BAB II TINJAUAN PUSTAKA
A. Gelombang Elektromagnetik (EM) , Besaran medan listrik dapat diperoleh tanpa kehadiran medan magnet dan demikian juga sebaliknya. Kedua gejala tersebut dapat terjadi karena medan listrik dan medan magnet tidak berubah terhadap waktu. Sedangkan untuk pembahasan medan listrik dan medan magnet yang berubah terhadap waktu, keberadaan medan listrik selalu disertai dengan medan magnet, demikian pula sebaliknya. Hubungan antara keduanya dapat dinyatakan dengan persamaan Maxwell. Persamaan Maxwell adalah hukum
yang mendasari teori medan
elektromagnetik. Energi dari gelombang elektromagnetik dibawa oleh medan yang dapat menjalar melalui ruang vakum. listrik dan medan magnet
1.
Persamaan Maxwell Penerapan dari pemanfaatan gelombang elektromagnetik untuk metode
magnetotellurik didasari oleh persamaan Maxwell. Dari persamaan Maxwell, kita dapat melihat bahwa hubungan antara kejadian medan listrik dan medan magnet berkaitan erat dengan sifat geometri dan kelistrikan medium dimana fenomena itu terjadi. Persamaan Maxwell dirumuskan dalam besaran medan listrik dan medan . Seluruh persamaan Maxwell terdiri dari 4 persamaan medan, yang magnet
7
8
masing-masing dapat dipandang sebagai hubungan antara medan dan distribusi sumber, baik sumber muatan ataupun sumber arus. Untuk ruang vakum (tanpa sumber muatan), persamaan Maxwell dalam satuan SI dirumuskan sebagai berikut: . 0
Persamaan Maxwell 1
0 .
Persamaan Maxwell 2
Persamaan Maxwell 3
Persamaan Maxwell 4
dimana: = medan listrik (V/m) = induksi magnetik (Tesla ) µ0 = permeabilitas magnetik ε0 = permitivitas listrik Dari persamaan Maxwell 1 (Hukum Gauss) menyatakan bahwa jumlah garis gaya medan listrik yang menembus suatu permukaan tertutup sebanding dengan jumlah muatan yang dilingkupi permukaan tersebut. .
∑
2.1
.
!
2.2
$ . %
2.3
"
dimana ρ adalah rapat muatan; ρ = "#
.
9
Melalui teorema divergensi : & .
% Maka diperoleh .
ρ
. & %
% .
'
2.4
Untuk ruang vakum ρ = 0, sehingga didapat: . 0
2.5
Dari persamaan Maxwell 2 (Hukum Gauss Magnetik) menyatakan bahwa medan magnet yang menembus suatu permukaan tertutup sama dengan nol karena tidak adanya sumber medan berupa muatan magnetik. . 0
2.6
.
2.7
% 0 .
0 .
2.8
Dari persamaan Maxwell 3 (Hukum Faraday-Lenz) menyatakan ggl induksi yang timbul pada suatu rangkain sebanding dengan perubahan fluks magnet yang menembus rangkaian tersebut terhadap waktu, sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa medan listrik dapat timbul karena adanya perubahan pada medan magnet, dimana medan magnet ini berubah terhadap waktu.
Ф
2.9
. Karena Ф
. (
.
2.10 2.11
10
. ㄊ . (
Menurut teorema stokes : .
2.12
.
2.13
Dari persamaan Maxwell 4 (Hukum Ampere) menyatakan jumlah garis gaya medan magnet yang menembus lintasan tertutup sebanding dengan jumlah arus yang dilingkupinya.
. ( . ) ФB Dari hubungan *
+
,
-.// -
0.
. 1 Karena *
2.14
2.15
maka
.
2.16
Hal ini menjelaskan bahwa medan magnet dapat timbul karena perubahan medan listrik. Dimana interaksi antara kedua medan ini akan menghasilkan gelombang elektromagnetik yang dapat merambat di ruang vakum (tanpa sumber muatan) maupun dalam suatu bahan.
2.
Gelombang EM pada medium Konduktif Untuk memahami penjalaran gelombang elektromagnetik (EM), kita
menggunakan persamaan Maxwell dalam suatu bentuk hubungan antara medan listrik dan medan magnet.
11
Untuk medium konduktif, diketahui rapat arus 1 tidak sama dengan nol, besarnya sebanding dengan medan listrik , sehingga hanya diperhatikan muatan bebas dan arus bebas, persamaan Maxwell menjadi: $7 . 6 0 .
; ;<
17 = 2
;6 ;<
Gambar 2.1 Persamaan Maxwell untuk medium konduktif
2 dan 6 , 17 =8 dimana hubungan 9 = Vektor kuat medan listrik 9 = Vektor rapat fluk magnet : = Vektor perpindahan listrik 6 : = Intensitas medan magnet 2 $7 = Rapat muatan listrik 17 = Vektor rapat arus listrik
Persamaan Maxwell 1 untuk medium konduktif
r ∇.D = ρ b
2.17
Persamaan ini dikenal juga sebagai hukum gauss, Hukum ini menyatakan bahwa fluks medan listrik yang melalui sembarang permukaan tertutup sama
12
dengan 1
ε o dikalikan dengan muatan total didalam permukaan tersebut. Hukum
Gauss menyiratkan bahwa medan listrik akibat muatan titik berubah berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak dari muatan tersebut. Hukum ini menguraikan bagaimana garis medan listrik memancar dari muatan positif dan menuju muatan negatif. Dasar percobaannya adalah hukum Coulomb.
Gambar 2.2 Ilustrasi Hukum Gauss (Sumber: Tipler, Paul A. 2001)
Persamaan Maxwell 2 untuk medium konduktif r ∇.B = 0
2.18
sama dengan nol di Menyatakan bahwa fluks vektor medan magnetik seluruh permukaan tertutup. Persamaan ini menguraikan pengamatan secara percobaan bahwa garis-garis medan magnet tidak memancar dari titik manapun dalam ruang atau mengumpul ke sembarang titik; dengan kata lain hukum ini menyiratkan bahwa kutub magnetik yang terisolasi tidak ada.
