METODE ELEKTROMAGNETIK DALAM SURVEY GEOFISIKA Cinantya Nirmala Dewi, Dwi Ajeng E., Elwin Purwanto, Kuni Azizah, Rizka Rahmatie A.P., Siti Hidayatunnisak Jurusan Fisika Universitas Brawijaya Jalan Veteran 2 Malang 65145 ABSTRAK Salah satu cara atau metode untuk memperoleh informasi bawah permukaan bumi (subsurface) dengan menggunakan metode survei geofisika. Metode Elektromagnetik merupakan salah satu metode yang banyak digunakan dalam prospeksi geofisika dengan mengukur respon tanah terhadap perambatan gelombang elektromagnetik untuk eksplorasi benda-benda konduktif. Instrumen untuk survei elektromagnetik terdiri dari bagian pemancar dan penerima Perubahan komponen-komponen medan akibat variasi konduktivitas dimanfaatkan untuk menentukan struktur bawah permukaan. Metode elektromagnetik meliputi metode VLF (Very Low Frequency), Turam, dan TEM PENDAHULUAN Geofisika eksplorasi adalah pemakaian metoda - metoda seismik, gravitasi, kemagnetan, kelistrikan, dan elektromagnetik untuk pencarian minyak, gas, mineral, air tanah dan sebagainya, untuk eksplorasi dan eksploitasi dalam arti ekonomis. Salah satu metode yang banyak digunakan dalam prospeksi geofisika adalah metode elektromagnetik. Metode Elektromagnetik, yaitu membuat medan elektromagnetik (dengan sirkuit di permukaan) serta kita ukur kuat medannya, maka akan ada anomali bilaman di bawah terdapat cebakan urat bijih/ benda metal. Gelombang elektromagnetik mempunyai prinsip dasar dari persamaan Maxwell. Metode elektromagnetik biasanya digunakan untuk eksplorasi benda-benda konduktif. Perubahan komponen-komponen medan akibat variasi konduktivitas inilah yang dimanfaatkan untuk menentukan struktur bawah permukaan. PEMBAHASAN Teori medan elektromagnetik merupakan suatu teori yang menjelaskan hubungan antara medan magnet yang menimbulkan rambatan gelombang elektromagnetik. Menurut Maxwell, medan listrik yang berubah akan menimbulkan medan magnet, sementara itu Faraday berpendapat bahwa perubahan medan magnet menimbulkan medan listrik. Persamaan Maxwell merupakan persamaan yang melatarbelakangi gelombang elektromagnetik dimana terdapat medan listrik E dan medan magnet B. Pada medium konduktif, persamaan Maxwell dinyatakan dengan: Solusi medan listrik maupun medan magnet untuk medium homogen dapat menghitung besar amplitudo pada kedalaman tertentu atau dikenal dengan skin depth atau kedalaman penetrasi. Kedalaman penetrasi pada gelombang elektromagnetik dinyatakan dengan seberapa dalam gelombang terpenetrasi sehingga intensitasnya menjadi nol. Dalam hal ini gelombang medan magnet dan medan listrik akan sebanding dengan invers kedalaman penetrasi gelombang (Syamsuddin,2009). Medan elektromagnetik yang digunakan dapat diperoleh dengan sengaja membangkitkan medan elektromagnetik di sekitar daerah observasi, pengukuran semacam ini disebut teknik pengukuran aktif. Contoh metode ini adalah metode turam. Daerah observasi dari metode ini dibatasi oleh besarnya sumber yang dibuat. Teknik pengukuran lain adalah teknik pengukuran pasif, teknik ini memanfaatkan medan elektromagnetik yang berasal dari sumber yang tidak secara sengaja dibangkitkan di sekitar daerah pengamatan. Gelombang elektromagnetik seperti ini berasal dari alam (magnetotellurik) dan dari pemancar frekuensi rendah (15-30 kHz), yaitu VLF (Very Low Frequency) yang digunakan untuk kepentingan navigasi kapal selam di seluruh dunia. Teknik ini