Penentuan Sifat Konduktifitas Listrik Batuan Menggunakan Fungsi Transformasi Kecepatan Gelombang

PROSIDING SEMINAR NASIONAL GEOFISIKA 2014 Optimalisasi Sains dan Aplikasinya Dalam Peningkatan Daya Saing Bangsa Makassar, 13 September 2014

Penentuan Sifat Konduktifitas Listrik Batuan Menggunakan Fungsi Transformasi Kecepatan Gelombang Lantu1), D. A. Suriamihardja2), A. M. Imran3), Tri Harianto4) 1) Program Pasca Sarjana Ilmu Teknik Sipil Fak. Teknik Unhas 2) Jurusan Fisika Fak. MIPA Unhas 3) Jurusan Teknik Geologi Fak. Teknik Unhas 4) Jurusan Teknik Sipil Fak. Teknik Unhas [email protected]

Sari

Abstract

Penggunaan Metode Geofisika untuk investigasi struktur batuan bawah permukaan dalam teknik rekayasa semakin banyak digunakan ,khususnya investigasi sifat kelistrikan batuan dalam eksplorasi karakteristik akifer dan batuan dasar bawah permukaan serta aplikasinya dalam rancang bangun struktur pondasi bangunan. Karena bukan merupakan metode pengukuran langsung, maka untuk mendapat hasil yang dianggap valid perlu digunakan lebih dari satu metode. Dengan cara seperti ini ,maka pekerjaan eksplorasi menjadi tidak efektif dan tidak efesien baik dari segi biaya opersai maupun pemanfaatan waktu dan peralatan .

Utilisation of Geophysical Methods for investigation of subsurface structure in engineering is increasingly being used, specially to investigate the electrical properties of aquifer and bedrock caracteristic in subsurface, as well as its application in the design of the building foundation structure. Because it is not a direct measurement method, the results are considered to have a valid value, then we need to use more than one method. With this way, the exploration work is ineffective and inefficient in terms of both operating costs as well as time and equipment utilization. In this study ,the analyzed of the electrical properties of rocks with use seismic refraction data measurements. This is done by transforming the mechanical properties into the electrical properties of rocks. Model relationships linking these two parameters obtained from the parameters of porosity. By transforming the time or the velocity of wave propagation into electrical resistivity or conductivity, can be obtaine time or velocity of wave propagation as a function of electrical resistivity or conductivity. From the results of the time propagation as a function of resistivity, we obtained that the rock layers at the study site with a speed of 1000 m / s has a resistivity ranging about 71 Ωm. This result corresponds to the value of tufa rock resistivity and also corresponded with the general geological maps and map geology Makassar. The advantage of the model of this relationship is to just use seismic methods alone, mechanical properties and electrical properties of rocks can be determined. With this model , the efficiency of the use of equipment , the efficiency and effectiveness of the use of cost and time, can be optimized

Dalam penelitian ini telah dilakukan analisis sifat kelistrikan batuan dengan memanfaatkan data hasil pengukuran seismic. Ini dilakukan dengan cara mentransformasi sifat mekanik kedalam sifat listrik batuan. Model hubungan yang menghubungan kedua parameter tersebut diperoleh dari parameter porositas. Dengan melakukan transformasi waktu atau kecepatan propagasi gelombang kedalam resistivitas atau konduktivitas listrik, dapat diperoleh waktu propagasi sebagai fungsi resistivitas atau kecepatan sebagai fungsi konduktivitas. Dari hasil transformasi waktu propagasi sebagai fungsi resistivitas, diperoleh bahwa lapisan batuan pada lokasi penelitian dengan kecepatan 1000 m/s memiliki resistivitas berkisar 71Ωm .Hasil ini bersesuaian nilai resistivitas batuan tufa dan bersesuaian pula dengan peta geologi umum dan peta geology wilayah Makassar Keuntungan dari model hubungan ini adalah dengan hanya menggunakan metode seismic saja, sifat mekanik dan sifat kelistrikan batuan dapat diketahui. Dengan model ini , maka efesiensi penggunaan alat, dan efesiensi serta efektivitas penggunaan dana dan waktu, dapat dioptimalkan.