13
Persamaan Maxwell 3 r r ∂B ∇× E = − ∂t
2.19
Persamaan ini lebih dikenal sebagai hukum Faraday, hukum ini menyebutkan bahwa perubahan fluks magnetik akan menghasilkan arus listrik. Hukum Faraday menyatakan bahwa medan listrik yang mengelilingi sembarang kurva tertutup, yang merupakan ggl sama dengna laju perubahan fluks magnetik melalui sembarang permukaan yang dibatasi oleh kurva tersebut.
Gambar 2.3 Fluks magnet (Sumber: Tipler, Paul A. 2001)
Faraday
menguraikan
bagaimana
garis-garis
medan
listrik
mengelilingi sembarang luasan yang melalui fluks magnetik yang sedang berubah, dan hukum ini menghubungkan medan listrik dengan laju perubahan vektor medan magnet. Persamaan Maxwell 4 r r r ∂D ∇ × H = Jb + ∂t
2.20
14
Persamaan ini dikenal pula sebagai hukum Ampere, bahwa di sekitar arus listrik akan terbentuk medan magnet. Ampere menyatakan bahwa integral garis medan magnetic B yang mengililingi sembarang kurva tertutup c sama dengan µo dikalikan dengan arus yang melalui sembarang permukaan yang dibatasi oleh kurva µoεo dikalikan dengan laju perubahan fluks listrik yang melalui permukaan tersebut.
Gambar 2.4 Ilustrasi Hukum Ampere (Sumber: Tipler, Paul A. 2001)
Hukum ini menguraikan bagaimana garis-garis medan magnetik mengelilingi luasan yang dilewati suatu arus atau luasan dimana fluks listrik sedang berubah. 3.
Persamaan Gelombang Elektromagnetik (EM) pada Medium Konduktif
Gelombang elektromagnetik dalam medium Untuk vakum dan dalam medium dielektrik ρ = 0 dan J = 0, sedangkan dalam medium konduktif
r r J = σ E . Dari hubungan B = µH dan D = εE
r r ∂E Persamaan Maxwell 4 menjadi ∇ × B = µJ + µε ∂t
2.21
15
Persamaan Gelombang: Dari persamaan Maxwell 3 r r ∂B ∇× E = − diferensial dengan operasi rotasi ∂t
> ?
? >.
Dari vector identitas > ? > · ? A
2.23
C Persamaan menjadi B. C A B A .
2.24
>1 = ?
D
A
D
2.22
E
0
2.25
2.26
Dari Hukum Ohm 1 8 diperoleh : A
D D
8
0
2.27
Solusi persamaan gelombang: >F, ? H . cos>LM N
2.28
>F, ? H . O P+>QRPS ?
2.29
Dari persamaan Maxwell 4 r r r ∂D ∇ × H = Jb + diferensial dengan operasi rotasi ∂t
8 = H
2.30
C 8B C = B C B 2
2.31
16
Dari vektor identitas (persamaan 2.23) C A 2 8B C = B. 2
B C
2.32
8 U V U V
A . 2
2.33
D
8 U WV = U WD V A . 2
D W
2.34
D 8 A 2
W
0
2.35
2>F, ? 2H . cos>LM N
2.36
2>F, ? 2H . O P+>QRPS ?
2.37
Solusi persamaan gelombang:
Persamaan 2.27 dan 2.35 merupakan persamaan telegrapher yang menunjukan sifat dari penjalaran gelombang dari medan elektromagnetik, yaitu sifat difusif dan sifat gelombang. Kedua sifat ini pada penjalarannya tergantung dari frekuensi
yang digunakan. Jika frekuensi tinggi
(hingga ukuran
Megahertz/Gigahertz), maka yang dominan adalah sifat gelombang yang juga dikenal sebagai gelombang akustik. Didalam studi elektromagnetik untuk panas bumi, frekuensi yang digunakan adalah frekuensi rendah (10-3-104 Hz), sehingga yang dominan adalah sifat difusifnya. Konsekuensi dari hal tersebut adalah resolusi yang semakin besar pada kedalaman yang lebih dalam. Dari solusi medan listrik dan medan magnet untuk medium homogen nampak
bahwa
amplitudo
gelombang
EM
mengalami
atenuasi
secara
eksponensial terhadap kedalaman. Dengan menggunakan solusi tersebut kita dapat menghitung besarnya amplitudo terhadap kedalaman tertentu. Skin depth
17
didefinisikan sebagai kedalaman suatu medium homogen dimana amplitudo gelombang EM telah tereduksi menjadi 1/e dari amplitudo di permukaan bumi.
δ=
2ρ
ωµ 0
2.38
B. Metode Magnetotellurik Metode magnetotellurik (MT) adalah metode sounding elektromagnetik (EM) untuk mengetahui struktur tahanan jenis bawah permukaan dengan cara ) melakukan pengukuran pasif komponen medan listrik ( ) dan medan magnet (2 alam yang berubah terhadap waktu. Perbandingan antara medan listrik dan medan magnet disebut impedansi yang merupakan sifat listrik (konduktivitas/resistivitas) medium. Metode MT menghasilkan kurva sounding tahanan jenis semu terhadap frekuensi yang menggambarkan variasi konduktivitas listrik terhadap kedalaman. Pada eksplorasi daerah prospek geothermal, metode MT digunakan untuk mencari daerah bertahanan jenis rendah yang diasosiasikan dengan keberadaan lapisan batuan penutup dan pergerakan fluida panas atau reservoir panas bumi. Medan EM mempunyai kawasan frekuensi dengan rentang band frekuensi panjang yang mampu untuk investigasi dari kedalaman beberapa puluh meter hingga ribuan meter di bawah muka bumi. Makin rendah frekuensi yang dipilih makin dalam jangkauan penetrasi. Kedalaman penetrasi atau jangkauan gelombang elektromagnetik (EM) ke dalam bumi, kecepatan kerja untuk liputan daerah yang cukup luas, serta kesederhanaan dalam akuisisi data di lapangan merupakan keunggulan utama metode MT (Mardiana, U. 2007).
