MONITORING GUNUNG API MENGGUNAKAN TILTMETER I. Deformasi dan Tiltmeter I.1. Deformasi Deformasi dalam mekanika kontinu adalah transformasi sebuah benda dari kondisi semula ke kondisi terkini. Makna dari "kondisi" dapat diartikan sebagai serangkaian posisi dari semua partikel yang ada di dalam benda tersebut. Sebuah deformasi dapat disebabkan oleh gaya eksternal, gaya internal (seperti gravitasi atau gaya elektromagnetik) atau perubahan temperatur di dalam benda (pemuaian). Dalam benda kontinu, bidang yang terdeformasi dihasilkan dari tegangan yang diaplikasikan akibat adanya gaya atau pemuaian di dalam benda. Benda yang terdeformasi dapat kembali ke kondisi semula setelah gaya yang diaplikasikan dilepas, dan itu disebut sebagai deformasi elastis. Namun ada juga deformasi tidak dapat dikembalikan meski gaya telah dilepas, yang disebut dengan deformasi plastis, yang terjadi ketika benda telah melewati batas elastis atau yield dan merupakan hasil dari slip atau mekanisme dislokasi pada tingkat atom. Tipe lainnya dari deformasi yang tidak dapat kembali yaitu deformasi viscous atau deformasi viskoelastisitas. Dalam kasus deformasi elastis, fungsi respon yang terkait dengan regangan terhadap tegangan dijelaskan dalam ekspresi tensor hukum Hooke.
I.2. Deformasi dalam gunung api Deformasi dalam gunung api terjadi ketika terdapat perubahan bentuk gunung api, biasanya dalam dimensi micron sampai dengan meter. Deformasi terjadi karena aktivitas vulkanik berupa pergerakan magma di bawah permukaan yang berpengaruh pada perubahan tekanan pada kantong magma. Akibatnya volume permukaan juga berubah sehingga menyebabkan tubuh gunungapi berubah. Secara garis besar gejala deformasi dapat berupa inflasidan deflasi. Inflasi yaitu kenaikan permukaan tanah, umumnya terjadi karena proses pergerakan magma ke permukaan yang menekan permukaan tanah di atasnya. Deflasi yaitu penurunan permukaan tanah, umumnya terjadi selama atau sesudah masa letusan, saat tekanan magma di dalam tubuh gunungapi telah melemah. I.3. Tiltmeter
1
Tiltmeter merupakan alat pengukur deformasi gunung yang berfungsi untuk mendeteksi pengembungan atau pengempisan tubuh gunung. Tiltmeter juga digunakan untuk mengukur kemiringan pada suatu struktur di permukaan. Alat ini dapat dipakai untuk memonitor pergerakan magma pada gunung api yang dapat mengakibatkan deformasi di permukaan akibat desakan magma. Alat ini secara maksimal digunakan 1 pasang. Yang terletak saling berseberangan pada kawah. Sehingga perbedaan posisi antar Tiltmeter dapat dihitung dengan akurat. Pengiriman data yang dilakukan oleh Tiltmeter yaitu menggunakan radio pancar yang terhubung dengan pos pengamatan gunung api yang terdekat. Sehingga data Tltmeter dapat dimonitor secara berkala pada pos pengamatan gunung api yang ada. Perangkat Tiltmeter sendiri terdiri dari tiga komponen utama, yaitu Pelat Tiltmeter, Portable Tiltmeter, dan Readout Unit.
Gambar 1. Salah satu contoh tiltmeter model lama.
Struktur yang dipandang perlu untuk dilakukan pengukuran dengan metode Tiltmeter adalah struktur yang secara visual telah menunjukkan adanya perubahan posisi secara horizontal atau vertikal agar dapat diketahui intensitas gerakannya. Untuk kasus sebuah gunung berapi, biasanya para ilmuwan akan memasang Tiltmeter di banyak titik, mulai dari kaki gunung hingga dataran-dataran tertinggi yang diperkirakan sebagai jalur aliran lava.
