MODUL EKSPLORASI ELEKTROMAGNETIK. Disusun Oleh:

Transkripsi

1 MODUL EKSPLORASI ELEKTROMAGNETIK Disusun Oleh: Agung Mahesya Hakim Alwi Karya Sasmita Asri Wulandari Bagus Hardiyansyah Christian Sibuea Fitri Wahyuningsih Hardeka Pameramba Lia Tri Khairum Syamsul Ma arif Wilayan Pratama Fernando Sialagan Teknik Geofisika 2011 Universitas Lampung

2 kata pengantar Buku ini membahas tentang metoda-metoda yang mnggunakan sinyal elektromagnetik dalam pengukurannya. Ekplorasi Elektromagnetik merupakan salah satu metoda ekplorasi yang banyak dimanfaatkan saat ini untuk mencari berbagai bahan tambang yang dapat diekplorasi. Metoda eksplorasi elektromagnetik ini terbagi dalam beberapa metoda yaitu seperti metoda GPR, metoda VLF, metoda CSAMT dan juga metoda MT. Metoda elektromagnetik ini selain digunakan untuk ekplorasi mineral dan bahan tambang, juga dapat digunakan untuk ekplorasi panas bumi atau Geothermal. Diharapkan buku ini dapat memberikan tambahan wawasan tentang metoda ekplorasi elektromagnetik dan dapat memudahkan dalam memahami metoda ekplorasi elektromagnetik. Buku ini dilengakapi dengan gambar dan grafik untuk lebih memudahkan pembaca dalam memahami isi dari buku ini. Kami menyadari bahwa buku ini masih banyak kekurangan dan jauh dari kesempurnaan. Kami mengharapkan sumbangan pikiran dan saran bagi perbaikan buku ini. Semoga buku ini bermanfaat bagi pembaca. Bandarlampung, 11 Juli 2014 Penyusun

3 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB I. PERSAMAAN MAXWELL... 4 BAB II. METODE GEORADAR I. Pendahuluan II. Peralatan GPR III. Akuisisi GPR IV. Pengolahan dan Interpretasi Data GPR V. Aplikasi Metode GPR BAB III. METODE VERY LOW FREQUENCY (VLF) I. Pendahuluan II. Peralatan Metode VLF III. Akuisisi VLF IV. Pengolahan dan Interpretasi Data VLF V. Aplikasi Metode VLF BAB IV. METODE MAGNETOTELURIK I. Pendahuluan II. Peralatan Metode Magnetotelurik III. Akuisisi Magnetotelurik IV. Pengolahan dan Interpretasi Data MT V. Aplikasi Metode Magnetotelurik BAB V. METODE CSAMT I. Pendahuluan II. Peralatan Metode Magnetotelurik III. Akuisisi Magnetotelurik IV. Pengolahan dan Interpretasi Data MT V. Aplikasi Metode Magnetotelurik DAFTAR PUSTAKA

4 Ekplorasi Elektromagnetik 1 Persamaan Maxwell Persamaan Maxwell terdiri dari empat persamaan antara lain hukum Gauss untuk listrik (persamaan nomor 1), hukum Gauss untuk magnet (persamaan nomor 2), hokum Ampere dipermumum (persamaan nomor 3), dan hokum Faraday (persamaan nomor 4) yang kesemuanya dapat dituliskan sebagai berikut: 4

5 Persamaan Maxwell Maxwell mensintesis empat persamaan tersebut dan membuat sebuah hipotesis yang cukup nyleneh pada masa itu yaitu bahwa medan listrik dan medan magnet dapat merambat melalui ruang dalam bentuk gelombang. Hipotesis Maxwell ini didasarkan pada sifat simetris alam dimana jika peerubahan medan magnet dapat menghasilkan medan listrik, persamaan nomor 4, maka hal sebaliknya juga seharusnya dapat terjadi yaitu perubahan medan listrik dapat menghasilkan medan magnet. Karena keterbatasan alat eksperimen pada saat itu, hipotesis Maxwell belum dapat diklarifikasi dengan eksperimen. Hal ini dikarenakan medan magnet yang dihasilkan oleh perubahan medan listrik memiliki orde yang sangat kecil, seperti yang akan kita lihat nanti. Baru setelah tahun 1887, Heinrich Rudolf Hertz melakukan percobaan untuk mengklarifikasi prediksi Maxwell. Hertz menggunakan rangkaian listrik LC seperti yang telah kita pelajari pada Bab 11. Alat yang digunakan untuk melakukan percobaan terdiri dari dua bagian yaitu pemancar dan penerima. Diagram skema percobaan Hertz dapat dilihat pada Gambar Gambar 11.1 Skema percobaan Hertz yang digunakan untuk memverifikasi hipotesis Maxwell. Bagian input merupakan sumber tegangan yang digunakan untuk mem- 5