18
1.
Sumber Medan Magnetotellurik Sumber medan EM frekuensi tinggi (>1 Hz) berasal dari kegiatan guntur
dan kilat yang terjadi dalam lapisan atmosfer bumi secara menyeluruh (worldwide). Sumber medan EM frekuensi rendah (< 1 Hz) berasal dari gelombang micro (micropulsation) karena interaksi antara partikel matahari (solar wind) dengan medan magnet bumi. Dalam permasalahan ini, penulis hanya akan membahas medan EM yang disebabkan oleh matahari, karena medan inilah yang merupakan sumber medan untuk metode Magnetotellurik, bila digunakan sumber alam.
Gambar 2.5 Ilustrasi sumber medan elektromagnetik (EM) (sumber: Grandis, H. 2007)
Dipermukaan matahari selalu terjadi letupan-letupan plasma yang akan mengeluarkan partikel, yang sebagian besar terdiri dari partikel hidrogen. Aktivitas letupan tersebut berubah-ubah terhadap waktu. Karena terjadi proses ionisasi dipermukaan matahari, maka hidrogen berubah menjadi plasma yang
19
mengandung proton dan elektron. Kecepatan plasma ini relatif rendah dan lebih dikenal dengan sebutan angin matahari (Solar Wind), yang mempunyai sifat acak dan berubah terhadap waktu. Bila angin matahari bertemu dengan medan magnet bumi, maka proton dan elektron akan terpisah dengan arah yang berlawanan, dan ini akan menimbulkan arus listrik dan medan EM dalam angin matahari. Medan ini akan bersifat melawan medan magnet bumi di tempat peristiwa itu terjadi, sehingga medan magnet ditempat itu akan berkurang secara tajam sehingga membentuk batas medan magnet bumi di atmosfer yang disebut sebagai lapisan magnetopause yang merupakan batas terluar dari atmosfer bumi. Angin matahari yang membawa medan EM akan terus menjalar sampai lapisan ionosfer, dan akan terjadi lagi interaksi dengan lapisan tersebut. Sekali lagi, terjadi medan atau gelombang EM dan arus tellurik yang mengalir dalam ionosfer tersebut. Gelombang EM ini akan menjalar sampai permukaan bumi dan sesuai dengan sifat pembawaannya yaitu berfluktuasi terhadap waktu. Bila medan ini, yang merupakan sumber medan magnet dipermukaan bumi, menembus bumi maka akan terjadi interaksi antara medan EM dengan material bumi yang dapat bersifat sebagai konduktor. Akibat interaksi ini, akan timbul arus induksi seperti yang terjadi pada fenomena Biot-Savart. Arus induksi ini akan menginduksi ke permukaan bumi sehingga terjadi arus eddy dilapisan permukaan bumi yang kita kenal sebagai “arus tellurik”. Arus tellurik inilah yang akan menjadi sumber medan listrik dipermukaan bumi untuk metode MT ini.
20
Gambar 2.6 skema sederhana proses induksi gelombang elektromagnet terhadap bumi yang konduktif (sumber: Setyawan, A. et al. 2005 )
2.
Tensor Impedansi Data MT berupa deret waktu (time series) komponen horizontal medan
elektromagnetik (Ex, Ey, Hx dan Hy) yang diukur pada permukaan bumi. Sinyal terekam mempunyai rentang frekuensi sangat lebar (10-3-105 Hz), yang berisi informasi tentang variasi medan listrik dan magnetik terhadap waktu. Tujuan pengolahan data adalah mendapatkan fungsi transfer MT, yaitu tensor impedansi yang menyatakan hubungan antara medan listrik dan medan magnetik dalam domain frekuensi melalui persamaan berikut: E x = Z xx H x + Z xy H y E y = Z yx H x + Z yy H y
atau E x Z xx Z xy H x E y = Z yx Z H y yy
2.39
21
E =Z ⋅H
2.40
Pada persamaan (2.39), Z adalah tensor impedansi penghubung medan listrik dan magnetik. FXY adalah tensor impedansi dari X dan 2Y , sedangkan FYX adalah tensor impedansi dari Y dan 2X . Z adalah bilangan kompleks dengan elemen riil dan imajiner, sehingga bisa dinyatakan oleh:
ρ ij =
1
µ 0ω
Z ij
2
{ } { }
Im Z ij Re Z ij
φij = tan −1
2.41
2.42
Tahapan untuk mengestimasi fungsi transfer MT didahului dengan analisis spektral deret waktu medan elektromagnetik. Deret waktu dengan rentang yang sangat panjang dipartisi menjadi deret-deret waktu yang pendek. Dari tiap partisi akan diperoleh estimasi impedansi pada beberapa frekuensi. Data pengukuran medan listrik dan magnetik selalu mengandung noise. Oleh karena itu, komponen medan listrik dan magnetik hasil pengukuran bisa dituliskan sebagai penjumlahan antara medan alami dan noise.
Eobs = E + Enoise
2.43
H obs = H + H noise
2.44
Untuk menghilangkan pengaruh noise pada spektrum-daya magnetik, diterapkan metode remote reference. Metode remote reference melibatkan satu titik pengukuran tambahan yang letaknya relatif jauh dari titik pengukuran utama. Sensor yang digunakan pada titik ini biasanya hanya sensor magnetik saja.
22
Metode remote reference didasarkan pada karakter medan magnetik yang secara spasial tidak terlalu banyak bervariasi. Oleh karena itu karakter atau sinyal pada medan magnetik di titik pengukuran dan di titik refereni relatif identik, namun masing-masing memiliki noise yang berbeda. Selain dengan teknik remote reference, pembersihan noise juga dilakukan dengan analisis statistik. Robust processing adalah teknik yang digunakan dalam analisis ini. Dengan mendeteksi pencilan luar (outliers), data yang memiliki nilai jauh berbeda dengan data keseluruhan, secara iteratif diberikan pembobotan yang lebih kecil.
