geolistrik.pdf
Post on 06-Nov-2015
218 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
5BAB II TEORI DASAR
II.1 Metoda Geolistrik
Geolistrik adalah salah satu metode dalam geofisika yang mempelajari
sifat aliran listrik di dalam bumi. Metode geolistrik yang terkenal antara lain
Metode Self Potential, Arus Telluric, Magneto Telluric, Electromagnetic, IP
(induced polarization) dan Resistivity ( Tahanan jenis). Studi medan listrik dan
arus bumi masih tergolong disiplin ilmu geofisika yang muda. Meskipun
demikian, metode geolistrik pada geologi telah digunakan sejak 100 tahun yang
lalu untuk mencari prospek deposit sulfida menggunakan metoda SP (Self
Potential) studi geofisika mulai dibangun pada awal abad ke 20. Pada tahun 1912
Schlumberger bersaudara di perancis bekerja dengan dasar metoda garis
equipotential dan tellurik. Di Amerika F.Wenner membangun konsep pengukuran
tahanan jenis semu. Di Swedia dua orang ahli geofisika, Lundberg dab Saundberg
membangun metoda elektromagnetik untuk prospek deposit ore.
Metode Geolstrik dapat membedakan batuan menurut tahanan jenis, permeabilitas
dan aktivitas elektrokimia. Metoda ini dapat dikelompokkan dari beberapa
pandangan. Dalam tesis ini pembahasan di khususkan pada Metode Geolistrik
Self Potential (Potensial diri)
-
6II.2 Metode Self Potential (Potensial Diri)
Metoda SP ini merupakan metoda geofisika yang sangat sederhana dan
murah, walaupun fenomena dari Self Potential ini lebih cenderung dimanfaatkan
dalam usaha pengeboran dibandingkan dengan penelitian diatas permukaan.
Umumnya metode ini hanya baik untuk eksplorasi dangkal, sekitar 100m.
Jika kedalaman lapisan lebih dari harga tersebut informasi yang di peroleh kurang
akurat. Metode Self Potential ini lebih banyak di gunakan dalam bidang
Engineering Geology (seperti penentuan kedalaman batuan dasar), pencarian
reservoir air, metode pendukung dalam pencarian ladang geothermal dan
seterusnya.
II. 3 Perkembangan Self Potential (Potensial Diri)
Metoda Self Potential atau Potensial Diri diprakarsai oleh Robert Fox
pada tahun 1830. Dia menggunakan eloktroda yang terbuat dari lempengan
tembaga yang dihubungkan ke galvanometer untuk mendeteksi adanya kandungan
sulfida tembaga di Cornwall, Inggris. Metoda ini telah digunakan sejak tahun
1920 sebagai metoda pendukung dalam eksplorasi logam. Tetapi dalam beberapa
tahun terakhir metoda SP juga digunakan untuk penelitian aliran air bawah tanah
dan penyelidikan geothermal, juga merupakan metoda yang lebih praktis dalam
pengambilan data
II.4 Asal usul Self Potential (Potensial Diri)
Metoda SP merupakan metoda pasif, dimana perbedaan dari potensial
alamiah bumi terukur diantara dua elektroda yang tertancap pada permukaan
-
7bumi. Potensial yang diukur dapat bernilai antara kurang dari satu milivolt (mV)
sampai lebih besar dari satu volt, dan nilai yang bertanda positif (+) atau negatif (-
) dari potensial terukur merupakan faktor penting dalam interpretasi dari anomali
SP. Self Potential dihasilkan dari sumber alamiah, walaupun proses alam yang
terjadi belum dapat dijelaskan secara jelas. Tetapi dari beberapa hal dapat
dikategorikan, dan pada tabel dibawah diberikan beberapa contoh dari sumber dan
tipe anomali SP.
Tabel II.1 Sumber dan tipe anomali SP (Reynold., 1997)
Sumber Tipe Anomali SP
MINERAL POTENTIALSSulphide
negatif ratusan mVGraphiteMagnetiseCoalManganeseQuartz veins
positif puluhan mVPegmatites
BACKGROUNDPOTENTIAL
Fluid Streamingpositif/negatif 100 mV
Geochemical ReactionBioelectric (plants, trees) negatif 300 mVGroundwater positif/negatif puluhan - ratusan
mV
-
8Potensial alamiah tanah mengandung dua komponen, yaitu potensial yang
konstan tidak berarah dan yang kedua adalah berfluktuasi terhadap waktu.