Keywords: speed of wave konduktivitasdan exploration

Kata kunci: Kecepatan Propogasi Gelombang, Batuan Dasar, Konduktivitas dan Eksplorasi

14

propagation,

bedrock,


dan posisi yang sama, porositas batuan akan sama bila dihitung dngan mengunakan metode geolistrik maupun dengan metode seismik.

PENDAHULUAN Latar Belakang Semakin meningkat bobot dan dinamika bangunan infrastruktur, maka pengetahuan mengenai karakteristik pelapisan batuan secara komprenhensif sebagai landasan utama pembangunan pondasi menjadi sangat diperlukan. Ini disebabkan karena setabilitas dan kesetimbangan suatu bangunan terlebih bila bangunan tersebut berbobot besar dan atau berdinamika tinggi memerlukan pondasi yang kuat. Sedang kekuatan pondasi sedikit banyak sangat dipengaruhi oleh kondisi tanah dilokasi bangunan tersebut. Salah satu metode yang cukup sederhana untuk memperoleh informasi mengenai keadaan dan karakteristik pelapisan batuan bawah permukaan adalah dengan menggunakan metode eksplorasi geofisika. Metode geofisika unggul untuk mengetahui secara komprehensif karakteristik batuan secara lateral maupunn vertical, sekecil apapun anomali yang terjadi di bawah permukaan dapat dideteksi dengan baik.

Penelitian ini bertujuan untuk membuat suatu mode yang menghubungan antara sifat elastis batuan dengan sifat kelistrikan batuan dengan parameter porositas sebagai transformatornya. Dengan metode ini dihasilkan suatu model matematik yang dapat digunakan untuk menentukan karakteristik kelistrikan (resistivitas) berdasar hasil analisis data seismik. Bahan dan Metode Penentuan Kecepatan Batuan

Gelombang Seismik dalam

Sifat mekanik yang penting dari batuan dalam rancang bangun pondasi suatu bangunan infrastruktur maupun estimasi sumber daya alam bawah permukaan adalah sifat elastis yang meliputi modulus Young, modulus Poisson, rigiditas, regangan dan tegangan. Metode yang cukup sederhana untuk menentukan besaran dari parameter tersebut adalah dengan menggunakan metode eksplorasi seismik refraksi. Metode seismik merupakan salah bantuk aplikasi gelombang mekanik dalam geofisika eksplorasi. Metode ini dilakukan dengan menciptakan sumber gelombang bunyi di permukaan bumi dengan ledakan, pukulan atau jatuhan. Gelombang tersebut kemudian merambat kedalam bumi dan pada saat mencapai batas diskontinu atau batas lapisan sebagian dari gelombang ttersebut akan terbiaskan dan menjalar sepanjang batas lapisan selanjutnya diaskan kebali keperkaan bumi. Gelombang bias tersebut kemudian diterima oleh deretan detector gelombang yang dipasang secara simetris di atas permukaan bumi dan segaris sumber gelombang.

Namun terdapat kelemahan dalam penggunaan metode geofisika adalah pengukurannya merupakan pengukuran tidak langsung serta parameter yang dianalisis untuk satu metode terbatas. Untuk mengatasi persoalan ini biasanya digunakan lebih dari satu metode , selanjutnya kedua hasil analisis dari metode tersebut dikorelasikan. Dengan harus menggunakan dua metode yang berbeda pada lokasi dan tujuan yang sama, menyebabkan pekerjaan eksplorasi menjadi kurang efektif dan kurang efesiensi baik dalam penggunaan waktu , biaya dan peralatan. Metode geolistrik dan metode seismik refraksi merupakan metode yang paling banyak digunakan dalam estimasi struktur pelapisan batua. Kedua metode ini masing –masing digunakan untuk analisis struktur lapisan bawah permukaan berdasar pada kemampuan peropagasi gelombang mekanik untuk menentukan sifat elastis batuan dan resistivitas/konduktivitas untuk mengetahui sifat kelistrikan yang umum berkaitan dengan karakteristik fluida yang ada dalam lapisan batuan. Dengan harus menggunakan kedua metode tersebut diatas, maka pekerjaan menjadi kurang efektif dan efesien. Dalam penelitian ini telah dikembangkan suatu model matemati untuk mendapatkan parameter listrik dan mekanika batuan dengan hanya menggunakan satu metode pengkuran saja. Metode yang digunakan merupakan pengembangan metode transformasi waktu propagasi sebagai fungsi resistivitas (J.M.Carsione 2007). Parameter yang digunakan untuk menghubungkan kedua metode ini adalah parameter porositas. Asumsi bahwa dalam kondisi

