MODUL METODE MAGNETOTELLURIK Asnin Nur Salamah, Rizandi Gemal Parnadi, Heldi Alfiadi, Zamzam Multazam, Mukhlis Ahmad Zaelani, Nanda Tumangger, Surya Wiranto Jati, Andromeda Shidiq 10210045, 10210001, 10210004, 10210012, 10210038, 10210064, 10210075, 102100 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail :
[email protected] Asisten : Pradini Rahalintar (10209012) Tanggal Praktikum : 14-04-2013 Abstrak Salah satu metode geofisika yang menggunakan medan elektromagnetik (EM) dalam pemanfaatannya adalah metode Magnetotelurric. Gelombang elektromagnetik alamiini digunakan sebagai sumber gelombang atau energy untuk mengetahui struktur tahanan-jenis bawah permukaan. Metode MT merupakan metode pengukuran pasif dengan mengukur medan listrik (E) dan medan magnet (H) dipermukaan bumi dalam dengan rentang waktu tertentu. Rentang frekuensi medan EM yang digunakan dalam metode ini memiliki nilai yang panjang sehingga mampu menyelidiki bawah pemukaan hingga ke kedalaman beberapa puluh meter ataupun ribuan meter di bawah permukaan bumi. Metoda pengolahan data pada praktikum ini menggunakan program Ms. Excel dan IPI2win yang selanjutnya dapat diinterpretasi hasil data lapangannya. Kata Kunci: Fasa, Metode Magnetotellurik, Resistivitas.
I.
Pendahuluan Pada praktikum modul ini dijelaskan mengenai salah satu metoda geofisika untuk mengetahui struktur bawah permukaan tanah yaitu Magnetotelluric atau MT dimana dilakukan simulasi pengolahan data MT yang selanjutnya data tersebut akan diinterpretasikan sesuai resistivitas dan beda fasa. Sebelumnya, sesuai teori bahwa metode Magnetotellurik (MT) sendiri adalah salah satu metode geofisika yang memanfaatkan medan elektromagnetik (EM) alami sebagai sumber gelombang atau energi untuk mengetahui struktur tahanan-jenis bawah permukaan. Metode yang merupakan metode pengukuran pasif dengan mengukur medan listrik (E) dan medan magnet (H) dipermukaan bumi dalam selang waktu tertentu ini, mempunyai rentang frekuensi yang panjang sehingga mampu untuk menyelidiki bawah permukaan dari kedalaman beberapa puluh meter hingga ribuan meter di bawah permukaan bumi. Untuk sumber alami medan EM secara garis besar berasal dari tiga sumber yang bergantung terhadap frekuensi, dimana rentang frekuensi mencapai 0,0001 Hz hingga 10000 Hz yaitu:
a. Sinyal frekuensi tinggi (>1 Hz) berasal dari aktivitas petir, b. Sinyal frekuensi sedang (<1 Hz) berasal dari resonansi lapisan ionosfer bumi, c. Sinyal frekuensi rendah (<<1 Hz) berasal dari bintik hitam matahari (sun-spots) Metode Magnetotellurik memiliki prinsip kerj yang didasarkan pada proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada anomail bawah permukaan. Medan elektromagnetik yang menembus bawah permukaan akan menginduksi anomali konduktif bawah permukaan bumi sehingga menghasilkan medan listrik dan magnetik sekunder (eddy current). Asal Eddy Current ini dihasilkan dari perubahan medan magnetic atau biasa disebut dengan fluks mangnetik. Jika terdapat anomaly konduktifitas maka akan tercipta arus induksi yang selanjutnya menghasilkan medan elektromagnetik sekunder yang kemudian direkam oleh alat Magnetotellurik . Salah satu asumsi yang digunakan dalam metode MT bahwa medan elektromagnetik merupakan gelombang bidang, dimana medan magnet tegak lurus dengan medan listrik. Hal tersebut diperkuat dengan adanya kontras