Komponen yang konstan trehadap waktu terutama disebabkan oleh proses
elektrokimia dan komponen yang bervariasi disebabkan oleh macam-macam
proses mulai dari arus AC yang diinduksikan oleh petir dan variasi medan
magnetik bumi sampai kepada yang diakibatkan oleh hujan deras. Dalam
eksplorasi SP dua komponen ini disebut sebagai potensial mineral dan potensial
background.
Faktor utama yang mempengaruhi berbagai proses terjadinya self-
potensial adalah air tanah. Potensial ini disebabkan oleh ion-ion yang terlarut
dalam air. Macam-macam potensial dapat dilihat dalam daftar Tabel II.2 berikut
ini :
Tabel II.2 Macam-macam sumber potensial (Reynold., 1997)
- ELECTROKINETIC POTENTIALElectrofiltrationElectromechnicalStreaming
- ELECTROCHEMICAL POTENTIAL variable with timeDIFFUSION POTENTIAL
Liquid Junction
NERNST POTENTIALShale
- MINERAL POTENTIAL constant
-
9Ada tiga cara mekanisme konduksi batuan, yaitu dengan dielektrik,
electrolitik, dan konduksi elektronik. Konduktivitas listrik dari batuan berpori
bergantung pada porositas (dan susunan pori) dan mobilitas air atau fluida yang
lain untuk melewati ruang berpori tersebut (dalam hal ini bergantung pada
mobilitas ionik, konsentrasi larutan, Viskositas, temperatur, dan tekanan)
II.4.1 Potensial Elektrokinetik
Potensial Elektrokinetik terbentuk sebagai hasil dari aliran elektrolit melalui
sifat kapilaritas (medium berpori). Potensial diukur sepanjang kapiler. Potensial
yang timbul dari pengukuran mengasumsikan sebagai proses elektrofiltrasi,
elektromekanika, atau aliran potensial. Menurut hukum Helmholtz, aliran dari
arus listrik berhubungan dengan gradien hidrolik dan kuantitas yang dikenal
sebagai koefisien kopling elektrofiltrasi (CE) yang merepresentasikan sifat fisis
dan kelistrikan dari elektrolit dan medium yang dilewatinya. Aliran air sejajar
dengan batasan geologis. Gambar II.1 berikut dihasilkan dari berbagai situasi
geologis yang berbeda.
-
10
Gambar II.1 Profile elektrofiltrasi ideal SP (Reynolds, 1997)
Gambar II.2 Anomali SP pada sumur pompa (Reynolds, 1997)
Gambar II.2 di atas menunjukkan adanya anomali SP pada sumur pompa.
Terlihat nilai potensial cenderung meningkat ke arah positif sesuai dengan arah
50 100 150
10
20
30
40
mV
SP terukur
5
10
15
20
Kedalaman (m
)
muka air sebelum dipompa
muka air ketika dipompa
exlpoitation borehole monitoring borehole
-
11
aliran air, dalam hal ini muatan listrik mengalir dalam arah yang berlawanan.
Potensial elektrokinetik juga dapat digunakan dalam kasus hidrogeologi, dapat
dilihat pada gambar II.3 respon SP yang didapat sesuai dengan batas akuifer suatu
daerah yang telah diinterpretasikan dengan metoda geolistrik sounding. Hal
tersebut diasumsikan terjadi karena adanya aliran fluida dalam lapisan
GambarII.3 Anomali SP pada kasus hidrogeologi (Reynolds, 1997)
II.4.2 Potensial Elektrokimia
Perubahan potensial difusi (Ed) secara transien dapat mencapai beberapa
puluh mV. Hal ini dapat disebabkan oleh perbedaan mobilitas elektrolit-elektrolit
yang memiliki konsentrasi yang berbeda-beda didalam air tanah. Untuk
menjelaskan kejadian potensial background diperlukan sumber yang dapat
mempertahankan ketidakseimbangan konsentrasi elektrolit. Apabila tidak terjadi
w a te r ta b le
1 0 0 0 m
8 0 0 m
P o s tu la te dS a tu r a te d
Z o n e
B a s e m e n t
1 0 0 m V
2 5 0 m
S P A n o m a ly
-
12
perbedaan konsentrasi akan hilang oleh difusi seiring dengan waktu. Potensial
Nernst (EN) adalah perbedaan potensial dari dua elektroda yang dicelupkan
kedalam larutan homogen dimana konsentrasi larutan tersebut secara lokal
berbeda-beda. Potensial elektrokimia timbul karena proses kimia dimana meliputi
potensial diffusi dan potensial Nerst.
Potensial diffusi (ED) terjadi karena perbedaan mobilitas berbagai ion
dalam larutan-larutan yang berbeda konsentrasinya. Ion bergerak dari konsentrasi
lebih besar ke konsentrasi yang kecil.
