Cara arus mengalir di bumi Elektronik (Ohmik) Arus mengalir lewat media padat (logam, batuan, dll.)

Transkripsi

1 1 I. PENDAHULUAN Metoda geofisika merupakan salah satu metoda yang umum digunakan dalam eksplorasi endapan bahan galian. Meskipun eksplorasi mineral sudah dilakukan semenjak ratusan tahun yang lalu tetapi catatan ilmiah mengenai hal ini baru dimulai pada tahun 1556 manakala Georgius Agricola mempublikasikan De re Metalica. Berpangkal dari buku ini maka beberapa tahun kemudian eksplorasi mineral dan dunia pertambangan mulai menggunakan suatu landasan ilmu pengetahuan. Sejarah mencatat ternyata di dunia pertambangan ini pula kemudian berkembang ilmu-ilmu lain yang sangat mendukung antara lain ilmu geologi dan geofisika. Meskipun perkembangan ilmu-ilmu tersebut sudah cukup lama namun aplikasi metode geofisika pada dunia pertambangan ternyata baru dimulai pada tahun 1893, ketika Von Wrede menmukan bahwa variasi medan magnet bumi yang di ukur oleh Lamont menggunakan magnetic theodolite ternyata dapat di pakai untuk mengidentifikasi bodi dari suatu magnetic ore. Sekitar 25tahun kemudian seorang professor bernama Robert Thalens mempublikasikan bukunya yang berjudul On The Examination of Iron Ore deposits by Magnetics Methodes. Tahun-tahun sesudahnya adalah maraknya aplikasi geomagnet di dunia pertambangan. Metode geolistrik berkembang pada awal tahun 1900-an. Tetapi kemudian mulai banyak dipakai untuk keperluan eksplorasi pada tahun 1970-an. Metode yang pertama kali banyak dipakai di Indonesia adalah metode geolistrik aturan Schlumberger dan Wenner. Pada metode ini pengambilan data V (beda potensial) dan I (kuat arus) dilakukan mengikuti konfigurasi elektroda yang dibuat oleh Schlumberger (untuk aturan schlumberger) dan Wenner (untuk aturan Wenner).

2 2 II. PEMBAHASAN Metoda geolistrik adalah salah satu metoda geofisika yang didasarkan pada penerapan konsep kelistrikan pada masalah kebumian. Tujuannya adalah untuk memperkirakan sifat kelistrikan medium atau formasi batuan bawahpermukaan terutama kemampuannya untuk menghantarkan atau menghambat listrik (konduktivitas atau resistivitas). Aliran listrik pada suatu formasi batuan terjadi terutama karena adanya fluida elektrolit pada pori-pori atau rekahan batuan. Oleh karena itu resistivitas suatu formasi batuan bergantung pada porositas batuan serta jenis fluida pengisi pori-pori batuan tsb. Batuan porous yg berisi air atau air asin tentu lebih konduktif (resistivitas-nya rendah) dibanding batuan yg sama yang pori-porinya hanya berisi udara (kosong). Metoda geolistrik ada banyak macamnya, antara lain, metode: 1. Metode Resistivitas. 2. Metode Polarisasi Terimbas/Induce Polarization. 3. Metode potensial diri/self Potential. Prinsip fisika yang digunakan pada metoda geolistrik secara sederhana dapat dianalogikan dengan rangkaian listrik. Jika arus dari suatu sumber dialirkan ke suatu beban listrik (misalkan kawat seperti terlihat pada gambar) maka besarnya resistansi R dapat diperkirakan berdasarkan besarnya potensial sumber dan besarnya arus yg mengalir. Potensial listrik batuan adalah potensial listrik alam atau potensial diri disebabkan terjadinya kegiatan elektrokimia atau kegiatan alam. Faktor pengontrol dari semua kejadian ini adalah air tanah. Potensial ini berasosiasi dengan pelapukan mineral pada bodi sulfida, perbedaan sifat batuan (kandungan mineral) pada kontak geologi, kegiatan bioelektrik, dan materi organik korosi, gradient termal, serta gradient tekanan.

3 3 Macam-macam Potensial Listrik 1. Potensial elektrokinetik Terjadi ketika cairan dengan tahanan jenis ρ dan viskositas η tertekan pada suatu medium berpori. ζ yaitu potensial zeta (absorpsi), ΔP yaitu beda tekanan, dan k yaitu konstanta dielektrik. 2. Potensial Difusi (Liquid Junction) Terjadi karena perbedaan pergerakan ion pada fluida berkonsentrasi beda. 3. Potensial Nerst Terjadi saat 2 buah logam yang berkonsentrasi beda dibenamkan dalam cairan elektrolit. 4. Potensial Mineralisasi Terjadi saat 2 metal berbeda dimasukkan dalam cairan yang sama. Cara arus mengalir di bumi Elektronik (Ohmik) Arus mengalir lewat media padat (logam, batuan, dll.) RA ρ = L V = IR Jika arus dari suatu sumber dialirkan ke suatu beban listrik (misalkan kawat seperti terlihat pada gambar) maka besarnya resistansi R dapat diperkirakan berdasarkan besarnya potensial sumber dan besarnya arus yang mengalir.