6 Ekplorasi Elektromagnetik bangkitkan tegangan pada rangkaian. Induktor terdiri dari solenoida dengan jumlah lilitan yang sangat banyak. Pada kedua ujungnya, induktor dihubungkan dengan dua plat logam yang terpisah pada jarak yang sangat pendek, membentuk kapasitor. Ketika inductor dihubungkan dengan beda potensial maka arus listrik yang mengalir pada induktor mengalami osilasi. Seperti yang telah kita diskusikan pada Bab 4 bahwa proses ini merupakan proses pengisian muatan pada kapasitor. Karena arus listrik yang mengalir berosilasi maka muatan pada kapasitor juga mengalami osilasi. Osilasi muatan ini dapat kita analogikan sebagai gerakan muatan yang dipercepat, seperti halnya yang terjadi pada pegas. Muatan yang dipercepat ini menghasilkan medan listrik yang selanjutnya membangkitkan medan magnet pada plat tersebut. Sejatinya, dalam eksperimen yang dilakukan Hertz, pemancar dan penerima terpisah pada jarak yang cukup jauh, beberapa meter. Bagian (1) disebut sebagai pemancar karena bertindak sebagai penghasil gelombang elektromagnetik. Pada bagian (2), sebagai penerima gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh pemancar digunakan sebuah loop yang terbuat dari kawat. Pada kedua ujungnya, loop dipisahkan pada jarak yang sangat pendek. Hertz menset sedemikian rupa sehingga frekuensi osilasi pada rangkaian (1) sinkron dengan frekuensi osilasi pada rangkaian (2). Pada keadaan tersebut berhasil diamati bahwa ketika beda potensial diberikan pada rangkaian (1), sejumlah energi ditransmisikan ke rangkaian (2) dalam bentuk gelombang ditandai dengan dihasilkannya percikan di antara ujung loop rangkaian (2). Percikan tersebut muncul karena adanya beda potensial yang dihasilkan pada rangkaian (2). Apa yang dilakukan Hertz ini merupakan sebuah verifikasi penting dari hipotesis Maxwell bahwa medan magnet dan medan listrik dapat merambat melalui ruang dalam bentuk gelombang. Namun sayang sekali, Maxwell tidak ikut merayakan kebenaran hipotesis 6

7 Persamaan Maxwell yang ia buat karena Maxwell telah meninggal satu tahun sebelum penemuan Hertz. Maxwell meninggal dalam usia yang cukup muda, 47 tahun dengan meninggalkan seorang istri, Kathrine Mary, dan seekor anjing kesayangannya. Gelombang Elektromagnetik Hasil eksperimen yang dilakukan oleh Hertz telah memberikan bukti yang kuat bahwa medan listrik dan medan magnet dapat merambat melalui ruang dalambentuk gelombang. Dihasilkannya percikan pada rangkaian (2) juga membuktikan bahwa medan listrik dan medan magnet tersebut mentrasmisikan sejumlah energi dan momentum. Dari persamaan Maxwell nomor (3) dan (4), kita dapat menarik kesimpulan bahwa medan magnet dan medan listrik kedua-duanya bergantung waktu dan saling mempengaruhi satu sama lain. Keadaan semacam itu disebut dengan medan listrik dan medan magnet terkopel. Namun, bagaimana mekanisme terbentuknya gelombang elektromagnetik tersebut? Apa logika yang mendasari sehingga Maxwell membuat hipotesis bahwa medan listrik dan medan magnet merambat pada ruang dalam bentuk gelombang? Ilustrasi sederhana berikut ini diharapkan dapat membantu dalam memahami mekanisme terbentuknya gelombang elektromagnetik yang dihasilkan dari medan listrik dan medan magnet. Perhatikan sebuah kawat lurus yang diberi arus listrik. Kawat diletakkan sejajar dengan sumbu x. Arus listrik dialirkan pada kawat tersebut sehingga medan magnet B dihasilkan pada kawat dimana arah medan magnet tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan aturan tangan kanan. Jika arus listrik yang diberikan pada kawat berubahubah terhadap waktu maka medan magnet yang dihasilkan juga berubah. Berdasarkan konsep Faraday, perubahan medan magnet menghasilkan perubahan fluks magnet pada sembarang area, pada Gambar 11.2 dipilih area 7