)/log()()(
21 ccIIFIIR
Ecan
ca
D (2.1)
dengan : R = Konstanta gas universal (8,31 Joules /o c)
F = Konstanta Faraday (9,65 x 104 c/mol)
= Suhu mutlak
n = Valensi
Ia dan Ic = Mobilitas anion dan kation
c1 dan c2 = Konsentrasi larutan
Potensial Nerst (Es) muncul ketika dua elektroda yang sama tetapi beda
konsentrasi larutannya.
)/log( 21 ccFRE
n
s
.(2.2)
Namun, anomali potensial yang dihasilkan dari proses ini sangat kecil
sehingga tidak begitu berpengaruh besar. Anomali potensial yang besar dihasilkan
-
13
dari potensial yang timbul berdasarkan proses elektrokinetik. Terlihat persamaan
potensial Nernst merupakan kasus khusus dari persamaan potensial diffusi dan
dapat dengan mudah dikombinasikan untuk membentuk potensial elektrokimia.
Potensial Nernst ini sangat penting dalam well-logging, dalam kasus ini disebut
pula sebagai potensial serpihan batuan. Terlihat bahwa potensial elekrokimia ini
secara langsung bergantung pada konsentrasi dan temperatur. Temperatur dan
rasio konsentrasi yang tinggi akan membuat nilai potensialnya membesar, karena
alasan inilah pengukuran self potensial sangat penting dalam eksplorasi sumber
sumber-geotermal, dimana temperaturnya memiliki konsentrasi ion yang tinggi.
Lebih jauh lagi potensial elektrokimia ini dianggap disebabkan oleh adsorpsi
anion oleh permukaan pembuluh kuarsa dan pegmatit dikenal sebagai potensial
adsorbsi atau potensial Zeta. Sebagai contoh anomali yang mencapai nilai +100
mV terukur pada batuan pegmatite didalam granit. Sebagai tambahan potensial
adsorbsi dapat teramati sebagai anomali pada tanah liat dimana lapisan ganda
padat-cair yang dapat membangkitkan beda potensial.
II.4.3 Potensial Mineral
Yang paling penting dalam penggunaan metoda self potensial dalam
eksplorasi mineral adalah potensial mineral yang berhubungan dengan bijih
mineral massif (dalam jumlah besar). Anomali potensial yang sangat negatif
teramati secara khusus pada pirit dan chalcopirit serta konduktor konduktor
lainnya. Juga dapat diamati pada sphalerite yang merupakan penghantar yang
buruk. Tipe sebuah fungsi ( sebagai contoh, polinominal, fungsi-fungsi
eksponensial, fungsi sinus dan cosines)
-
14
current flowsurface
4FeS
elektron
2HFeO
H2Fe
3)(OHFe3)(OHFe
2)(OHFeH
3Fe
OH
2Fe
22OHOH
dissolvedO2
water table
OH 2
Gambar II.4 Model mengenai timbulnya potensial mineral (Reynold., 1997)
Model Sato dan Mooney (1960) memberikan penjelasan paling lengkap mengenai
timbulnya potensial mineral (Gambar II.4), walaupun belum ada hipotesa yang
bisa mencakup seluruh mineral yang telah teramati. Ketika sebagian badan bijih
berada diatas permukaan air tanah terbentuk katoda sebagai hasil dari reduksi ion
disekeliling elektrolit sehingga memerlukan elektron. Sebaliknya dibawah
permukaan air tanah terbentuk anoda dimana oksidasi lebih dominan dan ion
kehilangan elektron-elektronnya. Peran dari bijih meneral adalah meneruskan
aliran elektron dari bagian bawah ke bagian atas hasilnya bagian atas permukaan
menjadi lebih negatif (menjadi anomali negatif pada pengukuran metoda SP) dan
bagian bawah menjadi lebih positif.
II.5 Model Tali Busur (SECANT)
Metode Secant (baca:sekan) merupakan modifikasi metode Newton-
Raphson. Pada Metode Newton Raphson kita menggunakan garis singgung pada
titik ))(,( 00 xfx sebagai hampiran )(xf di sekitar 0x dan mencari titik potongan
dengan sumbu x sebagai hampiran akar. Dengan kata lain, Metode Newton-
-
15
Raphson memerlukan nilai dua buah fungsi, yakni nxf dan )(' nxf , pada setiapiterasi. Apabila kedua fungsi tersebut tidak rumit, metode tersebut mungkin sangat
baik mengingat tingkat kekonvergenannya. Akan tetapi sebagaimana sudah
disinggung di depan, dalam beberapa kasus mungkin tidak mudah menurunkan
)(' xf dari )(xf . Oleh karena itu diperlukan suatu metode pengganti yang
memiliki tingkat kekonvergenan mendekati tingkat kekonvergenan metode
Newton-Raphson. Metode alternative ini dinamakan metode Tali Busur ( Secant ).