mempunyai jangkauan daerah pengamatan yang luas. 1. Metode Turam Metode ini merupakan metode elektromagnetik mengukur respon tanah terhadap perambatan gelombang elektromagnetik. Metode ini menggunakan dua koil yakni koil pemancar dan penerima. Koil pemancar digunakan untuk menghasilkan sebuah medan elektromagnetik primer (P) yang kemudian dipancarkan ke bawah permukaan (sub- surface) bumi. Medan ini akan menginduksi konduktor di sub-surface sehingga konduktor tersebut menghasilkan arus induksi yang dinamakan dengan arus eddy). Gambar 1. Prinsip umum survei elektromagnetik Metode elektromagnetik mengukur konduktivitas material. Hasil pengukuran dari instrumen pada survei elektromagnetik berupa konduktivitas semu. ( ) σα : Konduktivitas semu (Siemen/m) Hs :Medan mgnet sekunder yang diukur penerima (nT) Hp :Medan magnet primer yang diukur oleh koil penerima (nT) Ω :2πf, f adalah frekuensi dari gelombang elektromagnetik (Hz) μ0 : Permeabilitas ruang hampa s :Jarak antara koil pemancar dengan koil penerima (m) Instrumen yang diperlukan dalam metode ini adalah: Catu daya Osilator yang berperan sebagai penghasil sumber arus bolakbalik pada konduktivitas meter. Koil pemancar berfungsi sebagai penghasil gelombang elektromagnetik. Antena berfungsi sebagai alat yang dapat meradiasikan gelombang radio. Koil penerima terdiri atas dua koil yang mempunyai nilai induktansi yang sama (identik) dan berfungsi sebagai medan primer dan sekunder. Perekam data : Sebuah mikrokontroler dapat digunakan untuk mengendalikan proses perekaman data tersebut. Cara kerja : Instrumen yang digunakan untuk survei elektromagnetik terdiri atas dua koil yang terpisah dengan jarak tertentu. Medan magnet dari koil pemancar menginduksi arus di dalam tanah, sehingga menghasilkan medan magnet yang dideteksi oleh koil penerima. Gambar 2. Skema survei elektromagnetik Instrumen ini dapat digunakan dalam dua mode, yaitu: vertikal dan horizontal. Sumbu koil tegak lurus dengan tanah jika dalam mode vertikal dan sumbu koil sejajar dengan tanah jika dalam mode horizontal. Penggunaan masing-masing mode memiliki penetrasi kedalaman yang berbeda-beda. Instrumen untuk survei elektromagnetik terdiri atas bagian pemancar dan penerima. Bagian pemancar berfungsi sebagai sumber energi elektromagnetik. Sumber arus bolak-balik dihasilkan oleh sebuah osilator dan jika dilewatkan ke sebuah kumparan, maka akan dihasilkan medan magnet bolak- balik. Medan magnet bolak-balik ini kemudian dipancarkan ke tanah dan udara (sejajar tanah) menggunakan sebuah antena. Bagian penerima berfungsi sebagai pengukur dan perekam medan magnet primer dan sekunder. Medan magnet tersebut diukur menggunakan dua koil yang didesain khusus sehingga diperoleh resultan dari kedua medan magnet tersebut. Hasil pengukuran yang diinginkan dari instrumen ini adalah beda fasa antara medan primer dengan medan sekunder. Pengukuran beda fasa ini dilakukan dengan mengukur resistansi potensiometer pada rangkaian penerima. Supaya dapat direkam pada suatu memori, maka arus tersebut harus dikonversi menjadi tegangan kemudian didigitalisasi menggunakan ADC (Analog to Digital Converter). Survei lapangan menggunakan metode elektromagnetik dilakukan dengan tracking pada daerah yang diinginkan. Di setiap titik tracking, nilai resistansi dari potensiometer diukur dan dicatat (mode manual) ataupun disimpan ke memori (mode semi-otomatis). Resistansi