4 4 Elektrolitik Arus mengalir lewat cairan yang mengisi pori-pori batuan. Hukum Archie; Ф adalah porositas, S w perbandingan pori berisi fluida, ρ w adalah resistivitas fluida, n, a, m adalah konstanta. Konduksi Dielektrik Arus terbentuk akibat gangguan osilasi medan magnet dari luar. Berkaitan dengan medan luar yang berubah terhadap fungsi waktu (periodik). Parameter terpenting adalah konstanta dielektrik (pada analisis DC = konduktivitas) Jenis-jenis metode geolistrik: 1. Metode Tahanan Jenis Metode resistivitas merupakan metode geolistrik yang mempelajari sifat tahanan jenis listrik dari lapisan batuan di dalam bumi. Prinsip dasar metode resistivitas yaitu mengirimkan arus ke bawah permukaan, dan mengukur kembali potensial yang diterima di permukaan. Pada gambar disamping dapat dilihat sebaran arus pada permukaan akibat arus listrik yang dikirim ke bawah permukaan. Garis tegas menunjukkan arus yang dikirim mengalami respon oleh suatu lapisan yang homogenous. Sedangkan arus putus-putus menunjukkan arus normal dengan nilai yang sama. Garis-garis tersebut disebut dengan garis equipotensial.

5 5 Gambar : garis-garis equipotensial Tahanan jenis batuan dan mineral, memiliki jangkauan sangat lebar dari perak murni (1,6 x 10-8 Ωm) hingga ke sulfur murni (10 16 Ωm). Konduktor memiliki banyak elektron bebas dengan mobilitas yang baik. Isolator memiliki ikatan ion sehingga elektron valensinya tidak mudah bergerak. Tabel tahanan jenis batuan dan mineral berikut dapat digunakan untuk mengetahui resistivitas material di dalam bumi

6 6 Faktor Geometri Faktor geometri diturunkan dari beda potensial yang terjadi antara elektroda potensial MN yang diakibatkan oleh injeksi arus pada elektroda arus AB, yaitu : Besarnya resistansi R dapat diperkirakan berdasarkan besarnya potensial sumber dan besarnya arus yg mengalir. Besaran resistansi tsb. tidak dapat digunakan untuk memperkirakan jenis material karena masih bergantung ukuran atau geometri-nya. Untuk itu digunakan besaran resistivitas yg merupakan resistansi yang telah dinormalisasi terhadap geometri. Ketika melakukan eksplorasi, perbandingan posisi titik pengamatan terhadap sumber arus. Perbedaan letak titik tersebut akan mempengaruhi besar medan listrik yang akan diukur. Besaran koreksi terhadap perbedaan letak titik pengamatan tersebut dinamakan faktor geometri. Macam-macam konfigurasi metode resistivitas berdasarkan letak elektrodanya, yaitu; 1. Segaris dan simetri terhadap titik pusat pada kedua sisi. a. Konfigurasi Wenner b. Konfigurasi Schlumberger c. Konfigurasi Dipole-dipole

7 7 2. Tidak segaris dan simetri terhadap titik pusat pada kedua sisi. a. Konfigurasi Dipole. Konfiguirasi Wenner Metode ini dikembangkan di Amerika. Jarak MN selalu 1/3 dari jarak AB. Jika jarak AB diperlebar maka, jarak MN juga harus diubah, sehingga jarak MN tetap 1/3 jarak AB. K = 2πa Kelebihan dan kekurangannya: 1. Ketelitian pembacaan nilai tegangan pada elektroda MN lebih baik dengan angka yang relatif besar. 2. Tidak bisa mendeteksi homogenitas batuan didekat permukaan, yang bisa berpengaruh terhadap hasil perhitungan.

8 8 Konfigurasi Schlumberger K 2 2 ( ) = π L 2l l Jarak MN idealnya, dibuat sekecil mungkin, sehingga jarak MN secara teoritis tidak berubah. Terbatasnya kepekaan alat ukur maka, ketika jarak AB sudah relatif besar maka jarak MN juga dirubah. Perubahan jarak MN hendaknya tidak lebih 1/5 jarak AB. Kelebihan dan kekurangannya: 1. Mampu mendeteksi adanya non-homogenitas lapisan batuan pada permukaan. 2. Pembacaan tegangan pada elektroda MN, lebih kecil, terutama ketika jarak AB jauh. Konfigurasi Dipole Mempunyai dua bagian utama Current Dipole (AB) dan Potential Dipole (MN), yang letaknya tidak segaris dan simetris. Untuk menambah kedalaman penetrasi, jarak CD dan PD diperpanjang, sedangkan jarak AB dan MN tetap. Gambar : macam-macam konfigurasi dipole

