BAB II KONSEP DASAR METODE POTENSIAL DIRI
Dikatakan Potensial diri karena potensial dihasilkan dari dalam bumi dengan berbagai sumber melalui proses fisika dan kimia. Metode ini bersifat pasif, dalam artian kita tidak memberikan sumber arus tambahan jadi pengukuran potensial dikur secara alamiah antara dua titik pada permukaan tanah. Potensial yang diukur mencakup satu milivolt (mV) sampai satu volt dengan tanda positif dan negatif. Perbedaan antara positif dan negatif ini merupakan faktor penting dalam menginterpretasikan anomali dari potensial dirit yang akan dijelaskan nanti. Berikut ini beberapa jenis anomali dari potensial diri yang ada berikut dengan struktur geologinya.
Potensial alami didalam bumi terdiri dari 2 komponen yaitu komponen yang selalu konstan dan tidak memiliki arah dan komponen yang selalu berubah ubah terhadap waktu. Komponen yang konstan biasanya disebabkan oleh proses elektrokimia yang terjadi di bumi, kemudian komponen yang berubah-ubah disebabkan oleh berbagai macam proses yang menyebabkan adanya perbedaan potensial dari arus bolak balik yang induksikan oleh petir dan perbedaan medan magnet bumi yang juga dipengaruhi oleh curah hujan yang tinggi. Dalam eksplorasi mineral, komponen dari potensial diri yaitu potensial mineral dan potensial lingkungan (background potential).
5
Bagan 2.1 Sumber dan tipe anomali SP Sumber
Tipe anomali
Mineral potential Sulphide ore bodies (pyrite, chalcopyrite, pyrrhotite sphalerite, galena) Graphite ore bodies Negative ≈ hundreds of mV Magnetite + other electronically conducting minerals Coal Manganese Quartz viens positive ≈ tens of mV Pegmatites Background Potential Fluid Streaming, geochemical reactions etc
Positive +/- Negative ≤ 100 mV
Bioeletric (plants, trees)
Negative, ≤ 300 mV or so Positive or Negative up to
Groundwater movement
hundreds of mV
Topography
Negative up to 2 mV
Faktor utama yang mempengaruhi potensial diri secara umum ialah air tanah. Potensial diproduksi oleh aliran air tanah, dengan berperan sebagai elektrolit dan pelarut dari mineral yang berbeda. Ada tiga cara dalam
6
mengkonduksikan listrik melalui batuan yaitu dengan dielektrik, elektrolitik, dan konduksi elektronik. Konduktivitas listrik (σ, inversi dari resistivitas) dari batuan berpori bergantung pada porositasnya ( bentuk pori-porinya) dan pada pergerakan air ( atau cairan lainnya) melewati celah pori-pori ( bergantung pada sifat mobilitas ionik dan konsentrasi larutan, fiskositas (η), temperatur serta tekanan).
Bagan 2.2 Macam-macam tipe potensial Electrokinetic (electrofiltration) (electromechanical) (streaming) Variable with time Diffusion potential Liquid-junction
Electrochemical
Nernst potential
potential
(shale) Mineral potential
Constant
2.1 Potensial Elektokinetik Elektokinetik potensial (Ek) terbentuk akibat pergerakan elektrolit melalui celah berpori atau kapiler. Potensial diukur sepanjang kapiler tersebut. Potensial yang dihasilkan oleh proses ini biasanya dikategorikan sebagai electrofiltration, electrochemical and streaming potential.
7
Elektrokinetik
Ek =
εμC E δP 4πη
(2.1)
Dimana : ε, μ dan η adalah konstanta dielektrik , resistivitas dan dinamik viskositas dari tanggapan elektrolit; δP adalah perbedaan tekanan; dan CE adalah koefisien kopling dari elektrofiltrasi.
Menurut hukum Helmhotz’s aliran listrik terjadi karena gradien hidrolik dan kuantitas yang dikenal dengan koefisien kopling elektrofltrasi (CE ), yang merepresentasikan sifat fisis dan kelistrikan dari elekktrolit dan dari jaringan melalui medium lektrolit yang terlewati.
Potensial akan cenderung meningkat secara positif dengan arah aliran air sebagai muatan listrik yang mengalir pada arah yang berkebalikan. Dengan konsentrasi muatan negatif sulit mengalir dan dapat menghasilkan anomali SP pada ketinggian topografi.