Gambar II.5 Proses Iterasi Metode Tali Busur
Garis yang melalui titik ))(,( 00 xfx dan ))(,( 11 xfx adalah01
01 )()(xx
xfxf
.
Persamaan tali busurnya adalah
)()()()( 101
011 xx
xx
xfxfxfy
(2.3)
Hampiran pertama 2x diperoleh dengan mencari titik potong kurva (2.3) dengan
sumbu x artinya titik )0,( 2x memenuhi persamaan diatas :
X3X1 X0X2
f (x0)f (x1)
Y= f (x)
-
16
)()()()(0 1201
011 xx
xx
xfxfxf
atau
01011
12)()(
xfxfxxfxf
xx
jadi, )()())((
01
01112
xfxfxxxf
xx (2.4)
dengan mengulang persamaan diatas, secara umum kita dapatkan :
)()()( 1
11 n
nn
nn
nn xfxfxf
xxxx
.(2.5)
Proses iterasi metode Tali Busur dilukiskan pada gambar 2.5. Perhatikan, metode
Tali Busur berbeda dengan metode Newton-Raphson dalam hal kebutuhan titik
awal, sedangkan metode Tali Busur memerlukan dua buah titik awal sebagai
permulaan proses iterasinya. Metode Tali Busur juga berbeda dengan metode
Newton-Raphson dalam hal perhitungan fungsi pada setiap iterasi. Metode Tali
Busur hanya memerlukan perhitungan nilai-nilai sebuah fungsi f (di dua titik )
pada setiap iterasinya.
II.6 Pendekatan Least Square terhadap kedalaman dari Anomali Self
Potential yang disebabkan oleh Silinder Horisontal
Salah satu yang terpenting dari masalah eksplorasi adalah mengestimasi
bentuk dan kedalaman benda yang tertimbun. Berbagai macam metode telah
dikembangkan untuk menentukan kedalaman dan bentuk struktur timbunan dari
data potensial diri (SP).Metode-metode tersebut secara umum terbagi pada dua
kategori. Kategori pertama meliputi 2D dan 3D dilanjutkan dengan pemodelan
-
17
dan metode inversi. Kategori kedua meliputi metode geometri yang sederhana
yaitu model bola,silinder horizontal dan silinder vertical yang dapat menentukan
kedalaman dan bentuk dari strukur timbunan pada data observasi SP. Dari
kategori kedua inilah penulis mencoba membuat pemodelan, menghitung
kedalaman dan menganalisa suatu bentuk anomali yang tertimbun di daerah Karst
diDesa Masawah kecamatan Cimerak Kabupaten Ciamis Jawa Barat..
Keuntungan dari metode Fixed Geometri pada pemodelan 2D dan 3D yang
kontinyu dan metode inversi adalah tidak memerlukan kerapatan arus, resistivity
dan informasi kedalaman yang dibutuhkan dari data geologi dan geofisika. Untuk
interpretasi isolasi sumber anomali yang sederhana, metode Fixed Geometri juga
lebih cepat dan tepat. Beberapa metode telah dikembangkan untuk
menginterpretasi data SP dengan menggunakan metode Fixed Geometri,adapun
metode yang digunakan penulis adalah metode dari Battacharya dan Roy(1981).