II. Instrumen dan Sistematika Tiltmeter 2
II.1. Kerangka acuan dan penggunaannya Pelat Tiltmeter terbuat dari tembaga yang berbentuk pelat bundar dengan diameter ±140mm dan tinggi 24mm, dengan lubang di pusat berdiameter 63mm, serta beratnya mencapai 0.68kg. Pelat ini dipasang di bagian tertentu dari struktur dengan memasang sekrup atau angkur dan bisa juga direkatkan dengan grout atau epoxy. Pada bagian piringan terdapat empat tonjolan yang dipakai untuk memberikan petunjuk arah dalam meletakkan Pelat Tiltmeter. Pada pemasangan secara horizontal maka memungkinkan pembacaan tilt dalam dua bidang yang terpisah secara tegak lurus. Sedangkan bila dipasang secara vertikal maka pembacaan hanya dapat dilakukan pada satu bidang saja. Portable Tilmeter dapat dipasangkan dari satu pelat tiltmeter ke pelat yang lain guna melakukan pengukuran. Rangka batang lurus di bagian alas dan di kedua sisi dari tiltmeter digunakan untuk menentukan posisi dari tiltmeter yang dipasang pada Pelat Tiltmeter. Pengukuran di setiap bidang tiltmeter dapat dilakukan dengan dua bacaan, yaitu satu bacaan di bagian arah plus (+) dan satu bacaan lagi di bagian minus (-). Tiltmeter bagian alas bertanda (+) dan (-) untuk membantu mengarahkan posisi tiltmeter secara benar dalam arti sesuai dengan hipotesa kerja. Bidang alas dari Portable Tiltmeter dipasangkan ke Pelat Tiltmeter pada posisi horizontal sedangkan bidang di kedua sisi dari Portable Tiltmeter digunakan dengan Pelat Tiltmeter untuk posisi vertikal. Komponen utama dari Portable Tiltmeter mencakup rangka (case) baja tahan karat dengan rumah-rumahannya terbuat dari aluminium oxidized berukuran 152x89x178mm dengan berat 4.5kg. Di samping itu terdapat kabel untuk menghubungkan ke Readout Unit. Sebuah sensor Digitilt uniaxial force balanced servo-accelerometer yang berkapasitas jangkauan hingga 53° dari vertikal dengan resolusi 8 arc second. Readout Unit menampilkan bacaan tilt dalam “digitilt unit” dan bukan dalam derajad tilt. Digitilt Unit merupakan bilangan bulat untuk memudahkan perhitungan. Bacaannya diberi tanda (+) atau (-) sesuai dengan arah dari tilt. Bacaan untuk metric tiltmeter disajikan sebagai 25000 x sinus sudut tilt. Contoh, jika tilt sebesar 30° disajikan sebagai 12500 yang diperoleh dari 25000 x sin 30° = 25000 x 0.5 = 12500.
II.2. Cara Pemasangan Pelat Tiltmeter 3
Pilih bagian struktur yang cukup representatif serta mudah dijangkau untuk melakukan pengukuran. Pelat Tiltmeter biasanya ditempatkan berikut keempat tonjolannya diarahkan ke arah rotasi hipotesa. Pelat horizontal menyajikan dua bidang pengukuran yang salah satunya mengarah ke arah rotasi hipotesa. Pada Bidang A yang dibentuk oleh bidang khayal yang melalui Tonjolan No 1 dan No 3, yang mana Tonjolan-No 1 biasanya diarahkan ke arah rotasi hipotesa. Bidang B yang dibentuk oleh bidang khayal yang melalui Tonjolan No 2 dan No 4 yang mana tonjolan No 4 biasanya diarahkan ke arah rotasi hipotesa. Pada pengukuran di Pelat Tiltmeter yang dipasang vertikal maka pelat harus diarahkan sedemikian sehingga garis lurus vertikal dapat dibuat melalui tonjolan No 1 dan No 3 yang mana tonjolan No 1 yang berada di posisi atas.