3.
Rotasi Tensor Impedansi Persamaan (2.39) menyatakan hubungan antara medan listrik dan medan
magnetik pada medium 3D dimana nilai Z bervariasi terhadap sistem koordinat x, y, z. Untuk medium 1D, dimana variasi tahanan-jenis hanya terhadap kedalaman, nilai elemen diagonal tensor impedansi, Zxx dan Zyy adalah nol. Sedangkan elemen tak-diagonal mempunyai nilai yang sama tetapi berlawanan tanda. Z xx = Z yy = 0 1 − D Z xy = −Z yx
2.45
Untuk kasus medium 2D, dimana arah struktur sejajar atau tegak lurus dengan sumbu koordinat, nilai dari komponen-komponen tensor adalah, Z xx = − Z yy 2 − D Z xy ≠ Z yx
2.46
23
Secara teoritis, tensor impedansi yang dihasilkan dari pengolahan data dapat dirotasikan sehingga diperoleh impedansi dengan sistem koordinat berbeda sistem koordinat pengukuran. Rotasi tensor impedansi didasarkan persamaan: Z = R . Z . RT cos β R = − sin β
− sin β cos β
2.47
dimana R adalah matriks rotasi, β adalah sudut rotasi dan RT adalah transpos dari R. Rotasi dilakukan untuk memperkirakan arah jurus struktur daerah pengukuran. Untuk menentukan nilai β agar sesuai dengan arah jurus struktur, nilai tensor impedansi Zxy dan Zyx dimaksimalkan dan nilai Zxx dan Zyy diminimalkan. Elemen tensor hasil rotasi, Zxy dan Zyx, dikenal dengan TE-mode dan TM-mode jika sumbu-x sejajar arah struktur.
4.
Tensor Impedansi Invarian Pada medium 1-D yang hanya bervariasi terhadap kedalaman, besaran
impedansi merupakan besaran skalar yang tidak bergantung arah koordinat pengukuran. Besaran invarian diturunkan dari tensor impedansi dan bersifat tidak bergantung arah koordinat pengukuran. Dengan kata lain besaran invarian tidak terpengaruh walaupun dilakukan rotasi tensor impedansi. Berdichevsky (2002) menyatakan besaran invarian sebagai hasil perataan komponen utama tensor impedansi: Z inv =
1 ( Z xy − Z yx ) 2
2.48
24
Besaran invarian bisa dijadikan sebagai alternatif untuk menentukan arah jurus struktur secara kasar jika medium tidak terlalu jauh menyimpang dari kondisi 1-D.
5.
Pemodelan Struktur Tahanan Jenis Untuk melihat distribusi tahanan-jenis bawah permukaan, data MT multi-
site ditampilkan dalam bentuk penampang. Penampang tahanan-jenis diperoleh melalui pemodelan 1D dan 2D, dengan data masukan berupa impedansi TE-mode dan TM-mode. a.
Pemodelan 1D Model 1D berupa model berlapis horisontal, yaitu model yang terdiri dari
beberapa lapisan, dimana tahanan jenis tiap lapisan homogen. Dalam hal ini parameter model 1D adalah tahanan jenis dan ketebalan tiap lapisan. Secara umum hubungan data dan parameter model dapat dinyatakan oleh: d=F(m)
2.49
dimana d adalah vektor data, m adalah vektor model dan F(m) adalah fungsi forward modeling. Pemecahan masalah menggunakan algoritma dilakukan Newton dengan mencari solusi model yang meminimumkan fungsi objektif Ψ, yang didefinisikan oleh: T
Ψ (m) = (d – m F ) V (d – m F ))
2.50
dimana V adalah matriks pembobot. Penerapan metode Newton untuk minimasi persamaan (2.49) memberikan solusi:
25
mn+ 1 = mn −[ JnT Jn + HnT (F( m ) – d )]-1 × [JnT ((Fm) – d )]
2.51
dimana mn+1 adalah model pada iterasi ke-n, J adalah matriks Jacobian yaitu turunan pertama Ψ terhadap m dan H adalah matriks Hessian yaitu turunan kedua Ψ terhadap m. b. Pemodelan 2D Model 2D berupa model bawah permukaan yang terdiri dari blok-blok dengan ukuran berbeda. Dalam hal ini parameter model 2D adalah nilai tahananjenis dari tiap blok yang mempunyai dimensi lateral (x) dan vertikal (z). Secara umum hubungan data dan parameter model juga dapat dinyatakan oleh persamaan (2.48). Pemecahan masalah menggunakan algoritma nonlinear conjugate gradient (NLCG) dilakukan dengan mencari solusi model yang meminimumkan fungsi objektif Ψ, yang didefinisikan oleh: T
(Ψ (m) = (d – F m ) V-1 (d – F m))+ ε2mT Wmm
2.52
dimana ε adalah bilangan positif sebagai bobot relatif antara kedua faktor yang diminimumkan, dan W adalah faktor smoothness yang merupakan fungsi kontinyu model yang dapat dinyatakan oleh turunan pertama atau turunan keduanya. Penerapan metode NLCG untuk meminimumkan persamaan (2.49) memberikan solusi: mn+ 1 = mn −[JnT Jn + HnT ( F (m)− d )+ε W m]-1x[ JnT (F (m) – d )]
2.53
Pemodelan inversi dengan algoritma NLCG diaplikasikan pada program WinGlink.