yang dimaksud adalah ketika medan primer (P) dengan medan sekunder (S) dalam keadaan berlawanan fasa yang ditandai oleh indicator nol yang bernilai nol. (I = 0 mA atau tidak terdengat suara berisik pada headset). Amperemeter digunakan sebagai indikator nol. Interpretasi Data : Hasil pengukuran dari metode ini adalah resistansi dari potensiometer kemudian diplot pada kurva perbedaan fasa dimana R sebagai sebagai sumbu-y dan jarak dari titik acuan (x) sebagai sumbu-x. Pada grafik di bawah ini terdapat anomali yakni, jarak antara titik potong dengan medan elektromagnetik normal. Anomali melebar terhadap kedalaman, tetapi amplitudonya berkurang. Amplitudo anomaly juga berkurang terhadap keberadaan lubang pada benda konduktif. Gambar 3. Interpretasi Data Elektromagnetik 2. TEM TDEM (Time Domain Electomagnetic) atau kadang disebut juga TEM (transient electromagnetic) merupakan metoda elektromagnetik yang mengukur peluruhan tegangan transien sebagai fungsi dari waktu. Gambar 4. TDEM dengan sumber dipole listrik yang ujungnya ditancapkan kedalam tanah. Metode Transient Electromagnetic (TEM) merupakan salah satu metode geofisika yang biasa digunakan dalam investigasi air (hidrogeofisika), dan juga untuk memetakan kondisi bawah permukaan. Metode ini mempunyai resolusi yang cukup baik untuk menganalisis kondisi bawah permukaan dan menentukan bidang batas (interface) serta jumlah lapisan berdasarkan variasi resistivitas listriknya. Pada metode ini arus tidak secara langsung diinjeksikan, tetapi dilakukan induksi pada saat arus dalam loop transmiter dimatikan (dalam posisi off). Arus induksi pada tanah didifusikan ke bawah dan akan menjalar ke bawah permukaan (subsurface) sehingga akan menghasilkan medan magnetik sekunder yang diukur di permukaan dengan sebuah koil induksi kecil. Sifat resistivitas listrik batuannya sangat dipengaruhi oleh jumlah air, kadar garam, dan bagaimana cara air didistribusikan ke dalam batuan. Jika garam terlarut dalam air maka ion-ion pembawanya akan terpisah dan bergerak bebas dalam air. Batuan yang pori-porinya terisi air, nilai resistivitas listriknya berkurang dengan bertambahnya kandungan air Arus transmitter yang masih periodik dan sinyal receiver ditunjukkan pada gambar 5. Gambar 5. (a) arus transmitter. (b) sinyal receiver 3. VLF Metode VLF-EM merupakan salah satu dari berbagai macam metode Geofisika yang memanfaatkan parameter frequensi. Metode ini tergolong metode geofisika pasif, karena pada kerjanya metode ini hanya menangkap sinyal-sinyal frequensi dari stasiun-stasiun yang ada diseluruh dunia. seperti namanya, metode ini memanfaatkan sinyal pemancar radio berfrekuensi rendah. Medan elektromagnetik yang dipancarkan antena pemancar radio VLF-EM selanjutnya akan diterima stasiun penerima dalam empat macam perambatan gelombang, yaitu gelombang langit, gelombang langsung, gelombang pantul dan gelombang terperangkap. Adapun yang paling sering dimanfaatkan dan terukur sewaktu pengukuran data VLF-EM di daerah survey adalah gelombang langit. Gambar 6. Jenis-jenis penjalaran gelombang pada metode VLF Metode VLF bertujuan untuk mengukur harga daya konduktivitas batuan berdasarkan pengukuran gelombang elektormagnetik sekunder dengan memanfaatkan gelombang hasil induksi elektomagnetik yang berfrekuensi sangat rendah sehingga memiliki penetrasi yang cukup dalam. Gelombang ini juga menjalar ke seluruh dunia dengan atenuasi yang