II.3. Pembacaan Hasil Pengukuran a. Pembacaan pada Pelat Tiltmeter Horisontal Lakukan pembacaan pada bidang A terlebih dulu, yaitu bidang khayal yang melalui tonjolan No-1 dan No-3 dari Pelat Tiltmeter. Tempatkan bagian bertanda (+) dari tiltmeter di tonjolan No-1, tunggu sesaat hingga bacaan stabil, lalu catatlah hasilnya di data sheet. Kemudian lakukan rotasi 180° dan tempatkan bagian yang bertanda (-) di tonjolan No-1, tunggu beberapa saat hingga bacaan stabil, sesudah itu catat hasilnya. Ulangi langkah tersebut hingga tiga kali. Amati perbedaan hasil pembacaan di bidang A+ dan A- bisa berkisar hingga 50 unit sebagai akibat kemiringan sensor dan ketidakrataan pelat tiltmeter. Setelah itu lakukan pembacaan pada bidang B, yaitu bidang khayal yang melalui tonjolan No 2 dan No 4 dari Pelat Tiltmeter. Tempatkan bagian yang bertanda (+) dari tiltmeter di tonjolan No-4, tunggu sesaat hingga bacaan stabil, lalu catat hasilnya di data sheet. Kemudian lakukan rotasi 180° dan tempatkan bagian yang bertanda (-) di tonjolan no-4, tunggu beberapa saat hingga bacaan stabil, sesudah itu catat hasilnya. Ulangi langkah tersebut hingga tiga kali. Amati perbedaannya.
b. Pembacaan pada Pelat Tiltmeter Vertikal 4
Pembacaan pada Pelat Tiltmeter Vertikal hanya memungkinkan dilakukan pada satu bidang saja, yaitu bidang khayal yang melalui tonjolan No-1 dan -3. Tiltmeter diluruskan dengan menggunakan batang penggaris dari tiltmeter. Lakukan pembacaan di bidangA+ terlebih dulu. Tempatkan bagian bertanda (+) dari tiltmeter di tonjolan No-1 dan -3. Tanda (+) berada di bagian alas dari Tiltmeter. Tunggu beberapa saat hingga pembacaan stabil, kemudian catat di Data Sheet. Kemudian catat pembacaan untuk bidang A-, yaitu dengan memutar 180°. Tempatkan bagian yang bertanda (-) dari tiltmeter di tonjolan No-1 dan 3, tunggu beberapa saat hingga pembacaan stabil, lalu catat hasilnya di Data Sheet. Ulangi langkah tersebut hingga tiga kali.
II.4. Lokasi Penempatan Tiltmeter Struktur yang dipandang perlu untuk dilakukan pengukuran dengan metode Tiltmeter adalah struktur yang secara visual telah menunjukkan adanya perubahan posisi secara horizontal dan/atau vertikal agar dapat diketahui intensitas gerakannya. Dalam hal lain bilamana dari hasil sementara pengukuran Inclinometer tidak menunjukkan adanya gerak lateral ataupun rotasi maka kebutuhan untuk melakukan pengukuran Tiltmeter bisa dikesampingkan atau ditunda dulu pelaksanaannya. Karena alasan inilah maka Pengujian Tiltmeter di sini masih berada pada status “Optional”. Maksudnya bisa dilaksanakan bila memang sudah menunjukkan ‘urgency”. Lokasi yang memungkinkan adalah di Pundak Dermaga, Struktur Penahan, dan Alas Kaki Overcrane. Struktur yang kaku butuh pelat lebih sedikit. Ketelitian yang tinggi membutuhkan pelat lebih banyak. Orientasi Pelat Tiltmeter bisa diselaraskan dengan grid survey.
II.5. Penggunaan Tiltmeter pada monitoring Gunung Api Permukaan gunung api akan berubah bentuk (deformasi) sebagai respon terhadap naiknya magma dibawah permukaan menuju ke puncak. Perubahan bentuk permukaan biasanya berupa kenaikan, penurunan, perubahan kemiringan lereng atau pengembangan dan pengempisan. Elektronik tiltmeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur perubahan sudut dimana alat itu diletakkan. Perubahan sudut terjadi bila tekanan magma mendorong tubuh gunung dan karena sifat elastisitas batuan akan mengembang atas mengempis bila tekanan berkurang. Jadi tiltmeter dapat digunakan sebagai acuan apabila 5
ada perubahan aktivitas magma yang ditandai dengan adanya perubahan sudut yang menyebabkan deformasi.
Gambar 2. Model tiltmeter yang dipasang digunungapi, Tiltmeter Jewel Instrument.