26
C. Sifat Listrik Dalam Batuan Aliran arus listrik di dalam batuan dan mineral dapat di golongkan menjadi tiga macam, yaitu konduksi secara elektronik, konduksi secara elektrolitik, dan konduksi secara dielektrik (Wuryantoro. 2007). 1. Konduksi secara elektronik Konduksi ini terjadi jika batuan atau mineral mempunyai banyak elektron bebas sehingga arus listrik di alirkan dalam batuan atau mineral oleh elektronelektron bebas tersebut. Aliran listrik ini juga di pengaruhi oleh sifat atau karakteristik masing-masing batuan yang di lewatinya. Salah satu sifat atau karakteristik batuan tersebut adalah resistivitas (tahanan jenis) yang menunjukkan kemampuan bahan tersebut untuk menghantarkan arus listrik. Semakin besar nilai resistivitas suatu bahan maka semakin sulit bahan tersebut menghantarkan arus listrik, begitu pula sebaliknya. Jika di tinjau suatu silinder dengan panjang L, luas penampang A, dan resistansi R, maka dapat di rumuskan: [
Z $,
2.54
Gambar 2.7 Silinder Konduktor (Sumber: Wuryantoro. 2007)
Di mana secara fisis rumus tersebut dapat di artikan jika panjang silinder konduktor (L) dinaikkan, maka resistansi akan meningkat, dan apabila diameter silinder konduktor diturunkan yang berarti luas penampang (A) berkurang maka resistansi juga meningkat. Di mana ρ adalah resistivitas (tahanan jenis) dalam Ωm. Sedangkan menurut hukum Ohm, resistivitas R dirumuskan :
27
Z
# \
2.55
Sehingga didapatkan nilai resistivitas: $
#, \[
2.56
Pada eksplorasi daerah prospek geothermal, metode MT digunakan untuk mencari daerah bertahanan jenis rendah yang diasosiasikan dengan keberadaan lapisan batuan penutup dan pergerakan fluida panas atau reservoir panas bumi. Pendugaan tahanan jenis sounding dapat digunakan untuk memberikan gambaran tentang kerak bumi secara vertikal yang dinyatakan dengan adanya lapisan batuan yang dibuat berdasarkan harga tahanan jenis. Selanjutnya berdasarkan pada gambaran penampang tersebut akan dapat ditafsirkan keadaan dalam kerak bumi yang berupa kedalaman lapisan, ketebalan lapisan dan kemungkinan struktur yang muncul. Panas secara tidak langsung akan mempengaruhi harga tahanan jenis dari tiap-tiap batuan. Batuan-batuan yang jenuh air apabila terkena panas akan berubah harga tahanan jenisnya. Air yang terpanaskan akan lebih banyak melarutkan garam-garam dalam batuan dan membentuk elektrolit kuat yang merupakan penghantar arus listrik yang baik. Panas bumi juga mempunyai nilai tahanan jenis yang berubah dari batuan yang banyak mengandung air. Batuan-batuan tersebut akan mempunyai nilai tahanan jenis yang rendah. Tinggi atau rendahnya harga tahanan jenis dalam batuan, dipengaruhi oleh faktor-faktor keragaman batuan, kandungan air dalam batuan, sokongan panas dan mobilitas ion dalam penghantar listrik dalam batuan
28
tersebut. Keempat faktor tersebut saling berkaitan sehingga satu sama lain saling mempengaruhi. 2. Konduksi Secara Elektrolitik Sebagian besar batuan merupakan konduktor yang buruk dan memiliki resistivitas yang sangat tinggi. Namun pada kenyataannya batuan biasanya bersifat porus dan memiliki pori-pori yang terisi oleh fluida, terutama air. Akibatnya batuan-batuan tersebut menjadi konduktor elektrolitik, di mana konduksi arus listrik dibawa oleh ion-ion elektrolitik dalam air. Konduktivitas dan resistivitas batuan porus bergantung pada volume dan susunan pori-porinya. Konduktivitas akan semakin besar jika kandungan air dalam batuan bertambah banyak, dan sebaliknya resistivitas akan semakin besar jika kandungan air dalam batuan berkurang. 3. Konduksi Secara Dielektrik Konduksi ini terjadi jika batuan atau mineral bersifat dielektrik terhadap aliran arus listrik, artinya batuan atau mineral tersebut mempunyai elektron bebas sedikit, bahkan tidak sama sekali. Elektron dalam batuan berpindah dan berkumpul terpisah dalam inti karena adanya pengaruh medan listrik di luar, sehingga terjadi poliarisasi. Peristiwa ini tergantung pada konduksi dielektrik batuan yang bersangkutan, contoh : mika.
29
D. Panas Bumi 1.
Sistem Panas Bumi Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia (dalam Ashat. A. 2009). “panas
bumi adalah sumber energi seperti air panas, uap panas, serta gas-gas lain yang terdapat di dalam perut bumi”, sedangkan menurut Leibowitz mendefinisikan energi panas bumi sabagai sejumlah panas yang berasal dari bumi dan berada cukup dekat dengan permukaan bumi sehingga dapat digunakan secara ekonomi. Menurut Pasal 1 UU No.27 tahun 2003 tentang Panas Bumi (dalam Vita. R. 2008), panas bumi adalah sumber energi panas yang terkandung di dalam air panas, uap air, dan batuan bersama mineral ikutan dan gas lainnya yang secara genetik semuanya tidak dapat dipisahkan dalam suatu sistem panas bumi dan untuk pemanfaatannya diperlukan proses penambangan. Energi panas bumi merupakan energi yang dihasilkan dari panas yang tersimpan di bawah permukaan bumi. Energi panas bumi menyumbang 0.416% dari total energi dunia. Jika sumber panas yang dikumpulkan melalui pompapompa panas bumi diikutsertakan, maka kapasitas energi panas bumi nongenerator listrik diperkirakan mencapai 100 GW dan digunakan secara komersil di lebih dari 70 negara. Sebuah sistem panas bumi terdiri dari empat komponen batuan penyusunnya yaitu: a.
Adanya sumber panas (heat source), pada umunya berupa intrusi magmatik (vulkanik) yang bersuhu sangat tinggi (t > 600 oC) yang telah mencapai kedalaman relatif cukup dangkal (5-10 km) sehingga dapat menimbulkan
30
anomali fluks panas yang cukup besar atau sistem dengan suhu tertentu yang cukup rendah namun terus bertambah seiring dengan kedalaman. b.