kecil dalam pandu gelombang antara permukaan bumi dan ionosfer. Metode elektromagnetik VLF memanfaatkan medan elektromagnetik yang dibangkitkan pemancar-pemancar gelombang radio VLF berdaya besar yang dioperasikan untuk kepentingan militer. Medan magnetik dan medan listrik yang dibangkitkannya disebut sebagai medan primer. Medan primer membangkitkan medan sekunder sebagai akibat adanya arus induksi yang mengalir pada benda- benda konduktor di dalam tanah. Medan sekunder yang timbul bergantung pada sifat-sifat medan primer, sifat listrik benda-benda di dalam tanah dan medium sekitarnya, serta bentuk dan posisi benda- benda tersebut. Adapun parameter elektromagnet VLF yang penting adalah : 1. Pemancar Pemancar ini mulai dibangun sejak Perang Dunia I, digunakan untuk komunikasi jarak jauh karena kemampuannya untuk komunikasi gelombang dengan pelemahan yang sangat kecil pada gelombang bumi ionesfer.Penetrasinya cukup efektif hingga dapat menembus laut dalam. 2. Pengaruh Atmosfer Sumber nois yang utama adalah radiasi medan elektromagnetik akibat kilat atmosfer baik di tempat dekat atau jauh dari lokasi pengukuran. Pada frekwensi VLF radiasi medan ini cukup dapat melemahkan sinyal yang dipancarkan oleh pemancar. Daerah yang cukup banyak badai tersebut adalah Afrika tengah dan Asia tenggara termasuk Indonesia. Noise kedua adalah variasi diurnal medan elektromagnetik bumi di mana terjadi pergerakan badai dari arah timur ke barat yang terjadi mulai siang hingga sore hampir malam. 3. Rambatan Gelombang Elektromagnetik Pada elektromagnetik VLF dengan frekuensi 10 -2 S/m. Hal ini menunjukkan efek medan akibat arus konduksi memegang peranan penting ketika terjadi perubahan konduktivitas batuan. 4. Pelemahan (Atenuasi) Medan Pelemahan medan ini mempengaruhi kedalaman. Kedalaman pada saat amplitudo menjadi 1/e (kira-kira 37%) dikenal sebagai skin depth atau kedalaman kulit. Kedalaman ini dalam metode elektromagnetik disebut sebagai kedalaman penetrasi gelombang, Dalam metoda Very Low sinyal yang dibangkitkan oleh antena pemancar terdiri atas medan magnet dan medan listrik yang berosilasi dalam frekuensi yang dipilih antena Akibat interaksi dengan benda konduktif di dalam bumi maka komponen horisontal magnetik medan primer membangkitkan komponen horisontal medan listrik dalam arah penjalarannya. Pada suatu daerah tak homogen, komponen vertikal magnetik dibangkitkan untuk beberapa variasi konduktivitas. Medan elektromagnetik primer akan menginduksi benda konduktif ketika melewatinya sehingga akan terbentuk arus listrik dan terbentuk medan magnetik sekunder (Hs), medan yang terekam adalah medan resultan yang disebut polarisasi ellip. Pengukuran VLF dengan mode tilt angle digunakan untuk mengetahui struktur konduktif dan kontak geologi seperti zona alterasi, patahan, dan dike konduktif. Dalam mode ini, arah strike target memiliki sudut ±45° dengan lokasi pemancar. Pada konfigurasi pengukuran semacam ini, medan primer akan memberikan fluks yang maksimum jika memotong struktur, sehingga memberikan kemungkinan anomali yang paling besar. Medan magnet yang memiliki komponen horisontal dan vertikal membentuk sebuah elips yang dapat ditunjukkan dengan sudut tilt dari sumbu mayor dan sumbu horisontalnya, dan eliptisitasnya (perbandingan sumbu minor/sumbu mayor). Alat akan mengukur dua besaran tersebut dari pengukuran komponen in-phase dan out-of-phase medan