Pada monitoring gunungapi, sensor tiltmeter dipasang dipuncak pada puncak gunung api dan data dikirim secara telemetri online menggunakan gelombang radio ke kantor pusat (BPPTKG). Data lapangan dikonversi ke dalam satuan sudut (radian) dan diplot secara otomatis ke dalam grafik. Tiltmeter sangat peka terhadap pengaruh local dan kondisi puncak yang penuh asap solfatara, perubahan suhu siang dan malam yang drastis sering kali menyebabkan gangguan transmisi dan sistem catudaya.
Gambar 3. Skema tiltmeter.
6
Gambar 3. Urutan inflasi ke deflasi berkaitan dg dinamika magma dan monitoring tiltmeter dan GPS.
III. Elektronik Tiltmeter Elektronik Tiltmeter mengukur perubahan sudut dimana alat itu dipasang. Perubahan sudut terjadi bila tekanan magma mendorong tubuh gunung dank arena sifat elastis batuan akan mengembang atau mengempis bila tekanan berkurang. Sensor tiltmeter dipasang puncak dan data terkirim secara telemetri online menggunakan gelombang radio ke pusat pengawasan. Data lapangan dikonversi ke dalam satuan sudut radian dan diplot secara otomatis dalam grafik. Tiltmeter sangat peka tehadap pengaruh lokal dan kondisi puncak yang penuh asap solfatara perubahan suhu siang malam yang drastic menyebabkan gangguan transmisi dan sistem catu daya.
7
Gambar 4. Skema tiltmeter elektronik yang digunakan untuk pemantauan deformasi gunungapi.
Gambar 5. Skema Monitoring Gunung api dengan Tiltmeter. 8
III.1. Langkah Kerja Tiltmeter untuk Monitoring 1. Menentukan posisi dimana Tiltmeter akan dipasang. Pada umumnya dipasang di zona yang tingkat rawan deformasinya tinggi, atau secara visual sudah dapat diamati adanya perubahan posisi vertikal atau horizontal.
Gambar 6. Stasiun Tiltmeter di Lava 56 dan Kawah Woro.
Gambar 7. Lokasi Stasiun Pengamatan Gunung Merapi. 9
2. Instalasi alat ditempat yang telah ditentukan. Komponen Y tiltmeter dipasang pada arah radial terhadap kawah, sedangkan komponen X dipasang tegak lurus komponen Y atau tangensial terhadap kawah.
Gambar 8. Instalasi tiltmeter pada lokasi yang diinginkan.
Gambar 9i) Keadaan tiltmeter pada kondisi normal, ii) Keadaan tiltmeter pada volume magma meningkat, dan iii) Keadaan tiltmeter pada volume magma menurun. 10
3. Pengiriman data dari stasiun di lapangan ke stasiun penerima melalui sistem Telemetri Laju Rendah (TLR) dalam orde menit. Data dari sensor tiltmeter masuk ke sistem akuisisi dan ditransmisikan melalui gelombang radio dengan frekuensi tertentu melalui antena pengirim. Di stasiun TLR catudayanya terdiri atas accu, solar panel, dan regulator. Di stasiun penerima data diteruskan dari antena ke modem dan komputer yang akan memisahkan, menata dan memformat data dalam bentuk digital yang kemudian disimpan sebagai database data pemantauan. Data lapangan di konversi ke dalam sudut (radian) dan diplot secara otomatis dalam grafik. Bila sistem TLR ditambah dengan modem GSM maka data dapat dikirim dalam bentuk teks melalui fasilitas SMS. Data SMS ini bisa dikirim ke nomornomor HP yang telah diprogram yang dapat diterima dimana saja sepanjang masih ada sinyal telepon selular.
Gambar 10. Sistem Pemantauan Laju Rendah Gunung Merapi, yang terdiri dari a) stasiun lapangan (1. Sistem Akuisisi, 2. Accu, 3. Sensor Tiltmeter, 4. Solar Pannel, 5. Sensor Suhu, 6. Sensor Curah Hujan, 7. Antena Penggirim) dan b) stasiun penerima (a. Antena Penerima, b. Modem, c. Komputer, d. Modem GSM).