Adanya
batuan
dasar
(bed
rock)
yang
impermebel,
yang
dapat
mengkonduksikan panas dari sumbernya ke reservoir. c.
Adanya batuan wadah (reservoir), yaitu batuan ekifer dengan porositas dan permeabilitas cukup tinggi berisi fluida (air dan/ uap) panas. Ada pengisian kembali air dingin biasanya air hujan melalui sesar dan rekahan. Reservoir panas bumi berupa batu panas yang permeabel dimana fluida yang mengisi dan melaluinya mengambil panas.
d.
Adanya batuan penutup (caprock) yaitu batuan impermeabel yang dapat mencegah pelepasan energi dari reservoir ke lapisan dekat permukaan.
Gambar 2.8 Sketsa Sistem Panas Bumi (sumber: Wahyudi. 2009)
Suatu sistem panas bumi terdiri dari beberapa komponen geologi, yaitu sumber panas, batuan dasar, batuan penutup, dan batuan reservoir. Sumber panas
31
yang dimaksudkan adalah massa panas pada aliran fluida panas atau sebagai pembawa panas ke permukaan yang berinteraksi dengan sistem air tanah bawah permukaan dan terperangkap dalam zona reservoir yang permeabilitasnya tinggi pada umumnya massa panas berbentuk aliran konduksi dan konveksi yang berhubungan dengan kontak sentuh hasil kegiatan gunung api (vulkanisme). Perangkap fluida panas pada umumnya berupa lapisan batuan yang karena pengaruh tektonik atau perubahan gaya gerak struktur geologi (sesar, pelipatan) akan membentuk rekahan-rekahan (freactures) sebagai permeabilitas pada zona reservoir. Aliran fluida panas muncul ke permukaan melalui satu saluran yang dapat berupa struktur sesar, zona rekahan ataupun bidang perlapisan batuan, berupa manifestasi panas bumi seperti lumpur panas, geiser, fumarola, tanah panas, mata air panas, solfatara, batuan ubahan, dan lain-lain.
2.
Sistem Hidrothermal Sistem panas bumi di Indonesia umumnya merupakan sistem hidrothermal
yang mempunyai suhu tinggi (t > 225 oC), hanya beberapa diantaranya yang mempunyai suhu sedang (150 – 225 oC). Pada dasarnya sistem panas bumi jenis hidrothermal terbentuk sebagai hasil perpindahan panas dari suatu sumber panas ke sekelilingnya yang terjadi secara konduksi dan secara konveksi. Perpindahan panas secara konduksi terjadi melalui batuan, sedangkan perpindahan panas secara konveksi terjadi karena adanya kontak antara air dengan suatu sumber panas. Perpindahan panas secara konveksi pada dasarnya terjadi karena gaya apung air, karena gaya gravitasi selalu mempunyai kecenderungan
32
untuk bergerak kebawah, akan tetapi apabila air tersebut kontak dengan suatu sumber panas maka akan terjadi perpindahan panas sehingga suhu air menjadi lebih tinggi dan air menjadi lebih ringan. Keadaan ini menyebabkan air yang lebih panas bergerak ke atas dan air yang lebih dingin bergerak turun ke bawah sehingga terjadi sirkulasi air atau arus konveksi. Adanya suatu sistem hidrothermal di bawah permukaan sering kali ditunjukkan oleh adanya manifestasi panas bumi di permukaan (geothermal surface manifestation), seperti mata air panas, kubangan lumpur panas (mud pools), geyser dan manifestasi panas bumi lainnya. Manifestasi panas bumi di permukaan diperkirakan terjadi karena adanya perambatan panas dari bawah permukaan atau karena adanya rekahan–rekahan yang memungkinkan fluida panas bumi (uap dan air panas) mengalir ke permukaan. Aliran fluida yang terjadi berupa upflow maupun outflow. Upflow merupakan aliran fluida dari daerah bertekanan tinggi menuju daerah bertekanan rendah. Upflow sumber panas bumi dapat diartikan juga merupakan aliran fluida secara vertikal di dalam sistem. Daerah-daerah upflow dicirikan oleh munculnya fumarol atau steam vent, yang dapat berasosiasi dengan alterasi asam di daerah dangkal. Sedangkan outflow merupakan aliran fluida secara lateral ke luar sistem dan dicirikan oleh manifestasi air panas pada daerah yang lebih rendah.
3.
Karakteristik Panas Bumi Langkah awal dalam rangka penyiapan konservasi energi panas bumi adalah
study sistem panas bumi terutama melalui pemahaman terhadap karakteristik
33
sumber panas bumi sebagai bagian penting dalam sistem. Pemahaman tentang karakteristik sumber panas bumi berkaitan dengan hal-hal berikut: a.
Dapur Magma Menurut para ahli seperti Turner dan Verhoogen, F. F Groun, Takeda
(dalam Karami. G. 2009) magma didefinisikan sebagai cairan silikat kental yang pijar terbentuk secara alamiah, bersuhu tinggi antara 1500-2500 oC dan bersifat mobile (dapat bergerak) serta terdapat pada kerak bumi bagian bawah. Dalam magma terdapat beberapa bahan yang larut bersifat volatile seperti air, CO2, chlorine, fluorine, iron, sulphur, dan lain-lain yang merupakan penyebab mobilitas magma, dan non-volatile (non gas) yang merupakan pembentuk mineral yang lazim dijumpai dalam batuan beku. Pada saat magma mengalami penurunan suhu akibat perjalanan ke permukaan bumi, maka mineral-mineral akan terbentuk. Peristiwa tersebut dikenal sebagai peristiwa penghabluran. Pada dasarnya energi panas yang dihasilkan oleh suatu wilayah gunung api mempunyai kaitan erat dengan sistem magmatik yang mendasarinya, salah satu karakteristik penunjang potensi panas bumi adalah letak dapur magma yang berada di bawah permukaan sebagai sumber panas, terutama di daerah-daerah yang terletak di jalur vulkanik-magmatik. Ukuran magma itu sendiri berhubungan erat dengan kegiatan vulkanisme. Dalam perjalanannya menuju permukaan, magma akan mengalami proses diferensiasi dan berevolusi menghasilkan susunan kimiawi yang berbeda sesuai kedalaman. Dapur magma yang terbentuk pada kedalaman menengah kemungkinan terkontaminasi oleh bahan-bahan kerak bumi yang kaya akan silika dan gas,
34
sehingga
bersifat
lebih
eksplosif.