8
2.2 Potensial Elektrokimia
Potensial Difusi
Ed =
RT (I a − I c ) ln (C1 / C 2 ) nF (I a + I c )
(2.2.1)
Dimana: Ia dan Ic adalah pergerakan dari anion (+ve) dan kation (-ve) secara berturut – turut; R adalah konstanta gas (8,314 JK-1mol-1); T adalah temperature absolute (K) ; n adalah valensi ion ; F adalah konstanta faraday (96487 C mol-1) ; C1 dan C2 adalah larutan konsentarasi
Potensial Nernst
Ed =
RT ln(C1 / C 2 ) nF
(2.2.2)
Kasus khusus dalam persamaan difusi dimana Ia = Ic. Perubahan potensial disfusi (Ed) secara transient dapat mencapai diatas nilai pulahan mV. Hal ini terjadi akibat perbedaan mobilitas dari elektrolitelektrolit yang memiliki perbedaan konsentrasi pada air tanah. Potensial Nersnt (EN ) terjadi ketika perbedaan potensial diantara kedua elektroda yang dicelupkan pada larutan homogen dimana konsentrasi larutan tersebut berbeda-beda. Terlihat persamaan potensial Nernst merupakan kasus khusus untuk persamaan potensial difusi dan dapat dengan mudah terkombinasikan pada bentuk potensial elektrokimia. Larutan garam dapur (NaCl) ada 25oC dengan rasio konsentrasi 5:1, 9
potensial elektrokimia sekitar ±50 mV. Potensial Nerst sangat penting pada well logging, dimana kasus ini disebut pula sebagai potensial serpihan batuan. Terlihat dari persamaan tersebut bahwa potensial elektrokimia bergantung pada temperature dan konsentrasi. Temperatur dan konsentrasi yang tinggi akan membuat nilai potensial membesar, karena alasan inilah pengukuran potensial diri sangat penting dalam eksplorasi sumber-sumber geothermal, dimana temperatur benar-benar memiliki elevasi dan konsentrasi garam di dalam air tanah sangat tinggi.
2.3 Potensial Mineral
Gambar 2.1 Pengaruh anomali SP terhadap kurva potensial.
10
Salahh satu yang mempengarruhi dalam eksplorasi m mineral yaituu potensial mineral m itu sendiri. Anomali A neggatif yang besar b dapat diamati paada pyrite, chalcopyrite c e serta beberrapa kondukttor listrik yaang baik. Waalaupun sebaagian besar anomali a padda mineral potensial p meemiliki sifatt konduktor yang baguss, ada juga yang y memiliiki sifat sebaagai kondukktor yang kurrang baik seeperti yang terjadi pada sphalerite. s
Gambarr 2.2 Mekaniisme Self-po otential padaa pyrite Reynold,M M.,John, Ann Introductioon to Applied d and Enviroomental Geoophysics: Spontteneous (Self-potential Method), M hall 498 Telford,K.M.,Golder,L L.P.,Sherif,R R.E.,Aplied Geophysics G S Second Edittion: SelfPotentiaal Method, hal h 295 c baik Sato dan Mooneey (1960) teelah menyeddiakan penjellasan yang cukup mengenai m prroses elektrookima sehinggga menyebaabkan terjaddinya anomali potensial diri, d walauppun belum ada hipoteesis yang dapat d menjeelaskan secaara khusus 11
mengenai mineral mineral yang diamati. Postulat mereka adalah dua reaksi elektrokimia half-cell dari tanda yang berkebalikan, satu katoda diatas water table, yang lainnya anoda di bawahnya. Pada bagian katoda half cell terjadi reduksi kimia yang mendapatkan elektron sedangkan pada sel anoda terjadi reaksi kimia, yang mendapatkan elektron sedangkan pada sel anoda terjadi reaksi oksidasi yaitu menghilangnya elektron. Zona mineral itu sendiri berfungsi hanya untuk menghubungkan elektron dari anoda pada katoda. Hal yang penting dari efek potensial diri ini secara keseluruhan ditentukan oleh perbedaan potensial oksidasi (Eh) diantara solusi-solusi pada dua half cells. Mekanisme ini diilustrasikan pada gambar. Aliran elektron elektron dan ion ion yang meninggalkan bagian atas permukaan adalah muatan negatif, dan dibawahnya positif.