III.2. Sistem Telemetri Laju Rendah Berbasis Mikrokontroller MC68HC711E9CFN3. Perancangan sistem telemetri dengan mikrokontroller ini didorong oleh kebutuhan untuk melakukan pemantauan objek dari jarak jauh. Tujuannya adalah membuat sistem telemetri sebagai peralatan pemantauanobjek dari jarak jauh, baik untuk penelitian 11
maupun pemantauan gunungapi. Sistem telemetri yang dibuat diharapkan dapat memberikan kemudahan dalamproses akuisisi data pemantauan dan memiliki daya tahan yang kuatsebagai peralatan unit lapangan. Spesifikasi Karakteristik Sistem Telemetri: 1. Menerima masukan dari 8 sensor analog dan 1 sensor pembangkit pulsa 2. Bekerja pada tegangan 10-15 Volt 3. Arus sistem kontrol 27-35 mA 4. Arus radio (IC V8), Stand by 70mA, T Low 0,5 W 0,8 A, T. High 5,5 W 2,0 A. Spesifikasi Karakteristik sensor yang dapat digunakan: 1. Channel 0 : Sensor keluaran pulsa, dengan amplitude 5Volt aktif rendah 2. Channel 1-8 : sensor keluaran tegangan, dengan rentang -4095 s/d +4095mVolt 3. Laju perubahan nilai parameter dalam orde 1 menit atau lebih. Format Pengiriman Data: Data dikirim dalam bentuk text format ASCII Susunan datanya:kode chnl_0 chnl_1 chnl_2 chnl_3 chnl_4 chnl_5 chnl_6 chnl_7 chnl_8 . Contoh:TLR010103 +0000 +4095 +0032 -2003 .... [CRLF]. Kalibrasi ADC: ADC sistem telemetri ini telah dikalibrasi 1mV/LSB, sehingga data yang diterima sudah terkondisikan dalam satuan mV.
Gambar 11. Skema stasiun lapangan dan stasiun penerima.
Data yang dikirim dari stasiun lapangan melalui radio, diterima olehradio penerima, masuk ke dalam modem dan kemudian sinyal radiotersebut diubah menjadi data digital. Untuk itu, diperlukan sebuahprogram yang mengatur masuknya data dari stasiun lapangan, sehingga data dapat tersimpan ke dalam komputer secara terstruktur dan baik . 12
Program yang dipersiapkan adalah program "Kaciri for Akusisi DataTLR.exe", dibuat dengan bahasa pemrograman Visual Basic. Program ini mampu mencatat, menyaring dan memperbaiki
setiap
data
yang
diterima
melalui
comm
port
serial
serta
menterjemahkandata tersebut kedalam bentuk grafik yang real time. Program ini maksimal mampu menampilkan 9 channel pencatatan data. Proses perubahan jumlah channel dapat dilakukan melalui software tersebut, sehingga memudahkan dalam pengaturan.
Gambar 12. Modul-modul elektronik yang digunakan dalam sistem telemetri.
Sistem telemetri ini telah digunakan untuk : 1. pemantauan suhu kawah dan deformasi (tiltmeter) di GunungKelud 2. pemantauan gas CO2 di Gunung Dieng 3. pemantauan deformasi (tiltmeter) di Gunung Merapi 4. pemantauan suhu tanah di Gunung Lokon dan Mahawu,Sulawesi Utara 5. pemantauan deformasi (tiltmeter) dan suhu tanah di GunungSoputan 6. pemantauan suhu tanah di Gunung Tangkuban Parahu 7. pemantauan suhu air di Gunung Galunggung
IV. Interpretasi Data Tiltmeter Di gunung Merapi telah dipasang jaringan sensor tiltmeter yang memantau perkembangan deformasi gunung tersebut (gambar 13). Di antara sensor Tiltmeter yang
13
terpasang, yang memberikan informasi deformasi paling dominan adalah sensor yang berada di puncak T3 sektor Barat Daya. Pada tahun 1997 teramati laju kemiringan pada orde 200 µrad/hari, sedangkan pada tahun 1998 meningkat menjadi 5000 µrad/hari (gambar di atas). Hal ini selain mencerminkan intensitas tekanan yang tinggi namun juga menunjukkan tubuh batuan tempat kedudukan sensor yang mulai lepas terhadap batuan induknya. Secara umum, inflasi yang terjadi yang ditunjukkan Tiltmeter ini terkait dengan pertumbuhan kubah lava, sedangkan deflasi terkait dengan runtuhnya material kubah lava (Voight dkk, 2000). Pada erupsi 2006 sensor Tiltmeter yang dipasang di puncak tepatnya di Lava 1957 memberikan prekursor yang cukup jelas. Sejak awal tahun 2006 sudah tampak adanya inflasi meskipun dengan laju yang rendah, sekitar 19 µrad/hari. Setelah itu menjelang munculnya kubah lava laju inflasi menjadi meningkat drastic mencapai 375 µrad/hari (komponen radial). Perubahan kemiringan radial terhadap kubah lava dam kemiringan arah tangensial dari waktu ke waktu menjelang munculnya kubah lava dan teramati nya kubah lava dipermukaan disajikan pada gambar berikut.