Volumenya
dapat
diperkirakan
dari
kenampakan-kenampakan fisik berupa ukuran kaldera, distribusi lubang, kepundan, pola rekahan, pengangkatan topografi, dan hasil erupsi gunung api atau melalui identifikasi dengan metode geofisika. b. Kondisi Hidrologi Kondisi hidrologi pada suatu sistem panas bumi sangat dipengaruhi oleh bentang alam. Pada daerah berelief (topografi) rendah, manifestasi-manifestasi panas bumi dapat berbentuk mulai dari kolam air panas dengan pH mendekati netral, pengendapan sinter silika hingga zona-zona uap mengandung H2S yang berpeluang menghasilkan fluida bersifat asam; menandakan bahwa sumber fluida panas bumi berada relatif tidak jauh dari permukaan. Sementara pada daerah dengan topografi tinggi dimana kenampakan manifestasi berupa fumarol atau solfatara, menggambarkan bahwa sumber panas bumi berada pada kondisi relatif dalam yang memerlukan waktu dan jarak panjang untuk mencapai permukaan. c.
Manifestasi Adanya aktivitas panas bumi ditunjukkan oleh adanya manifestasi-
manifestai di permukaan. Manifestasi di permukaan diperkirakan terjadi karena adanya perambatan panas dari bawah permukaan atau karena adanya rekahanrekahan yang memungkinkan fluida panas bumi (uap dan air panas) mengalir ke permukaan, adanya manifestasi panas bumi sering ditunjukan oleh hal-hal berikut: 1) Mata air panas; merupakan manifestasi yang menunjukkan adanya reservoir panas bumi di bawah batuan permukaan. Mata air panas biasanya memiliki suhu antara (150-225)oC, sehingga pada umunya kita dapat memperkirakan
35
jumlah energi panas yang dapat diproduksi. Dalam kehidupan sehari-hari mata air panas dapat dimanfaatkan secara langsung untuk pemanas ruangan/rumah pertanian, air mandi atau penggerak turbin listrik. 2) Sinter Silika; merupakan manifestasi panas bumi yang berasal dari fluida hidrothermal yang mempunyai susunan alkalin dengan kandungan silika yang cukup. Sinter silika mengendap ketika fluida yang mengalami pendinginan dari 100oC ke 50oC. Endapan ini dapat digunakan sebagai indikator yang baik bagi keberadaan reservoir bersuhu >175 oC. 3) Travertin; merupakan manifestasi panas bumi yang berasal dari jenis karbonat yang mengendap di permukaan, hal ini terjadi ketika air meteorik yang sedang bersirkulasi sepanjang bukaan-bukaan struktur mengalami pemanasan oleh magma dan bereaksi dengan batuan karbonat. Travertin biasanya terbentuk sebagai timbunan/gundukan disekitar mata air panas yang mempunyai suhu sekitar (30-100)oC. Travertin dapat digunakan sebagai indikator suhu reservoir panas bumi berkapasitas energi kecil yang terlalu lemah untuk menggerakkan turbin listrik tetapi dapat dimanfaatkan secara langsung. 4) Kawah dan endapan hidrothermal, kawah merupakan manifestasi panas bumi yang dihasilkan oleh erupsi berkekuatan supersonik karena tekanan uap panas yang berasal dari reservoir hidrothermal dalam (pada kedalaman ±400 m dan mempunyai suhu sekitar 230 oC) yang melampaui tekanan litostatik, ketika aliran uap tersebut terhambat oleh lapisan batuan tidak permeabel (caprock). Sedangkan endapan hidrothermal merupakan manifestasi panas bumi yang
36
dihasilkan oleh erupsi berkekuatan basiltik dari reservoir hidrothermal dangkal (pada kedalaman ±200 m dan mempunyai suhu sekitar 195 oC). Endapan hidrothermal terjadi ketika transmisi tekanan uap panas melebihi tekanan litostatik karena tertutupnya bukaan-bukaan batuan yang dilaluinya. Kedua jenis manifestasi ini erat hubungannya dengan kegiatan erupsi hidrothermal dan merupakan indikator kuat dari keberadaan reservoir hidrothermal aktif. d. Reservoir Reservoir merupakan suatu volume batuan di bawah permukaan bumi yang mempunyai cukup porositas dan permeabilitas untuk meloloskan fluida yang terperangkap didalamnya, menurut Hochstein (dalam Herman, Danny. 2006) reservoir geothermal diklasifikasikan menjadi 3 (tiga) yaitu : 1) Entalpi rendah yaitu reservoir geothermal yang mempunyai batas suhu t < 125oC dengan rapat daya spekulatif 10 MW/km2 dan konversi energi 10%. 2) Entalpi sedang yaitu reservoir geothermal yang mempunyai kisaran suhu 125oC – 225oC dengan rapat daya spekulatif 12,5 MW/km2 dan konversi energi 10%. 3) Entalpi tinggi yaitu reservoir geothermal yang mempunyai batas suhu t > 225oC dengan rapat daya spekulatif 15 MW/km2 dan konversi energi 15%. Faktor-faktor pembentukan suatu reservoir panas bumi sangat dipengaruhi oleh hal-hal berikut ; 1) Umur dan ukuran terobosan subvulkanik 2) Tersedianya cukup akuifer
37
3) Porositas dan permeabilitas batuan-batuan dasar 4) Rekahan-rekahan batuan dasar 5) Lingkungan tektonik dan kedudukan dari sistem rekahan terdahulu 6) Kandungan lempung dan tingkat ubahan (alterasi) hidrotermal dari batuan induk. e.