8 Ekplorasi Elektromagnetik A1. Pemilihan area ini sebenarnya bisa dimana saja dan bentuknya bisa bermacam-macam. Perubahan fluks magnet tersebut menginduksi GGL induksi pada luas area A1 dimana GGL tersebut berkaitan dengan medan listrik yang dihasilkan pada luasan A1, lihat kembali pembahasan pada Bab 9. Dengan menggunakan hukum Lenz, kita dapat mengetahu bahwa medan listrik yang dihasilkan oleh perubahan fluks magnetik tersebut adalah sejajar dengan arah arus listrik. Gambar 11.2a Medan listrik dan medan magnet terkopel yang dihasilkan oleh kawat berarus listrik I. Perhatikan sekali lagi bahwa jika arus listrik yang mengalir pada kawat berubah-ubah maka medan magnet yang dihasilkan juga berubah. Jika arus listrik semakin lama semakin besar maka medan magnet juga semakin lama semakin besar. Akibatnya fluks magnetik yang menembus luasan A1 juga semakin besar. Perubahan fluks magnetik ini menghasilkan GGL induksi pada loop A1 sehingga pada loop tersebut dihasilkkan medan listrik. Karena fluks magnetik selalu berubah-ubah maka medan listrik yang dihasilkan juga berubah-ubah. Perubahan medan listrik ini menghasilkan medan magnet 8

9 Persamaan Maxwell lainnya pada loop A1, perhatikan area yang ditandai dengan garis putus-putus berwarna pada Gambar 11.2a. Medan listrik pada area tersebut menghasilkan medan magnet seperti tampak pada Gambar 11.2b berikut ini: Gambar 11.2b Medan magnet B yang dihasilkan oleh perubahan medan listrik E. Perhatikan dengan seksama bahwa medan magnet lainnya dihasilkan oleh perubahan medan listrik E. Karena medan listrik E selalu berubah-ubah maka medan magnet yang dihasilkan juga berubah-ubah. Mengikuti logika sebelumnya, perubahan medan magnet menghasilkan fluks magnetik pada luasan tertentu yang dikenai oleh medan magnet tersebut. Sekali lagi, kita bebas membuat bentuk dan dimana letak luasan tersebut. Hal yang sama akan kembali terjadi dimana fluks magnetik B akan menginduksi GGL pada, katakanlah, area A2. GGL induksi menghasilkan medan listrik E yang lain dan seterusnya. Dalam ilustrasi kita ini, medan listrik dan medan magnet tersebut menjalar pada sumbu z. Sekarang, perhatikan segmen diagram pada Gambar 11.2b yang ditandai dengan garis warna biru. Medan listrik yang dihasilkan pada segmen tersebut berasal dari perubahan fluks magnetik. Pada mulanya, medan magnet dibangkitkan dari perubahan arus listrik yang mengalir pada kawat. Namun pada segmen berikutnya, kita tidak membutuhkan hadirnya perubahan 9