resistivitas yang besar di antara atmosfer bumi dan permukaan bumi yang menyatakan pula bahwa gelombang elektromagnetik merambat secara vertikal di bawah permukaan bumi. Berdasarkan pada sifat penjalaran medan elektromagnetik pada anomali konduktif, kedalaman penetrasi bergantung pada frekuensi yang digunakan serta resistivitas material bawah permukaan. Medan elektromagnetik dengan frekuensi tinggi memiliki daya tembus yang lebih kecil dibanding dengan elektromagnetik yang berfrekuensi rendah. Dapat dikatakan bahwa semakin kecil frekuensi yang digunakan, maka daya penetrasi gelombang elektromagnetik akan semakin dalam. Sedangkan pengaruh resistivitas yaitu bila material bawah permukaan yang lebih rendah resistivitasnya menyebabkan daya penetrasi yang lebih rendah bila dibandingkan dengan material yang mempunyai resistivitas lebih tinggi. Metoda magnetotelluric secara garis besar memanfaatkan medan elektromegnetik yang mempunyai kolerasi dari hokum Maxwell. Fenomena gelombang elektromagnetik ini dapat diturunkan dari persamaan Maxwell Ward and Hohmann, 1988): ⃗ ⃗ (1) ⃗
⃗
⃗
(2)
⃗ ⃗ ⃗
(3) ⃗
⃗
(4)
keterangan: E : intensitas medan listrik (Volt/meter) B : induksi medan magnetic (Tesla atau Weber/meter2) H : intensitas medan magnetik (Ampere/meter) J : rapat arus listrik (Ampere/m3) D : perpindahan dielektrik (Coulomb/meter2) ρ : rapat muatan listrik (Coulomb/m3) Untuk medium yang homogen isotropis berlaku: ⃗ ⃗;⃗ ⃗ ; dan ⃗ dengan ε adalah permitivitas listrik (F/m); μ adalah permeabilitas magnetik (S/m) dan σ
adalah konduktivitas listrik (Ωm), adalah rapat arus listrik total (A/m2). Beberapa pendekatan dan asumsi yang digunakan adalah: a. Bumi tidak membangkitkan medan EM melainkan hanya mendisipasi atau penyerap medan EM. b. Sumber medan dibangkitkan oleh sistem arus ionosfer skala besar yang relatif jauh dari permukaan bumi, sehingga dapat dianggap sebagai gelombang bidang. c. Tidak ada akumulasi muatan bebas di suatu lapisan bumi (model bumi berlapisa dengan konduktivitas bervariasi secara vertikal). Pada bumi multi dimensi, muatan dapat terakumulasi di sepanjang diskontinuitas. d. Medan listrik perpindahan (displacement) adalah kuasi-statik untuk sounding periode MT. Oleh karena itu induksi medan EM merupakan proses difusi di dalam bumi. e. Variasi permitivitas listrik dan permeabilitas magnetik batuan diasumsikan tidak signifikan dibandingkan variasi konduktivitas bulk batuan. f. Di bawah permukaan tanah tidak terdapat sumber muatan. Dengan melakukan beberapa operasi dan variasi pada persamaan Maxwell maka didapat persamaan tahanan-jenis dan fasa sebagai berikut, | | (5) (
) (6)
keterangan: ρ : resistivitas semu (Ωm) ω : frekuensi (Hz) μ : permeabilitas magnetik (S/m) Z : Impedansi (Ω) ɸ : fasa Kasus Struktur Resistivitas 1D Dalam kasus struktur resistivitas 1-D, variasi resistivitas hanya bergantung pada keadalaman, sehingga tidak ada perbedaan medan listrik
dalam arah x maupun y, begitu juga medan magnet. Dengan demikian berlaku: ; =0 Resistivitas semu dipermukaan adalah | dan
|
| |
dipengaruhi oleh pengukuran yang dilakukan terhadapa arah jurus atau strike.
