada kerak. Unsur radioaktif yang sangat penting seperti K, U dan Th (Lihat Chapter 21). Batas antara kerak dan mantel (diskontinuitas mohorivicic) dapat diidentifikasi dengan densitas dan kecepatan seismik dan hal ini ditandai dengan adanya perbedaan komposisi antara kerak dan mantel yang terdapat pada konsentrasi Mg yang dikompensasikan oleh Al. Jika dilihat dari awal terbentuknya elemen ini, komposisi kerak lebih dominan adalah Si dan Al, sedangkan untuk mantel adalah Si dan Mg.

Ringkasan klasifikasi elemen dari evolusi bumi berdasarkan sifat geokimianya dapat dilihat pada Tabel periodik yaitu Tabel 2.3.

Elemen Siderophile (Iron-loving) diduga merupakan unsur pokok dari core yang merupakan unsur yang sangat rapat, dapat dilihat pada Tabel dan elemen-elemen yang terdapat pada atmosfer juga termasuk kedalam kategori yang sama. Elemen Lithopile (Silicate-loving) akan hilang setelah terjadi ekstraksi dari elemen siderophile dan calcophile. Terdapat elemen-elemen grup yang tidak tepat untuk dimasukkan kedalam struktur kristal mantel dan termasuk fluida selama terjadinya proses pelelehan parsial. Proses vulkanik membuat elemen-elemen grup yang tidak tepat pada struktur Kristal mantel ini terdapat dikerak. Proses vulkanik ini juga termasuk dalam semua jenis radioaktif termal yang sangat penting dan proses ini menyebabkan elemen Mg menjadi tertinggal dan tetap berada pada mantel.

Hydrogen terutama dalam bentuk air merupakan hal yang krusial/penting di bumi walaupun tidak muncul pada daftar kandungan elemen dominan di Tabel 2.2. Tetapi elemen ini sangat spesial, terutama untuk dipermukaan karena sekitar 70% permukaan bumi ditutupi oleh air dan hal ini juga terjadi pada mantel. Air merupakan sebuah siklus yang mencakup atmosfer dan volume air akan selalu sama dengan volume air disamudera sekitar 3000 tahun yang lalu. Air disamudera memiliki siklus dengan mantel bagian atas dan terus menuju ke bawah hingga ke dalam daerah subduksi dengan seafloor sediments. Seperti yang kita ketahui, tektonik bergantung pada siklus tersebut. Air juga terpengaruh terhadap batuan-batuan yang terdapat pada mantel. Walaupun terdapat hubungan tidak langsung dari kandungan air yang terdapat didalam mantel yang dipelajari dari pulau yang terdapat disamudera yang bersifat basalt, tetap saja viskositas tidak dapat diterangkan tanpa adanya air. Tentang keberadaan hidrogen pada core secara khusus akan diterangkan pada section 2.8 tetapi hidrogen bukan merupakan komponen besar yang terdapat pada model komposisi di Tabel 2.5.

Pada diskusi kali ini, komposisi bumi hanya dilihat dari atmosfer dengan adanya hasil dari outgassing dan bukti-bukti dari peristiwa evolusi yang menjadi sebuah rekaman sejarah terbentuknya bumi. Lingkungan bumi memang unik seperti yang diilustrasikan dengan melihat perbandingan atmosfer di venus, bumi dan mars.