Batuan penutup (caprock) Batuan penutup (caprock) yaitu batuan impermeabel yang dapat mencegah
pelepasan energi dari reservoir ke lapisan dekat permukaan. Caprock sistem panas bumi memliki resistivitas dan permeabilitas yang rendah karena diakibatkan kehadiran beberapa mineral hasil alterasi hidrotermal. Alterasi terjadi pada intrusi batuan beku yang mengalami pemanasan dan pada struktur tertentu yang memungkinkan masuknya air meteorik untuk dapat mengubah komposisi mineralogi batuan. Perubahan komposisi mineral batuan (dalam keadaan padat) tersebut terjadi karena pengaruh suhu dan tekanan yang tinggi. Zona alterasi merupakan suatu zona tempat sirkulasi fluida yang menyebabkan himpunan mineral pada batuan dinding menjadi tidak stabil, dan cenderung menyesuaikan kesetimbangan baru dengan membentuk himpunan mineral yang sesuai dengan kondisi yang baru. Zona alterasi hidrotermal dapat terbagi menjadi lima zona berdasarkan kumpulan mineral ubahannya: 1) Zona Potasik Zona potasik merupakan zona alterasi yang berada pada bagian dalam suatu sistem hidrotermal dengan kedalaman yang bervariasi yang umumnya lebih dari
38
beberapa ratus meter. Zona alterasi ini dicirikan oleh mineral ubahan berupa biotit sekunder, kalium feldspar, kuarasa, serisit, dan magnetit. 2) Zona Alterasi Serisit Zona alterasi ini biasanya terletak pada bagian luar dari zona potasik. Batas zona ini berbentuk circular yang mengelilingi zona potasik yang berkembang pada intrusi. Zona ini dicirikan oleh mineral serisit dan kuarsa sebagai mineral utama dengan mineral pyrite yang melimpah serta sejumlah anhidrit. 3) Zona Alterasi propilitik Zona ini berkembang pada bagian luar zona alterasi yang dicirikan oleh kumpulan mineral epidot maupun karbonat dan juga mineral klorit. Karakteristik dari zona ubahan ini yaitu dijumpai kumpulan mineral ubahan yang umumnya berupa klorit dan epidot serta dijumpainya mineral ubahan serisit dan kuarsa, lempung dan karbonat dalam jumlah yang sedikit. Endapan umumnya dijumpai dalam bentuk veinlet disebabkan pengisian rekahan oleh larutan sisa magma yang melewati batuan tersebut, dimana rekahannya merupakan zona yang lemah yang merupakan media tempat larutan tersebut mengalir yang kemudian mengalami pembekuan dan pengkristlan. 4) Zona Argilik Zona ini terbentuk karena rusaknya unsure potassium, kalsium dan magnesium menjadi mineral lempung. Zona ini dicirikan oleh kumpulam mineral lempung, kuarsa dan karbonat. Logam sulfida yang biasanya terbentuk pada zona ini berupa pirit namun kehadirannya tidak seintensif pada zona serisit dimana bentuk veinlet ini hadir pada bagian luar dalam suatu site alterasi hidrotermal.
39
5) Zona Alterasi Skarn Alterasi ini terbentuk akibat kontak antara batuan sumber dengan batuan karbonat. Zona ini sangat dipengaruhi oleh komposisi batuan yang kaya akan kandungan mineral karbonat. Pada kondisi yang kurang akan air, zona ini dicirikan oleh pembentukan mineral garnet, klinopiroksin dan wollastonit serta mineral magnetit dalam jumlah yang cukup besar. Sedangkan pada zona yang kaya akan air, zona ini dicirikan oleh mineral klorit, tremolit, aktinolit dan kalsit dan larutan hidrotermal.
4.
Potensi Panas Bumi Potensi panas bumi merupakan kemampuan untuk menghasilkan energi
panas bumi, potensi panas bumi di Indonesia dibagi menjadi dua kelas yaitu potensi panas bumi sumber daya dan sumber cadangan, yang masing-masing dibagi lagi menjadi subkelas-subkelas. Adapun kriteria sumber daya terdiri dari : a.
Sumber daya spekulatif yaitu sumber daya yang dicirikan oleh adanya manifestasi panas bumi aktif dimana luas reservoir dihitung dari data geologi yang tersedia dan rapat dayanya berdasarkan asumsi.
b.
Sumber daya hipotesis yaitu sumber daya yang dicirikan oleh adanya manifestasi panas bumi aktif dengan data dasar hasil survei regional geologi, geokimia dan geofisika. Luas daerah prospek ditentukan berdasarkan penyebaran manifestasi dan batasan geologi, sementara penentuan suhu berdasarkan geotermometer.
40
Sedangkan kriteria sumber cadangan terdiri dari : a.
Sumber cadangan terduga merupakan sumber cadangan yang dibuktikan oleh data pemboran landaian suhu dimana estimasi luas dan ketebalan reservoir serta parameter fisika batuan dan fluida dilakukan berdasarkan data ilmu kebumian terpadu, yang digambarkan dalam bentuk model tentatif.
b.
Sumber cadangan mungkin merupakan sumber cadangan yang dibuktikan oleh sumur eksplorasi yang berhasil dimana estimasi luas dan ketebalan reservoir didasarkan pada data sumur dan hasil penyelidikan ilmu kebumian rinci terpadu. Parameter batuan, fluida dan suhu reservoir diperoleh dari pengukuran langsung dalam sumur.
c.
Sumber cadangan terbukti merupakan sumber cadangan yang dibuktikan oleh lebih dari satu sumur eksplorasi yang berhasil mengeluarkan uap/air panas, dimana estimasi luas dan ketebalan reservoir didasarkan keadaan data sumur dan hasil penyelidikan ilmu kebumian rinci terpadu. Parameter batuan dan fluida serta suhu reservoir didapatkan dari data pengukuran langsung dalam sumur dan atau laboratorium.