Gambar.1 proses akuisisi data seismic refraksi Waktu tiba gelomang refraksi setiap lapisan dari sumber ke geophone diberikan oleh:

15


Hubungan Antara Resistivitas Dan Waktu Propagasi Gelombang Seismik

... (2)

Menurut Wyllie (1956) , waktu tempu gelombang persatuan panjang pada suatu formasi batuan t p merupakan

Untuk menghitung kecepatan propagasi gelombang seismic dalam batuan digunakan metode tomografi seismik. Metode ini merupakan metode optimasi yang menggunakan metode least square dengan mencari titik refraksi yang palinng tepat dibawah permukaan.Tomografi merupakan suatu metode analisis data geofisika yang dapat menggambarkan keadaan bawah permukaan bumi secara akurat baik dalam pemodelan kedepan maupun dalam proses pemodelan kebelakang (Jonathan 2012).

porositas

dan berkaitan dengan waktu tempuh dalam

batuan matriks tm dan waktu tempuh gelombang dalam fluida tf dan ditulis sebagai : ... (7.a)

... (7.b)

Dalam seismic refraksi, tomografi dimulai dengan pemodelan kecepatan awal, untuk kemudian dengan cara iterai dilakukan pelacakan jejak gelombang refraksi melalui pemodelan. Pemodelan ini melakukan pembandingan antara waktu tempuh perhitungan dengan waktu tempuh pengukuran sampai dicapai suatu selisih yang minimal. Iterasi dilakukan dengan menggunakan pendekatan nonlinier least square, dengan memisalkan waktu propasi gelombang sebagai :

Selanjutnya menurut Carcione (2007) antara konduktivitas dan porositas batuan terdapat hubungan:

(8) Bila metode geolistrik dan metode seismik digunakan pada

... (3)

lokasi dan waktu pengukuran yang sama maka

,

sehingga akan diperoleh :

Dengan S adalah slowness seperkecepatan (1/v), kemudian secara diskrit hubungan di atas dapat dituliskan sebagai:

... (8) ... (4) Atau secara sederhana dituliskan sebagai : dengan : ... (5)

Dalam bantuk persamaan matriks bentuk di atas dapat ditulis sebagai sedang ... (6) dimana

Travel time

raypath

slowness

16


Secara umum factor sementasi bernilai antara 1-3 berbagai jenis batuan .

untuk

Dalam kaitannya dengan Porositas Raymer (1980) op.cit Hackoylu 2006) juga menuliskan hubungan sebagai : ... (10) Gambar 1. Peta kampus Unhas dan Lokasi penelitian Untuk batuan yang tidak tersaturasi dengan hidrokarbon persamaan Archie dapat disederhanakan menjadi :

Data diambil pada empat lintasan seismik dengan sumber menggunakan dinamit low explosive. Geophone pertama berjarak 5 m dari sumber sedang jarak antara geophone 2 m dengan jumlah geophone sebanyak 12 buah. Pada setiap lintasan dilakukan 3 tembakan (forward shot, midpoint shot dan reverse shot).

... (11)

Dari persamaan (10) dan (11) Selanjutnya akan diperoleh : ... (12) Dengan

Gambar 2. Konfigurasi akuisisi data Menentukan waktu tiba gelombang(travel time) pada setiap geophone yang merupakan saat awal gelombang p mencapai setiap geophone. Selanjutnya adalah menggambarkan travel time dari sumber penembakan kesetiap geophone di setiap lintasan. Analisis kecepatan dengan menggunakan metode tomografi untuk memperoleh profil kecepatan. Hasil analisis kecepatan kemdian dikonfersi kedalam bentuk model pelapisan. Dengan menggunakan persamaan(9) dibuat model matematik waktu propagasi persatuan panjang sebagai fungsi resistivitas. Dari fungsi tersebut pada setiap lapisan dapat dihitung resistivitas batuan

Persamaan (12) dapat pula ditulis dalam bentuk ... (13) Metode Peneitian Lokasi pengambilan data seismik dilakukan di area Gedung Olah Raga (GOR) indoor Universitas Hasanuddin Kampus Tamalanrea

HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan profil pelapisan yang diperoleh , terinvestigasi sebanyak 3 lapisan dengan kecepatan masing-masing 300 m/s untuk lapisan pertama, 800 m/s pada lapisan ke dua dan 1000 m/s pada lapisan terakhir. Ketiga lapisan diinterpretasikan sebagai beriut: 1.