magnetik vertikal dari medan horisontalnya. Data tilt biasanya disajikan dalam derivative Fraser. Gambar 7. Parameter Polarisasi Ellips Karakteristik gelombang elektromagnetik dalam metode VLF dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada saat gelombang primer masuk kedalam medium, gaya gerak listrik (ggl) induksi εs akan muncul dengan frekuensi yang sama, tetapi fase tertinggal 90 o . Gambar 8 menunjukkan diagram vektor antara medan primer P dan ggl induksinya. Kombinasi antara medan P dan medan S (R cos α) disebut komponen real (in phase) dan komponen yang tegak lurus P (R sin α) disebut komponen imaginer (out-of-phase, komponen kuadratur). Gambar 8. Hubungan ampitudo dan fase gelombang sekunder dan primer (P) Jika medan magnet horizontal adalah Hx dan medan magnet vertikalnya adalah Hz, maka besar sudut tilt dapat ditunjukkan seperti Gambar 9, yang besarnya adalah dan eliptisitasnya diberikan sebagai Gambar 9. Parameter Polarisasi Ellips Tangen dari sudut tilt dan eliptisitas dapat digunakan untuk membandingan komponen medan magnetik sekunder S vertikal dengan medan magnetik primer P horizontal, serta membandingkan komponen kuadrat dari medan sekunder S vertikal terhadap medan primer P horizontal 4. GPR (Ground Penetrating Radar) Metode ground penetrating radar atau georadar merupakan salah satu metode geofisika yang mempelajari kondisi bawah permukaan berdasarkan sifat elektromagnetik dengan menggunakan gelombang radio dengan frekuensi antara 1-1000 MHz. Georadar menggunakan gelombang elektromagnet dan memanfaatkan sifat radiasinya yang memperlihatkan refleksi seperti pada metode seismik refleksi. Pengukuran dengan menggunakan GPR ini merupakan metode yang tepat untuk mendeteksi benda benda kecil yang berada di dekat permukaan bumi (0,1-3 meter) dengan resolusi yang tinggi yang artinya konstanta dielektriknya menjadi rendah. Ada tiga jenis pengukuran yaitu refleksi, velocity sounding, dan transiluminasi. Pengukuran refleksi biasa disebut Continuous Reflection Profiling (CRP). Pengukuran velocity Sounding disebut Common Mid Point (CMP) untuk menentukan kecepatan versus kedalaman, dan transiluminasi disebut juga GPR Tomografi. GPR terdiri dari sebuah pembangkit sinyal, antena transmitter dan receiver sebagai pendeteksi gelombang EM yang dipantulkan. Signal radar ditransmisikan sebagai pulsa-pulsa yang tidak terabsorbsi oleh bumi tetapi dipantulkan dalam domain waktu tertentu. Mode konfigurasi antena transmitter dan receiver pada GPR terdiri dari mode monostatik dan bistatik. Mode monostatik yaitu bila transmitter dan receiver digabung dalam satu antena. Sedangkan moded bistatik bila kedua antena memiliki jarak pemisah. Transmitter membangkitkan pulsa gelombang EM pada frekuensi tertentu sesuai dengan karaketristik antena tersebut (10 MHz – 4 GHz). Receiver diset untuk melakukan scan yang secara normal mancapi 32-512 scan per detik. Setiap hasil scan ditampilkan pada layar monitor (real-time) sebagai fungsi waktu two-way traveltime, yaitu waktu yang dibutuhkan gelombang EM menjalar dari transmitter, target dan ke receiver. Tampilan ini disebut radargram. STUDI KASUS Judul : Estimasi Aliran Sungai Bawah Tanah dengan Menggunakan Metode Geofisika VLF EM, Mode Sudut Tlit di Daerah Dengok dan Ngrejok Wetan, Gunungkidul, Yogyakarta Metode Penelitian : Beberapa peralatan utama yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dar satu unit T-VLF Iris yang berfungsi sebagai receiver, enam buah baterai 1.5 Volt (pemakaian 8 jam) sebagai sumber daya untuk unit sensor dan sebuah baterai 9 volt sebagai daya internal monitor. Desain survei penelitian dengan metode Very Low Frequency pada mode sudut tilt adalah sebagai berikut: 1. Mode sudut tilt digunakan untuk mengetahui struktur konduktifitas kontak geologi seperti zona alterasi, patahan, dan dike konduktif. 