Dalam hipotesa ini, masih banyak adanya kekurangan pada
masalah
pengumpulan beberapa anomali yang terobservasi walaupun peningkatan kualitas penelitian sudah ada pada penjelasan sebelumnya. Sebagai contoh, Sato dan Mooney memberikan potensial yang mungkin maksimum pada beberapa sumber, seperti graphit (0,78 V, pyrite (0,73 V), dan galena (0,33 V) (Reynolds, hal 295). Pada pengukuran permukaan tersebut akan menyiratkan nilai maksimum yang tidak lebih besar dari nilai tersebut, ketika biji mineral muncul di permukaan bumi. Potensial graphite yang besarnya 1,5 V telah dilaporkan nilainya diatas graphite yang telah diasumsikan oleh Sato dan Mooney. Studi lapangan yang potensialnya diukur pada lubang pengeboran penetrasinya zona sulfide, seperti
12
halnya pada permukaan zona atas, memberikan anomali permukaan kira kira sma ukurannya dengan yang terdapat dalam sulfida itu sendiri, sungguhpun dibawah permukaan seperti belakangan ini diketahui.
Kebanyakan sulfida adalah konduktor yang baik, dengan pengecualian pada sphalrite, cinnabar dan stibnite. Anomali potensial diri telah mengobservasi diatas sphalerite dan pada lubang pengeboran yang melewati bada sphalerite. Teori Sato dan Mooney mengasumsikan bahwa zona sulfida harus cukup konduktif untuk memindahkan elektron dari kedalaman pada zona oksidasi menuju ke permukaan. Kasus seperti sphalerite itu membingungkan, walaupun spahlerite itu bertindak seperti semi konduktor dan pada banyak kejadian hal tersebut dekat hubungannya dengan sulfide konduktif.
Laporan terbaru dari Roy (1984) dan Corry (1985) yang tidak menyetujui hipotesa potensial mineral Sato dan Mooney (Telford, hal. 295). Keduanya hanya memperlihatkan hasil lapangan yang mengindikasikan pengukuran potensial sederhana ΔE. Tanpa borehole atau kawat penghubung elektroda permukaan, tak akan terjadi aliran. Oleh sebab itu perlu adanya tambahan argument untuk mekanisme ini dan merevisi versi Sato dan Mooney termasuk lamanya waktu stabil pada sulfida dan iklim yang bervariasi, kurangnya bukti adanya kutub positif di sekitarnya, ketiadaan anomali potensial diri di permukaan diatas oksidasi mineral yang tinggi, adanya keganjilan permukaan yang besar, dan kedalaman penetrasi yang besar (≥1 Km).
13
2.4 Pengukuran Metode Potensial Diri Pengukuran self-potential sangatlah mudah. Dua porous pot elektroda yang tidak berkutub dihubungkan pada mulitmeter dengan impedansi input lebih besar dari 108 ohm dan mampu mengukur paling kecilnya 1 mV. Masing masing elektroda dibuat dari elektroda tembaga yang dicelupkan pada larutan tembaga sulfide yang dapat menyerap
melalui porous base pada pot, agar dapat
mengalami hubungan listrik dengan tanah. Alternatif lainnya, dapat digunakan elektroda seng yang mengandung sulfida seng atau perak pada perak klorida.
Gambar 2.4 Porous pot Reynolds.M.,John. An Introduction to Aplied and Enviromental Geophysics: Spontaneous (Self-potential Method), hal.499 Ada dua teknik pengambilan atau pengukuran SP yakni metode gradien potensial
dan
metode
amplitudo
potensial.
Metode
gradien
potensial
menggunakan dua elektroda dengan berpindah-pindah pada jarak yang tetap, sekitar 5m atau 10 m. Titik yang menjadi pengamatan adalah titik tengah diantara
14
kedua elektroda dengan satuan mV/m. Berbeda dengan metode pertama, metode kedua yaitu metode amplitudo potensial dengan membiarkan satu elektroda tetap di base pada tanah yang bukan mineral dan juga disertai dengan mengukur perbedaan potensial (mV) dengan porous pot kedua berpindah pindah sepanjang garis acuan pada jark yag tetap. Perlu untuk dicatat adalah temperatur elektrolit pada pot yang bergerak agar tidak terlalu berbeda dari elektroda acuan. Koefesien temperatur untuk tembaga tembaga sulfat sekitar 0,5 mV/oC (sekitar 0,25 mV/oC untuk elektroda perak perak klorida, Reynold, hal 500).