9 9 Kelebihan dan kekurangannya: 1. Kemampuan penetrasi yang lebih dalam sehingga mampu medeteksi batuan lebih dalam. 2. Tidak praktis dibandingkan konfigurasi Wenner atau Schlumberger. Teknik Pengukuran a Gambar : metode resistivitas (a) mapping (b) sounding b Berdasarkan pada tujuan penyelidikan metode resistivitas, teknik pengukurannya dibagi menjadi dua kelompok besar, yaitu metode resistivity mapping dan sounding. Metode resistivity mapping merupakan metode resistivitas yang bertujuan untuk mempelajari variasi tahanan jenis lapisan bawah permukaan secara lateral. Sedangkan metode resistivitas sounding bertujuan untuk mempelajari variasi resisitivitas batuan di bawah permukaan bumi secara vertikal. Selain itu juga terdapat teknik imaging/topografi, yaitu teknik pengukuran untuk memperoleh informasi baik secara lateral maupun vertical (2D dan 3D).

10 10

11 11 2. Metode Polarisasi Terimbas Metode polarisasi terimbas merupakan salah satu metode geofisika yang mendeteksi terjadinya polarisasi listrik pada permukaan mineralmineral logam di bawah permukaan bumi. Metode IP pada hakekatnya adalah pengembangan lebih lanjut dari metode tahanan jenis yang mampu memberikan informasi tambahan ketika tidak ditemukan kontras tahanan jenis yang memadai. Pada metoda ini arus listrik diinjeksikan ke dalam bumi melalui dua elektroda arus, kemudian beda potensial yang terjadi diukur melalui dua elektroda potensial. a Dalam metoda polarisasi terimbas ada 3 macam metoda pengukuran yaitu: 1) Pengukuran dalam domain waktu, 2) Pengukuran dalam domain frekuensi, 3) pengukuran sudut fasa. Metoda polarisasi terimbas ini terutama dipahami dalam eksplorasi logam dasar (Base Metal) dan penyelidikan air tanah (Ground Water). Berdasarkan letak (konfigurasi) elektroda potensial dan arus, dikenal beberapa jenis metoda polarisasi terimbas antara lain : 1) Metoda Schlumberger 2) Metoda Wenner 3) Metoda Pole-Dipole 4) Metode Dipole-dipole b Ketika arus tunak dialirkan ke medium dapat dihitung arus efektifnya. Namun Gambar ketika : (a) arus visualisasi dimatikan, 2D maka (b) arus visualisasi yang terukur, 3D tidak langsung seketika menjadi = 0. Efek ini disebut potensial polarisasi (efek IP) yang dianalisis dalam metode IP.

12 12 Gambar: efek polarisasi terimbas Penyebab Polarisasi Batuan Polarisasi Membran Penghantaran secara elektrolit paling mungkin terjadi apabila material tidak memiliki kandungan mineral logam. Untuk memungkinkan penghantaran jenis ini berlangsung, diperlukan zona-zona porus yang medium. Kebanyakan material pembentuk batuan muatan negatif (-) pada bidang batas antara permukaan batuan dengan fluida pada pori. Karenanya, ion positif (+) akan tertarik ke zona tersebut dan ion negatif akan tertolak dari zona tersebut apabila medium dialiri arus. Gambar: proses polarisasi membran pada medium oleh mineral lempung dalam batuan (a). kondisi sebelum medium dialiri arus listrik (b). kondisi ketika medium dialiri arus Polarisasi Elektroda

13 13 Polarisasi elektroda merupakan sumber polarisasi terbesar disebabkan oleh keberadaan mineral logam dalam medium batuan. Penghantaran arus dalam medium batuan yang mengandung mineral logam dilakukan secara elektronik maupun elektrolitik. Reaksi kimia berupa reaksi reduksi-oksidasi dan kemungkinan pertukaran ionik akan terjadi pada bidang batas mineral dengan elektrolit sampai terjadi keadaan setimbang. Apabila arus dialirkan ke dalam medium, akan timbul gangguan kesetimbangan berupa polarisasi pada bidang batas mineral logam yang berfungsi sebagai elektroda dan air pada medium batuan yang berfungsi sebagai eletrolit.