(7)
fasa
dirumuskan sebagai berikut (8) | | pada prakteknya dilapangan, besaran medan listrik dalam arah x dan y dapat berbeda, begitu juga medan magnetnya. Oleh karena itu, pada pemodelan 1-D, umumnya menggunakan besaran invarian yang melibatkan semua komponen medan elektromagnetik baik polarisasi xy maupun yx. 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. Skin depth didefinisikan sebagai kedalaman pada suatu medium homogen dimana amplitudo gelombang EM telah tereduksi menjadi 1/e dari amplitudonya di permukaan bumi. Besaran tersebut dirumuskan menjadi:
Gambar 1. Polaritas TE dan TM metode MT pada struktur 2D
Pada kasus 2D berlaku: Zxy = -Zyx ; Zxx = Zyy = 0 Pada kasus 2D berlaku:
(11)
Gambar 2. Resistivitas Material di Bumi
(9) Besaran skin depth digunakan untuk memperkirakan kedalaman penetrasi atau kedalaman investigasi gelombang EM. Untuk kasus dimana resistivitas bawah permukaan merupakan 3D, hubungan medan listrik dan medan magnetic dapat dinyatakan dengan besaran impedansi (Z) sebagai berikut: (10) Bumi dapat menangkap sumber MT alami karena terdapat beda potensial karena pada lapisan internal Bumi terdapat variasi beda potensial antar titik. Pada kasus MT terdapat beda potensial antara permukaan dan lapisan didalamnya. Dalam kasus 2D dimana resistivitas bervariasi baik dalam arah vertikal dan horizontal (arah x dan y), besar medan listrik dan elektromagnetik
II. Metode Percobaan Praktikum ini menggunakan bantuan komputer (program Ms. Excel dan IPI2win) untuk mensimulasi MT. Percobaan 1 Pertama-tama dari lapangan, akan didapat data berupa bilangan kompleks impedansi pada arah xy dan yx terhadap periode sebanyak 75 data. Data-data tersebut, dalam Ms. Excel dibuat dalam bentuk tabel yang terdiri dari periode , Zxy_real, Zxy_imag, Zyx_real, Zyx_imag, ρxy, ρyx, ɸxy, dan ɸyx. Lalu persamaan (5) yang sudah didiskritisasi dimasukkan ke dalam tabel ρxy untuk Zxy_real dan Zxy_imag dan tabel ρyx untuk Zyx_real dan Zyx_imag. Sedangkan persamaan (6) yang sudah didiskritisasi dimasukkan ke dalam tabel ɸxy untuk Zxy_real dan Zxy_imag dan tabel ɸyx untuk Zyx_real dan Zyx_imag. Selanjutnya, dibuat grafik antara ρ & T, dan ɸ & t.
Percobaan 2 Dengan menggunakan program IPI2win, akan didapat 1 data berupa resistivity crosssection 5 titik, setiap titik divariasikan jumlah layernya dari 2 – 4 layer, setiap titik diatur layernya agar memiliki nilai presentase RMS terkecil. Setiap layer akan memiliki nilai resistivitas semu yang menunjukkan unsur apa yang ada pada layer tersebut. Maka, akan didapat 3 tipe resistivity cross-section berdasarkan jumlah layer.