10 Ekplorasi Elektromagnetik arus listrik untuk menghasilkan medan listrik dan medan magnet. Gambar 11.2c Medan magnet B yang dihasilkan oleh perubahan medan listrik E, insert dari Gambar 11.2b. Medan listrik dihasilkan oleh induksi magnetik kemudian medan listrik tersebut menghasilkan medan magnet lainnya. Pada segmen ini, medan magnet dihasilkan karena adanya perubahan medan listrik bukan oleh perubahan arus listrik. Berdasarkan hukum Ampere yang diperumum, Maxwell menambahkan suku persamaan arus listrik perpindahan (displacement current) dimana arus perpindahan ini memang menghasilkan medan magnet. Inilah salah satu lompatan intelektual brilian yang dibuat oleh Maxwell dalam rangka penyatuan teori listrikmagnet. Sifat dari arus perpindaha ini berbeda dengan arus sumber yang mengalir pada kawat. Arus perpindahan cenderung menyebar di ruang sekitar kawat sedangkan arus sumber terlokalisasi hanya pada kawat saja. Hal yang perku diperhatikan dalam ilustrasi ini adalah bahwa kita hanya mengambil satu segmen arah rambatan saja yaitu pada arah z. Untuk orientasi koordinat lainnya juga dimungkinkan karena medan magnet yang dihasilkan 10

11 Persamaan Maxwell oleh arus sumber berbentuk silinder dengan vektor normal permukaan sejajar sumbu x. Jadi, dari sudut pandang persamaan Maxwell nomor (3), kita dapat menyatakan bahwa arus listrik perpindahan menghasilkan medan magnet pada arah z dimana medan magnet tersebut akan menghasilkan GGL induksi dan dengan demikian sama juga menghasilkan medan listrik, demikian seterusnya. Pola rambatan yang terbentuk adalah silinder, menyerupai bentuk medan magnet sumber yang dihasilkan oleh arus listrik pada kawat. Medan magnet selalu tegak lurus terhadap arah rambat arus listrik sumber. Karena vector bidang area A1 An selalu sejajar dengan arah rambat arus pada kawat maka medan listrik pada bidang tersebut selalu tegak lurus terhadap medan magnet. Walaupun pada proses yang berlangsung pada area A1 An tidak dibutuhkan adanya perubahan arus listrik namun medan magnet yang dihasilkan mula-mula berasal dari perubahan arus listrik pada kawat dan dengan demikian pola tersebut bergantung pada arus sumber. Untuk menghasilkan perubahan arus listrik diperlukan muatan pembawa arus yang bergerak dengan kecepatan berubahubah, dengan kata lain agar terjadi perubahan arus listrik maka muatan pembawa arus listrik tersebut harus mengalami percepatan. Demikianlah logika sederhana yang dapat digunakan untuk merasionalkan hipotesis terbentuknya gelombang elektromagnetik. Hipotesis Maxwell yang telah dikonfirmasi oleh Hertz melalui eksperimennya ternyata tidak melanggar asas ilmiah ketika diuji secara teoretik. Pada sub bab berikutnya kita akan melanjutkan analisis terhadap gelombang eketromagnetik terkait pola rambatan, ekspresi matematis dan dinamika energetiknya Gelombang Datar Elektromagnetik Kita telah membahas mengenai gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh kawat tunggal. Gelombang yang terbentuk memiliki konfigurasi silindris yang secara teknis agak sulit untuk dibayangkan, apalagi dianalisis secara matematis. Ber- 11

12 Ekplorasi Elektromagnetik ikut ini kita akan menggunakan model gelombang datar untuk menjelaskan pola rambatan gelombang elektromagnetik. Untuk menghasilkan gelombang elektromagnetik datar dibutuhkan arus listrik berbentuk bidang. Arus listrik semacam ini dapat dibuat dengan cara menyusun banyak kawat dalam formasi sejajar, seperti terlihat pada Gambar Gambar 11.3 Arus listrik bidang yang dibentuk dari kawatkawat yang disusun secara sejajar.arus listrik mengalir sejajar dengan sumbu ( x). Medan magnet yang dihasilkan setiap kawat, dilihat pada bidang xy daerah z (+), adalah sejajar dengan sumbu y (+). Jika kawat berada pada jarak yang sangat dekat satu sama lain maka medan magnet yang dihasilkan akan mengalami superposisi, lihat kembali pembahasan tentang medan magnet pada kawat lurus Bab 1. Seperti kita ketahui bahwa medan magnet yang dihasilkan kawat berbentuk silinder sehingga superposisi yang terjadi antara medan magnet yang satu dengan yang lain adalah superposisi medan magnet yang berbentuk silinder. Karena kawat berada pada jarak yang sangat dekat satu dengan yang lainnya maka superposisi tersebut dapat dianggap sebagai bidang yang mengnadung medan magnet dimana arah medan magnet tersebut adalah sejajar dengan sumbu y (+), seperti terlihat pada Gambar