2.

17

Lapisan pertama dengan kemampuan merambatkan gelombang p dengan kecepatan 300 m/s diinterpretasikan sebagai tanah timbunan yang menutupi area GOR unhas Lapisan kedua dengan kemampuan merambatkan gelombang p dengan kecepatan 800 m/s diinterpretasikan


4.

Gbr.3.1 profil kecepatan pada lintasan I Gbr.3.2 profil kecepatan pada lintasan II Gbr.3.3 profil kecepatan pada lintasan IV Hubungan antara Resistivitas dan Kecepatan Propagasi Gelombang Seismik Hal yang sangat penting untuk mencari model hubungan antara resistivitas dan kecepatan gelombang adalah porositas. Pengaru yang diberikan terjadi akibat adanya bahan pengisi pori batuan yang mempunyai sifat listrik dan sifat mekanik pada kondisi yang sama adalah tetap. Dengan melakukan pengambilan data pada tempat dan waktu yang maka porositas batuan pada sat tersebut tidak akan mengalami perubahan baik berdasar sifat listrik maupun berdasar sifat mekaniknya. Dengan menggunakan metode optimasi least square pada persamaan (9) secara numerik deperoleh konstanta A, B dan C masing-masing : A =2.75 , B = 0.08 dan C= 0.0015 untuk m =2 ( batuan tersisipi pasir) dengan tingkat kesalahan berkisar 24 % . Sehingga model persamaan hubungannya diperikan oleh :

Hasil-hasil diperoleh dari interpretasi tersebut diatas seperti digambarkan sebagai berikut Gambar 3.1 ,3.2 dan 3.3 berikut menunjukkan profil kecepatan yang diperoleh pada lintasan I ,II dan IV dengan menunjukkan distribusi kecepatan pada lapisan pertama bernilai rata-rata 300 m/s lapisan kedua rata sebesar 800 m/s dan pada lapisan ketiga (lapisan terakhir yang terdeteksi) sebesar 1000 m/s

Dengan menyelesaikan persamaan non linier dari bentuk model yang telah dibangun nilai resistivitas sebesar 71 Ωm dperkirakan sebagai tufa volkanik dalam kelompok alluvium dan ini sesuai data geology regional wilayah makassar dan sekitarnya. Model hubungan waktu tempu vs hambatan jenis batuan 1.4 observas teori

1.3

waktu tempuh gelombang milliscond/m

3.

sebagai tanah teratas (top soil) atau sering disebut sebagai zona pelapukan (weathering zone) yang merupakan representsi material organik. Lapisan ketiga dengan kemampuan merambatkan gelombang p dengan kecepatan 1000 m/s diinterpretasikan sebagai lapisab bedrock. Lapisan bedrock yang didapatkan pada lokasi penelitian ini adalah batuan tufa yang juga merupakan atuan batuan yang terdapat di wilayah Tamalanrea dan sesuai dengan peta geologi kota Makssar dan sekitarnya. Pada lintasan I kedalaman lapisan pertam berkisar antara 1.22 m sampai 1.6 m ,ketebalan lapisan kedua berkisar antara 2.16 msampai 3.41 m. Pada lintasan kedua kedalam lapisan pertama berkisar antara 1 sampai 1.41, kealam lapisan kedua antara 1.25 m sampai 3.28 m. Sedang pada lintasan keempat ketebalan lapisan pertama antara 0.81 m sampai 1.28 m dan kedalaman lapisan kedua memiliki ketebalan antara 1.6 m sampai 2.69 m

1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7

20

30

40

50 60 70 80 hambatan jenis -Ohm-meter

90

100

110

Gambar 5. Model hubungan antara Resistivitas dan waktu propagasi gelombang/panjang tuva dan alluvium

18


memberi fasilitas untuk menggunakan peralatan geoistrik dan seismik untuk pengambilan data resistivitas dan data seismik .