Gambar 7. Peta Kontur untuk Pseudosection Data (atomatis)
III. Data dan Pengolahan
Gambar 3. resistivitas MTX Vs frekuensi rho-xy dan rho-yx
Gambar 8. Peta Kontur untuk Resistivity Crosssection Data (Atomatis, ki-ka: MTX xy, MTX yx, MTY xy, MTY yx)
Gambar 4. MTX vs fasa Gambar 9. Peta Kontur untuk Pseudosection Data (manual)
Gambar 5. resistivitas MTY Vs frekuensi rho-xy dan rho-y Gambar 10. Peta Kontur untuk Resistivity Crosssection Data (Manual, ki-ka: MTX xy, MTX yx, MTY xy, MTY yx) Tabel 1. Error pada metode pencocokan layer. Gambar 6. MTY vs fasa
IV. Pembahasan Metoda geofisika memiliki beragam metode. Metode magnetotelurik sendiri merupakan salah satu metode geofisika yang memanfaatkan medan elektromagnetik bumi yang digunakan untuk mengetahui nilai resistivitas batuan melalui proses inversi. Arus tellurik atau arus eddy adalah arus yang terjadi akibat adanya suatu yang menginduksi ke permukaan bumi sehingga terjadi arus eddy di lapisan permukaan bumi. Secara lebih jelasnya, medan elektromagnetik yang menembus bawah permukaan akan menginduksi anomaly konduktif bawah permukaan bumi sehingga menghasilkan medan listrik dan magnetic sekunder (eddy current). Asal Eddy Current ini dihasilkan dari perubahan medan magnetic atau biasa disebut dengan fluks mangnetik. Jika terdapat anomaly konduktifitas maka akan tercipta arus induksi yang selanjutnya menghasilkan medan elektromagnetik sekunder yang kemudian direkam oleh alat Magnetotellurik. Nilai Zxy = -Zyx terpenuhi untuk data-data yang memiliki frekuensi lebih kecil dari mendekati 2 Hz, ini menunjukan data MTX merupakan data 1 dimensi. Sedangkan untuk data MTY terlihat bahwa nilai Zxy ≠ -Zyx untuk setiap frekuensi yang ada dan dapat disimpulkan bahwa data MTY bukan 1 dimensi yang diduga 2 dimensi. Nilai error menunjukkan pendekatan hasil inversi dengan kondisi lapangan sesungguhnya. Untuk nilai error dari hasil inversi yang dihasilkan tertera pada table 1. Banyaknya lapisan serta error besarnya dipengaruhi oleh banyaknya split. Selanjutnya nilai error ini mempengaruhi nilai resistivitas, kedalaman, serta massa jenis lapisan. Dari peta kontur hasil inversi, dapat diinterpretasikan bahwa tempat dimana dilakukannya pengambilan data terdiri dari susunan lapisan yang berbeda-beda. Hal ini terjadi karena adanya anomali resistivitas yang menunjukan terjadinya perubahan lapisan pada daerah tersebut. Dengan melihat nilai resistivitas pada peta kontur serta data referensi resistivitas yang didapat, maka dapat
disimpulkan terdapat resistivitas dengan range 0.59 - 0.975 pada lapisan terdalam dimana pada range tersebut yang paling merepresentasikan adalah air tanah jika menilik sesuai referensi. V. Simpulan Interpretasi data MT pada setiap nilai resistivitas semu dapat dilihat pada grafik hasil pengolahan data. Bila dilihat dari hasil pengolahan data, bila frekuensi yang digunakan semakin kecil maka skin depth akan semakin besar. Magnetotelluric pun merupakan metode yang memanfaatkan medan elektromagnetik dengan rentang frekuensi yang panjang untuk menyelidiki bawah permukaan. Dimana yang berpengaruh disini adalah frekuensi, jika frekuensi semkin besar maka daya pengukuran kedalaman kn semakin rendah, begitu juga sebliknya. Sedangkan untuk nilai impedansi berpengaruh pada struktur resistivitas dari tempat yang diukur. Untuk kasus 1D nilai Zxy = Zyx serta untuk kasus struktur resistivitas struktur 2D. VI. Pustaka [1]http://lontar.ui.ac.id/file?file=digital/202928 86-S1433-Andy%20Rusbiyanto.pdf (diakses pada tanggal 17 April 2013 pukul 07.00) [2]Telford, W. M., et al. 1996. Applied Geophysics 2nd Edition, Cambridge UniversityPress.