13 Persamaan Maxwell Gambar 11.4 Superposisi medan magnet yang dihasilkan kawat membentuk medan magnet bidang. Perhatikan bahwa medan magnet bidang ini dihasilkan untuk dua permukaan yaitu pada bidang xy di daerah z (+) dan z ( ). Sekarang kita akan fokus pada bidang xy daerah z (+). Pada daerah ini perubahan arus listrik menyebabkan perubahan fluks magnetik yang menginduksi medan listrik E. Medan listrik ini juga terletak pada bidang arus listrik yaitu xy dimana vektor arahnya sejajar dengan arah arus listrik. Dengan menerapkan logika yang sama ketika kita menganalisis medan listrik dan medan magnet pada kawat tunggal maka kita dapat menyimpulkan bahwa pola medan magnet medan listrik medan magnet dan seterusnya akan dihasilkan pada arah z. Walaupun sama-sama terletak pada satu bidang namun vektor medan magnet dan medan listrik tidaklah sejajar melainkan saling tegak lurus satu sama lain. Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa medan magnet memiliki orientasi pad asumbu y (+) sedangkan medan listrik memiliki orientasi sejajar dengan arus listrik atau sejajar sumbu x ( ). Pola gelombang elektromagnetik datar ini dihasilkan baik pada arah z (+) maupun z ( ). Gelombang elektromag- 13

14 Ekplorasi Elektromagnetik netik merambat sepanjang sumbu z, dengan kata lain sejajar dengan bidang xy dimana arus listrik berada. Arus listrik dibuat sedemikian rupa sehingga berosilasi dan menghasilkan perubahan arus listrik. Osilasi arus listrik terjadi pada, tentu saja, sumbu x. Dalam ilustrasi yang lebih eksplisit, gelombang datar ini dapat kita gambar sebagai berikut: Gambar 11.5 Gelombang elektormagnetik yang dibentuk dari arus bidang. Vektor medan listrik selalu tegak lurus dengan vektor medan magnet. Arah getar atau osilasi baik medan listrik dan medan magnet tegak lurus terhadap arah rambanya. Secara kualitatif kita telah memperoleh gambaran mengenai kebenaran hipotesis Maxwell bahwa medan listrik dan medan magnet dapat merambat melalui ruang dalam bentuk gelombang. Hipotesis tersebut didasarkan pada penyatuan persamaan dan hukum-hukum listrik magnet yang telah dicetuskan sebelumnya. Karena dideduksi dari persamaan dan hukum-hukum yang terangkum dalam persamaan Maxwell maka perilaku gelombang elektromagnetik seperti yang telah dijelaskan sebelumnya harus koheren dengan tinjauan kuantitatif dari persamaan Maxwell. Gambar 11.6 Muatan yang berosilasi sepanjang sumbu x menghasilkan medan listrik dan medan magnet. 14

15 Persamaan Maxwell Sebuah loop digunakan sebagai media untuk menerapkan persamaan Ampere dan Faraday. Persamaan nomor (3) dan (4) merupakan fundamen dari gelombang elektromagnetik. Kita akan melihat bagaimana gelombang elektromagnetik dari sudut pandang persamaan Maxwell. Ambil satu segmen muatan yang berosilasi sepanjang sumbu x. Keadaan tersebut dapat diliustrasikan seperti tampak pada Gambar Loop memiliki panjang 2b sedangkan lebar (tinggi) dz. Kontribusi pada arah z dapat diabaikan karena dalam batas tertentu segmen dz ini dapat diabaikan. Dengan menerapkan hukum Ampere kita peroleh: Untuk memperoleh relasi berikutnya kita gunakan persamaan Faraday. Perhatikan loop berikut ini: Dengan menerapkan persamaa Faraday, persamaan Maxwell nomor (4), kita peroleh: 15