2. Arah strike target memiliki sudut toleransi ±45 derajat dengan lokasi pemancar 3. Medan primer akan memberikan fluks yang maksimum jika memotong struktur, sehingga akan memberikan kemungkinan anomali yang besar. Tabel Parameter Akuisisi Survey VLF : PARAMETER NILAI PARAMETER Jumlah lintasan 5 lintasan Panjang tiap lintasan 990 m Spasi titik pengukuran 10 m Jumlah titik pengukuran tiap lintasan 100 titik Frekuensi pengukuran 19800 hz Data terukur Tilt, elliptisitas Hasil Dan Pembahasan : Gambar 10. Gambar estimasi pola aliran sungai bawah tanah dengan kerapatan arus ekivalen Gambar di atas merupakan gabungan lima lintasan hasil pengolahan data sudut tilt dengan filter liniear yang dihitung pada berbagai kedalaman. Sehingga didapatkan indikasi adanya daerah konduktif dengan nilai rapat arus ekivalen yang tinggi. Kelima lintasan tersebut, bila dikorelasikan keberadaan sungai bawah tanah, diperoleh hasil interpretasi distribusi aliran sungai bawah tanah. Nilai resistivitas hasil pemodelan kebelakang berkisar dari (0 hingga 15000 ohm-meter). Nilai resistivitas terendah ditandai dengan warna biru dan resistivitas tertinggi ditandai dengan warna merah. Semakin rendah resistivitas batuan maka konduktifitas batuan yang berada disekitarnya semakin tinggi atau berbanding terbalik. Gambar 11. Hasil gabungan estimasi sungai bawah tanah Bribin dari beberapa penelitian Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa estimasi aliran sungai bawah tanah dari beberapa penelitian gabungan yang telah dilakukan mengalir dari arah Timurlaut menuju Baratdaya. Dari penelitian yang telah dilakukan melalui proses pengolahan dan interpretasi data VLF di daerah Dengok dan Ngrejok Wetan Gunungkidul Yogyakarat maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Secara kualitatif sungai bawah tanah di Dusun Dengok dan Ngrejok Wetan terdiri dari dua sungai bawah tanah 2. Secara kuantitatif sungai bawah tanah mengalir dari arah Timurlaut menuju Baratdaya dan kedalaman sungai bawah tanah berkisar 55-75 meter. DAFTAR PUSTAKA Anita, Febrina dan Sismanto.2009. Estimasi Aliran Sungai Bawah Tanah dengan Menggunakan Metode Geofisika VLF EM, Mode Sudut Tlit di Daerah Dengok dan Ngrejok Wetan, Gunungkidul, Yogyakarta. Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng dan DIY.Yogyakarta. Astra I Made, dkk. 2011. Desain dan Pembuatan Alat Ukur Geofisika Berbasis Sensor Fluxgate dan Sensor Medan Listrik. Jakarta. Milsom, John. 2003. Field Geophysics. John Willey & Sons Ltd. Chichester. Siregar, Plato M. 2010. Instrumentasi Meteorologi Bab 7: Metode Elektromagnetik. Prodi Meteorologi, ITB. Syamsudin dan Lantu. 2009. Modul Pembelajaran SCL Geolistrik dan Geoelektromagnetik. Fisika FMIPA Universitas Hasanudin. Makasar. Syukri, Muhammad. 2009. Analysis of Subsurface Characteristic by Using Transient Electromagnteic Methode. Jurnal Natural Vol 9 No.2 2009. Telford, W.M. 1990. Applied Geophysics Second Edition. Cambridge University Press. Cambridge.