Dengan mengikuti pendapat Abdelrahman (1998), ungkapan yang umum
dari anomali SP dihasilkan oleh beberapa polarisasi struktur geologi yang
sederhana yang dapat direpresentasikan dengan persamaan :
Nizx
zxKqzxVq
i
,...,2,1,)(sincos),,,( 221
(2.6)
dimana z adalah kedalaman, adalah sudut polarisasi, K adalah momen dipolelistrik, ix adalah koordinat posisi dan q adalah factor yang berhubungan dengan
bentuk dari struktur timbunan yang sama dengan 0.5, 1.0 dan 1.5 secara berturut-
turut untuk silinder vertikal, silinder horizontal dan bola. Lihat aplikasi dari
persamaan (2.6) digambarkan oleh Yungul (1950). (Abdelrahman,E.M.,El-
-
18
Araby,H.M.,Hassaneen,H.i., dan Hafez,M.A.,New Methods for shape and Depth
Determinations from SP Data:Geophysics,68,hal1203,2003)
Pada daerah Origin )( ix , persamaan (4.1) dapat memberikan hubungan persamaan
sin)0(12 VzK
q . (2.7)
dimana V(0) adalah nilai anomali pada daerah origin, dengan membuat persamaan
(2.6) dipasang pada 0 kita dapatkan
0
cotx
z (2.8)
dimana 0x adalah jarak dari titik nol ke anomaly. Dengan mensubtitusi persamaan
(2.7) dan (2.3.3) , persamaan (2.3.1) dapat ditulis dengan bentuk normalnya
adalah
qi
q
zx
z
xxVqzxVx
22
2
10
0
0,,
(2.9)
dalam hal ini, kita dapat mengeliminasi K dan dari persamaan (2.6) denganmemperkenalkan dua informasi yang dinamakan V(0) dan 0x , dengan cara
mendapatkan nilai dari z terlabih dulu. z yang belum diketahui pada persamaan
diatas dapat dicari dengan persamaan
N
i
qiii
N
i
qiiii
zxxxxxV
zxxxxxLz
1
12220
20
2
1
1220
2
)(/)()0(
)/()()(. (2.10)
-
19
Dengan persamaan (2.10) z bisa didapat dengan menggunakan metoda
standard untuk pemecahan persamaan nonlinier seperti metode Newton, metode
Sekan dan metode Bisection . Pada kasus ini penulis menggunakan metode Tali
Busur (Sekan) seperti yang telah di jelaskan dihalaman sebelumnya. Ketika z dan
q diketahui, sudut polarisasi dapat ditentukan dari persamaan (2.8) denganmengetahui , momen potensial listrik K dapat ditentukan dari persamaan (2.7).Terakhir kita membandingkan anomali dari hasil data lapangan dan anomali yang
dari hasil pengolahan komputer.
gambar II.6 Sebuah tipekal Anomali dari SP dengan profil sebuah silinder horisontal
-
20
Gambar II.7 gambar irisan permukaan tampak samping dari silinder horizontal dan bola
II.7 Geologi Karst
Karst merupakan suatu komplek fenomena geologi dengan sistem
hidrologi yang sangat spesifik, tersusun atas batuan yang bersifat mudah larut
seperti batugamping, dolomit, gipsum, dan batuan mudah larut lainnya
(Milanovic, 1981). Berdasarkan tempat terbentuknya (lingkungan pengendapan)
batuan-batuan yang tersusun di karst merupakan Sedimen Laut (marine) atau
dengan kata lain diendapkan dilaut.
Secara fisik, kawasan karst merupakan daerah yang kering dan tandus,
sehingga penduduk yang tinggal di daerah tersebut mengalami kekurangan air,
terutama di musim kemarau. Permasalahan kekeringan di kawasan karst
sebenarnya dapat diatasi, mengingat potensi sumberdaya air yang dimilikinya
sangat melimpah. Permasalahannya adalah perilaku air di kawasan karst
membentuk sistem hidrologi khas dan rumit yang berkembang melalui sistem
-
21
rekahan dan saluran bawah permukaan sehingga sulit untuk diketahui potensi dan
pemanfaatannya (Setiawan dkk, 2008).
Salah satu kawasan karst yang menarik untuk diteliti adalah kawasan karst
Cijulang yang terletak di Kab. Ciamis, provinsi Jawa Barat. Kawasan Karst
Cijulang belum banyak diteliti, adapun penelitian sebelumnya berupa pemetaan
geologi dan fasies karbonat serta pemetaan hidrogeologi skala 1 : 250.000.
Dari sudut pandang Hidrogeologi zona lemah pada batuan (kekar, rekahan,
sesar) merupakan strukutr geologi yang sangat berperan dalam mengontrol sistem
hidrogeologikarst. Fluida, dalam hal ini air, memiliki kecendrungan mengalir
melaluli zona lemah pada batuan yg secara morfologi di tunjukkan oleh adanya
kelurusan morfologi pada kawasan karst sangat bergyna dalam menentukan pola-
pola pengaliran bawah tanah.
Studi metoda Geolistrik Self Potential dicoba di Kec. Cijulang, Kabupaten
Ciamis, tepatnya antara Gua Seden dan Gua Sodong Hulu untuk mengetahui
tingkat kepekaan metoda ini dalam mendeliniasi alur sungai bawah tanah. Gua
Seden dan Gua Sodong Buluh merupakan dua Gua yang saling berhubungan dan
berisi air. Model alam ini dapat mencerminkan sungai bawah permukaan.
m;SBLdmV9z4t =UCr^9iQ
top related