14 14 Teknik Pengukuran Efek IP 1. Domain Waktu Pada pengukuran efek IP jenis ini, sumber arus DC dialirkan pada selang waktu tertantu. Cara paling sederhana untuk mengukur efek IP dalam fungsi waktu ialah membandingkan potensial residual (V s (t)) yang tersisa pada waktu t setelah arus dihentikan dan potensial yang terukur pada kedua elektroda potensial selama arus DC mengalir (V p ). Saat sumber arus DC diputus, akan terjadi penurunan beda potensial pada kedua elektroda potensial pada kawasan waktu. Nilai beda potensial Gambar : salah satu kemungkinan keadaan distribusi ion pada bidang batas medium solidelektrolit saat tidak adanya arus DC yang mengalir dicatat sebagai beda potensial sekunder dalam fungsi waktu (V s (t)). Gambar : konsep pengukuran polarisasi terinduksi kawasan waktu.

15 15 2. Vs( t Domain 1 ) IP effect = 100% Frekuensi Vp Pada pengukuran IP jenis ini, dilakukan pengukuran tahanan jenis semu ( ρ a ) 2 1 t M = Vs( t) dt pada dua atau lebih frekuensi Vp t1 arus bolak balik (AC). Hal ini berangkat dari asumsi bahwa yang juga ρ a merupakan impedansi kompleks bergantung pada frekuensi, dimana hubungan keduanya adalah berbanding terbalik.

16 16 3. Pengukuran Sudut Fase (Phase Angle) Pengukuran fase dalam IP dinyatakan sebagai perbedaan sudut fase diantara sinyal tegangan yang diterima dan bentuk gelombang arus yang masuk, dengan asumsi keduanya berbentuk gelombang sinusoidal. Jika arus yang masuk Gambar : konsep pengukuran polarisasi terinduksi merupakan kawasan gelombang frekuensi. persegi pengukuran fase dinyatakan sebagai sudut fase diantara gelombang harmonik fundamental dari sinyal yang dikirim dan yang diterima. ρ a ( ) Pengukuran 2 ρ a1 PFE = 100% fase memerlukan suatu sinyal referensi diantara ρ pengirim a1 dan penerima. 3 MF = 10 PFE / ρ a 3. Metode Potensial Diri Metoda potensial dimana diri pada adalah dasarnya tahanan merupakan jenis semu metoda saat frekuensi yang rendah, ρ a1 menggunakan sifat tegangan alami suatu massa (endapan) di alam. Hanya saja perlu diingat bahwa anomali yang diberikan oleh metoda sedangkan adalah tahanan potensial diri ini tidak dapat langsung dapat dikatakan sebagai badan bijih tanpa ada pemastian dari metoda lain atau pemastian dari kegiatan geologi lapangan. 2 Karena pengukuran dalam metoda potensial diri diperoleh langsung dari hubungan elektrik dengan bawah permukaan, maka metoda ini tidak baik digunakan pada lapisan-lapisan yang mempunyai sifat pengantar listrik yang tidak baik (isolator), seperti batuan kristalin yang kering. Dalam metoda potensial diri (self potential) ada 2 macam teknik pengukuran.

17 17 Instrumen Metode IP 1) Secara umum, peralatan yang digunakan pada metoda potensial diri ini terdiri dari elektroda, kabel, dan voltmeter. 2) Elektroda yang digunakan terbuat seperti tabung panjang yang diisi dengan larutan CuSO4 dengan porosnya terbuat dari dari tembaga. Tipe lainnya dikenal dengan elektroda Calomel yang diisi oleh KCl- HgCl2. Teknik Pengukuran Metode Potensial Diri Ada dua macam teknik pengukuran yaitu: 1. Cara yang pertama, salah satu elektroda tetap, sedangkan yang satu lagi bergerak pada lintasannya. 2. Cara yang kedua, kedua elektroda bergerak bersamaan secara simultan, misalnya dengan interval 50 m.

18 18 III.PENUTUP 1. Manfaat Survey Geolistrik a) Survei bawah permukaan pada perencanaan bendung, jalan, pondasi dalam, lokasi TPA, dll b) Survey potensi akuifer airtanah/air bawah tanah dan pelacakan sungai-sungai bawah tanah c) Survei potensi pencemaran leachate limbah industri pada lingkungan bawah tanah (subsurface) d) Water resource management dalam bidang penyediaan air baku e) Pemetaan zona jenuh air dan bidang kelongsoran tanah f) Pemetaan zona kedap dan zona porous batuan/tanah g) Pemetaan dan remediasi zona instrusi air laut pada akuifer pantai h) Dll. 2. Kesimpulan a) Metode geolistrik merupakan salah satu metode dalam eksplorasi geofisika dengan memanfaatkan sifat kelistrikan (konduktivitas dan resistivitas). b) Jenis-jenis metode yang digunakan dalam geolistrik yaitu; metode tahanan jenis/resistivitas, metoda polarisasi terimbas, dan metode potensial diri. c) Konfigurasi yang sering digunakan yaitu, 1) Konfigurasi Wenner 2) Konfigurasi Schlumberger 3) Konfigurasi Dipole, Double Dipole, dll.

19 19 DAFTAR PUSTAKA