16 Ekplorasi Elektromagnetik Persamaan (11 7) kita turunkan terhadap waktu, t, sehingga diperoleh: Sedangkan persamaan (11 8) juga kita turunkan terhadap z sehingga: Ruas kiri pada persamaan (11 9) sama dengan ruas kiri pada persamaan (11 10), urutan turunan tidak menjadi persoalan. Dari haril tersebut dapat kita simpulkan bahwa: Untuk komponen persamaan pada sumbu y dapat diturunkan dengan logika yang sama. Persamaan (11 11) tidak lain adalah persamaan gelombang, lihat kembali pembahasan Bab Gelombang Mekanik. Solusi dari persamaan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut: Yang mana k menyatakan bilangan gleombang, ω menyatakan frekuensi sudut sedangkan φ sudut fase gelombang. Sementara itu, untuk komponen medan magnet B kita dapat menurunkan persamaan gelombang dengan cara yang mirip dengan penurunan persamaan (11 11). Sebagai bahan latihan silahkan diturunkan sendiri. Di sini akan dituliskan hasil akhirnya saja yaitu: 16

17 Persamaan Maxwell Untuk komponen persamaan pada sumbu xdapat diturunkan dengan logika yang sama. Persamaan (11 11) tidak lain adalah persamaan gelombang, lihat kembali pembahasan Bab Gelombang Mekanik. Solusi dari persamaan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut: Yang mana k menyatakan bilangan gleombang, ω menyatakan frekuensi sudut sedangkan φ sudut fase gelombang. Untuk memperoleh hasil pada persamaan (11 14) kita juga dapat menggunakan hasil pada persamaan (11 11). Hal ini bisa dilakukan karena medan listrik dan medan magnet saling terkopel satu sama lain. Perhatikan persamaan (11 7). Dengan memasukkan persamaan (11 12) ke persamaan (11 7), kita peorleh: Dengan mendefinisikan 17

18 Ekplorasi Elektromagnetik sebagai amplitude medan magnet B0 maka hasil akhirnya dari penurunan persamaan di atas dapat dituliskan sebagai: Yang mana memiliki bentuk yang sama dengan persamaan (11 14). Kita telah mempelajari mengenai gelombang pada Bab Gelombang. Persamaan gelombang secara umum dapat dinyatakan sebagai berikut: Dimana v menyatakan cepat rambat gelombang. Menilik pada persamaan (11 11) dan (11 14), kecepatan gelombang baik untuk komponen medan listrk dan medan magnet adalah: Dengan memasukkan nilai konstanta μ0 = 1,25 x 10 6 T m/a dan ε0 = 8,854 x C2/Nm2 kita peroleh cepat rambat gelombang elektromagnetik adalah: Ini tidak lain adalah kecepatan cahaya. Hal yang sangat mengejutkan pada 18

19 Persamaan Maxwell saat itu adalah bahwa ternyata fenomena cahaya dapat dijelaskan melalui teori listrikmagnet. Hal ini benar-benar mencengangkan. Apa yang berikutnya muncul adalah pertanyaan mengenai apa sebenarnya hakikat cahaya. Namun sebelum kita beranjak ke pertanyaan tersebut, masih ada sesuatu lagi yang perlu kita ketahui. Kecepatan cahaya c dapat diturunkan dari konstanta permisivitas dan permeabilitas ruang hampa. Definisi kecepatan cahaya adalah: Dari hasil penurunan persamaan (11 14) melalui persamaan (11 7) kita memperoleh relasi penting antara amplitudo medan magnet dan medan listrik yaitu: Secara umum dalam gelombang elektromagnetik, amplitude komponen medan listrik dan medan magnet memenuhi persamaan: Yang mana E adalah amplitude medan listrik, B menyatakan amplitude meda magnet dan c adalah cepat rambat gelombang dimana c sama dengan kecepatan cahaya, yaitu sebesar 3 x 108 m/s. 19