Seperti yang telah disebutkan diatas, potensial diri mengandung komponen alternatif yang tetap dan berubah-ubah. Potensial diri dapat memiliki frekuensi sekitar 5-10 Hz yang disebabkan oleh efek moneter dan periode yang lama dan mungkin juga mendapatkan amplitudo yang sama dengan potensial mineral. Ketika signal ditampilkan, potensial mineral dapat dipecahkan dengan mengukur sepanjang profil yang sama pada waktu dan hari yang berbeda. Gangguan listrik dapat juga terjadi jika pengukuran dibuat segera setelah hujan berat atau lebih dekat dengan permukaan air. Kedalaman maksimum sensitivitas dari metode SP adalah sekitar 60-100 m, bergantung pada bijih mineral dan lapisan penutup (overburden) alamiah.
Pengukuran potensial diri dapat juga dibuat diatas air untuk mengukur arus potensial. Elektroda porous pot dimasukkan pada kontainer supaya dapat melalui air tanpa menyebabkan kehilangan elektrolit yang dari elektroda tersebut. Metode
15
ini hanya dapat bekerja jika arus aliran yang kecil (lateral of vertical) dengan water column (Ogilvy et al.1969, Reynold, hal.500), Amplitudo dari setiap anomali SP yang diperoleh dengan water body yang bergaram (resistivitas 0,3 – 1 Ω m) cenderung mengecil.
2.5 Interpretasi anomali self potential Anomali SP sering dinterpretasikan secara kualitatif melalui bentuk profil, amplitudo, polaritas, dan pola kontur. Bagian atas dari bijih mineral diasumsikan langsung berada dibawah posisi potensial minimum atau maksimum. Jika sumbu polarisasi yaitu sumbu diantara katoda dan anoda pada bijih mineral adalah miring/ lereng dari garis vertikal, bentuk profil akan menjadi asimetrik dengan kemiringan yang curam dan juga positif mengikuti keduanya berada pada sisi bawah
Kesulitan akan muncul ketika lebih dari dua sifat geologi memberikan pengaruh besar pada anomali SP baik itu kenaikan atau penurunan yang saling melapisi. Anomali melebihi graphitic phyllities memiliki karakter sebagian besar (-740 mV) kurang dari mineral elektrokimia potensial. Anomali kedua (-650mV) telah dihasilkan oleh elektrokinetik potensial yang berhubungan denan arus air melalui permeabel yang terpisahkan oleh timbunan (conglomerates). Walaupun demikian, jika ukuran yang sama terjadi berbeda dip (penukikannya), resultan anomali dapat digunakan untuk memecahkan persoalan diantara keduanya.
16
Interperetasi selanjutnya adalah bagaimana memperkirakan bentuk dari bijh besi dibandingkan dengan bentuk geometri yang telah kita ketahui biasanya bentuk bola atau silinder dengan asumsi arah polarisasi tertentu. Pendekatan langsung dilakukan dengan menghitung potensial listrik yang berkaitan dengan model kemudian dibandingkan dengan anomali yang diamati. Dasar teori interpretasi anomali SP secara kuantitaf pada bola yang berpolarisasi disumbangkan oleh Petrovski (1928) dan dikembangkan oleh De Witte (1962) diatas batangan oleh Stern (1945) dan diatas plat tipis oelh Meiser (1962). Bentuk laind ari model dan metode revisi dari perhitungan telah dikembangkan oleh (e.g Hongisto 1993). Metode selanjutnya disesuaikan sampai dua bentuk anomali tersebut seusai dengan batas statistik yang telah ditentukan, metode ini bekerja unutk data yang sangat terbatas, jika corak geologi yang ada menyebabkan SP anomali takkan dapat menyesuaikan diri pada bentuk geometri yang diberikan, akan terjadi masalah yaitu semakin rumitnya pengolahan secara matematik dan juga metode numerik sehingga sangatlah diperlukan pengolahan datanya dengan komputer (Fitterman 1979b, Telford, hal.502).
Pendekatan inversi digunakan untuk memanipulasi anomali observasi untuk menghasilkan model. Model tersebut akan digunakan untuk memperkirakan ukuran corak geologi, lebih detail pada investigasi geologis dan geofisika (Sill 1983, Telford, hal. 502). Pendekatannya adalah dengan mengasumsikan bahwa corak geologi menyesuaikan diri dengan bentuk geometri yang diberikan. Untuk kedalaman pada pusat anomali boleh diperkirakan dengan menggunakan teknik
17
half width. Kelemahan metode ini yaitu sering tidak akuratnya kemudian pembatasan dari pendekatan yang terjadi bahwa lebar dari anomali mungkin lebih bersifat mengindikasikan luasnya saja secara fisik bukannya kedalaman bentuk bijih oleh sebab itu perkiraan kedalaman mungkin akan terjadi kesalahan sebanyak banyaknya 100%.
18