Model hubungan waktu tempu vs hambatan jenis batuan 2

waktu tempuh gelombang milliscond/m

observasi model 1.8

1.6

1.4

DAFTAR PUSTAKA

1.2

1

1. 0.8

0

50

100

150 200 250 300 hambatan jenis -Ohm-meter

350

400

450

Gambar 5. Model hubungan antara koduktivitas kecepatan propagasi gelombang dalam tuva dan

dan 2.

Model hubungan kecepatan vs Konduktivitas 1100 observas model

Kecepatan gelombang m/s

1000

3.

900

800

700

4. 600

500

0

5

10

15 20 25 Konduktivitas -1/Ohm-meter

30

35

Gambar 5. Model hubungan antara Resistivitas dan waktu propagasi gelombang/panjang dua jenis batuan

5.

KESIMPULAN 6. Dari analisis dan interpretasi data dengan menggunakan fungsi waktu propagasi gelomang sebagai fungsi dari resistivitas dapat disimpulkan bahwa 1.

2.

3.

Hubungan resistivitas dan waktu propagasi gelombang dapat dibuat model matematik dalam bentuk waktu propagasi gelombang/ satuan panjang sebagai fungsi resistivitas atau kecepatan Propgasi sebagai fungsi Konduktivitas Dari model matematik tersebut , maka sifat listrik batuan (resistivitas/konduktivitas) dapat diketahui berdasar pada data seismik . Pada penelitian data seismic dengan kecepatan antara 800 m/s – 1000 m/s yang diidentifikasi sebagai endapan alluvial memiliki resistivitas 362 Ωm, ini juga bersesuaian dengan nilai resistivitas alluvium (10 -800 Ωm) yang diperoleh dengan menggunakan metode geolistirk hambatan jenis pada lokasi yanga sama .

7.

UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini kami mengucapkan banyak terima kasih kepada pimpinan fakultas MIPA , ketua jurusan Fisika dan kepala laboratorium Geofisika yang telah

19

Akintorinwa,O,J and Adeusi.F.A 2009 “Integration of Gophysical and Geotechnical Investigation for Proposed Lecture Room Complex at Ferderal University of Technology ,Akure,SW Nigeria “ Journal of Applied Sciences 2(3) , 2009 pp 241-254 ,ISSN 1943-2429 Alhassan, D. U, Dangana, L. M et al 2010 “Seismik Refraction Investigation of The Subsurface Structure at the Southherm par of Niger State Collegge of Education Minna Nigeria “ Bayero Journal of p8ure and Applied Sciences,3(2) pp 56-61 ISSN 2006-6996 B. Ursin and J. M Carsione 2007 “ Seismik Velocity /Eletrical Conductivity Relation “ EGM 2007 International Workshop Innovation in EM,Grav and Mag.Methods New Prospective for exploration Capri Italy April 15-18 2007 E.A Ayolabi, L. Adeoti, N. A et al 2009 “Seismik Refraction and Resistivity Studies of Part of Igbogbo Township ,South-West Nigeria “ Journal Sciences Rs.Dev 2008/2009 vol 11 ,42-61 Pisanu Wongpornchai , Ronnachai P et al 2009 “Seismic Refraction Tomography of Mae-HHia Landfill Sites Mueng District Chiang Mai “ World Academy of Sciemce,Engineering and Technology 56, 2009 email [email protected] Ugwu , S. A 2010 “ Determination of depth to Bedrock in Afikpo Syncline of The Benue Trough Nigeria Using Seismic refaction Methods “ World Journal of Applied Science and Technology (WOJAST) vol.2 no.1 pp 19-24 (2010) Zakir Hossain and Alan J. Cohen 2012 “Relationship among porosity ,permeability,electrical and elastic properties “ SEG Las Vegas 2012

Penentuan Sifat Konduktifitas Listrik Batuan Menggunakan Fungsi Transformasi Kecepatan Gelombang

Recommend Documents