20 Ekplorasi Elektromagnetik 11 3 Energi dan Momentum Gelombang Elektromagnetik Sepert yang telah dikemukakan pada bab-bab sebelumny bahwa energi dapat disimpan dalam bentuk medan listrik dan medan magnet. Gelombang elektromagnetik terdiri atas komponen medan listrik dan medan magnet sehingga dapat kita simpulkan bahwa gelombang elektromagnetik merupakan suatu mekanisme transfer energi dari satu tempat ke tempat lain. Dengan demikian, gelombang electromagnet sendiri mengandung atau membawa sejumlah energi tertentu. Seperti yang telah dijelaskan pada Bab 9, energi total per satuan volume dari suatu sistem yang mengandung medan listrik dan medan magnet dapat dinyatakan dalam persamaan (10 18), dituliskan ulang: Dengan melakukan sekelumit modifikasi kita dapat menyatakan persamaan (11 19) dalam bentuk yang lebih sederhana: Karena energi gelombang elektromagnetik terdiri dari dua komponen, medan listrik dan medan magnet, maka kita juga dapat menyatakan energi per satuan volume dalam variabel medan magnet melalui relasi E = cb. 20

21 Persamaan Maxwell Dari persamaan (11 20) dan (11 21) kita dapat menentukan persamaan untuk energi yang di bawa gelombang elektromagnetik dalam setiap keadaan, koordinat ruang dan waktu, dengan memasukkan persamaan medan listrik dan meda magnet. Atau Berangkat dari persamaan (11 19), kita juga dapat menyatakan persamaan energi per satuan volume dalam variabel B dan E sebagai berikut: Persamaan (11 24) adalah persamaan untuk energi per satuan volume pada gelombang elektromagnetik. Karena bersifat sinusoidal, dalam prakteknya kadang lebih mudah untuk menyatakan besar energi rata-rata dari gelombang tersebut. Nilai rata-rata dari persamaan (11 24) adalah: 21

22 Ekplorasi Elektromagnetik Gelombang elektromagnetik mentrasmisikan energi dalam bentuk rambatan medan listrik dan medan magnet. Rambatan energi ini bergantung pada koordinat spasial dan waktu. Variabel z pada persamaan (11 24) menunjukkan arah rambat gelombang elektromagnetik sedangkan ω menyatakan frekuensi sudutnya. Ketika gelombang telah bergerak selama waktu dt maka gelombang tersebut telah menempuh jarak sejauh cdt dan menyapu luasan sebesar A. Energi total yang dibawa oleh gelombang tersebut, setelah bergerak selama dt tadi, dengan demikian dapat dinyatakan sebagai: Kita dapat menurunkan berbagai besaran yang terkait energi dari persamaan tersebut. Energi total yang dijalarkan per detik, atau daya, dapat kita tentukan sebagai berikut: Yang mana, p adalah daya (watt), ut adalah eergi persatuan volume selama waktu dt (J/m3), A menyatakan luas bidang yang disapu oleh gelombang elektormagnetik (m2) dan c adalah cepat rambat cahaya (m/s). Jika medan magnet yang mengenai suatu luasan kita sebut sebagi fluks magnet maka besarnya daya yang mengenai luasan tertentu kita sebut sebagai fluks energi atau fluks daya. Fluks energi disimbolkan dengan huruf S: 22

23 Persamaan Maxwell Perhatikan bahwa fluks energi ini memiliki arah kerja yaitu terhadap suatu bidang tertentu. Jika normal bidang tegak lurus dengan arah kerja daya maka pada permukaan tersebut, fluks energi akan nol. Dengan demikian S didefinisikan sebagai besaran vektor dan dalam bentuk vektornya besaram S disebut sebagai pointing vector S. Karena medan magnet selalu tegak lurus terhadap medan listrik maka hasil dari persamaan di atas dapat ditulis dengan: Yang menghasilkan persamaan yang persis sama dengan persamaan (11 26). Momentum Gelombang Elektromagnetik Perhatikan sebuah sistem yang terdiri dari gelombang elektromagnetik dan sebuah partikel bermuatan, katakanlah Q. Kita telah mempelajari pada Bab 1 bahwa jika sebuah partikel bermuatan dikenai medan listrik maka akan dihasilkan gaya listrik pada muatan tersebut sehingga muatan Q mengalami percepatan, lihat persamaan (1 23). Gelombang elektromagnetik mengandung medan listrik dan medan magnet. Ketika partikel Q mendapat percepatan maka partikel akan bergerak. Komponen medan magnet hanya dapat bekerja pada muatan yang bergerak seh- 23