Gambar 13. Peta jaringan monitoring Tiltmeter G. Merapi 1992 – 1998.
14
Gambar 14. Grafik jarak miring yang terukur dari Pos Babadan terhadap sektor Barat Daya G. Merapi. Tampak peningkatan laju pemendekan jarak dua tahun setelah erupsi 2001.
Gambar 15. Grafik perubahan kemiringan yang terukur oleh sensor Tiltmeter yang dipasang di lava 1957 puncak G. Merapi. Lingkaran merah adalah kemiringan arah radial terhadap kubah lava, sedangkan lingkaran biru kemiringan arah tengensial.
Pemantauan deformasi berdasarkan pengukuran menggunakan tiltmeter dari stasiun Pasarbubar, Puncak Merapi mengalami perubahan kemiringan antara 1 sampai dengan 10 mikroradian. Perubahan data tiltmeter belum menunjukkan adanya perubahan kemiringan yang signifikan dan fluktuasi tetapi dalam batas normal. Perubahan deformasi di G. Merapi saat ini masih disebabkan oleh faktor eksternal yaitu temperatur lingkungan. 15
Gambar 16. Hasil Pengukuran Tiltmeter digital stasiun Pasarbubar Januari 2012 – April 2013.
Data curah hujan di sekitar Pos Pengamatan G. Merapi (Pos Kaliurang, Pos Ngepos, Pos Babadan, dan Pos Selo) pada Januari 2011 – April 2013, Intensitas curah hujan tertinggi pada minggu ini sebesar 47 mm/jam selama 95 menit pada tanggal 9 April 2013 terjadi di Pos Ngepos.
Gambar 17. Curah hujan di setiap pos pengamatan pada bulanJanuari 2011 – April 2013.
16
Gambar 18. Contoh Lokasi Penempatan Tiltmeter di Gunung Semeru.
Dari hasil pengukuran dan perhitungan tiltmeter menunjukan adanya proses inflasi dan deflasi pada tubuh gunungapi yang berasosiasi dengan laju suplai magma dalam dapur magma. Interpretasi tiltmeter G. Semeru menunjukan bahwa laju suplai magma sebesar 5m3/min. (NISHI, 2006)
Gambar 19. Contoh Data Rekaman Tiltmeter. 17
Gambar 20. Grafik laju suplai magma terhadap kedalaman dapur magma.
Gambar 21. Hasil pengukuran tiltmeter stasiun Plawangan Januari 2013 – Juli 2014, sumbu-X (arah BaratTimur) dan sumbu-Y (arah Utara –Selatan).
18
Gambar 22. Hasil pengukuran tiltmeter stasiun Babadan Januari 2013 – Juli 2014, sumbu-X (arah Utara Selatan) dan sumbu-Y (arah Barat-Timur).
Data pemantauan deformasi menggunakan tiltmeter di Stasiun Plawangan saat ini belum menunjukkan adanya perubahan kemiringan yang signifikan. Sumbu-X(arah BaratTimur) memiliki kemiringan 0,2 dan sumbu -Y (arah Utara-Selatan) memiliki kemiringan 0,3 mikroradian, sedangkan suhu alat rata-rata 18,06 ºC.Tiltmeter di Stasiun Babadan saat ini belum menunjukkan adanya perubahan yang berarti, kemiringan pada sumbu -X (arah Utara-Selatan) memiliki perubahankemiringan 0,2 mikroradian dan sumbu -Y (arah BaratTimur) -0.2 mikroradian, sedangkan suhu alat rata-rata 19,04 ºC. Pola kemiringan yang tidak gradual padasumbu –X kemungkinan merupakan noise alat. Secara umum data deformasi belum menunjukkan adanya inflasi.
19