24 Ekplorasi Elektromagnetik ingga setelah partikel bergerak dengan kecepatan tertentu maka partikel akan dipengaruhi oleh medan magnet dan geraknya akan dibelokkan sesuai dengan persamaan (6 1). Gaya total yang bekerja pada muatan Q dengan demikian adalah penjumlahan dari gaya oleh medan listrik dan medan magnet, lihat persamaan (6 4), dituliskan ulang: FL adalah gaya Lorentz dan v kecepatan gerak partikel Q. Perhatikan bahwa pada gelombang elektromagnetik medan listrik mengalai osilasi pada nilai positif dan negative sehingga gaya total yang bekerja pada partikel Q adalh nol. Namun demikian, gaya yang dikerjakan oleh medan magnet selalu ada. Jadi, partikel tetap mengalami percepatan gerak. Berdasarkan hukum II Newton, partikel bermuatan yang diberi gaya eksternal akan mengalami perubahan momentum, lihat kembali pembahasan hokum Newton. Karena perubahan momentum partikel Q disebabkan oleh gelombang elektromagentik maka gelombang itu sendiri tentu saja memiliki momentum. Mengacu pada konsep fluks energi S, ketika partikel telah bergerak selama dt maka momentum gelombang elektromagnetik dapat dinyatakan sebagai berikut: Dari persamaan (11 28), kita dapat menurunkan besaran lainnya yaitu tekanan radiasi. Gaya berkaitan dengan perubahan momentum dan berdasarkan persamaan (11 28) perubahan momentum dapat kita nyatakan sebagai: 24

25 Persamaan Maxwell Karena dp/dt adalah F maka tekanan radiasi dapat dituliskan sebagai P = dp/adt Radiasi Dipol Partikel yang mengalami percepatan dapat menghasilkan gelombang elektromagnetik. Pada sub bab sebelumnya kita telah menggunakan model partikel bermuatan pembawa arus listrik yang berosilasi menghasilkan gelombang bidang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Transmisi gambar dan suara pada televisi, juga handphone, menggunakan gelombang elektromagnetik. Pada percobaan yang dilakukan Hertz, digunakan dua alat yang berfungsi sebagai pemancar dan penerima. Tentu saja yang dipancarkan dan diterima adalah gelombang elektromagnetik. Pada stasiun televisi transmisi gambar dan suara dilakukan denganalat yang disebut antenna pemancar. Televisi di rumah kita menangkap sinyal tersebut juga dengan menggunakan antena namun antenna yang digunakan adalah antena penerima. Gelombang elektromagnetik dipancarkan secara radiasi. Gelombang elektromagnetik tidak membutuhkan kehadiran medium agar dapat merambat. Pada prakteknya, proses pemancaran dan penerimaan gelombang elektromagnetik cukup rumit. Pada sub bab ini kita akan membagas radiasi elektromagnetik tersebut dalam bentuknya yang paling sederhana yaitu pada sistem yang disebut sebagai radiasi dipol. Lihat Gambar 11.8, sumber tegangan AC digunakan untuk menghasilkan osilasi muatan pada kawat sehingga menghasilkan fluks magnetik yang tersu menerus berubah. 25

26 Ekplorasi Elektromagnetik Perubahan fluks magnet menghasilkna medan listrik dan keduanya bergabung membentuk gelombang elektromagnetik yang ditransmisikan. Radiasi elektromagnetik memancarkan sejumlah energi tertentu. Pada sub bab 11 3 telah dibahas mengenai energi yang diradiasikan oleh gelombang elektromagnetik. Radiasi dipol berbentuk merupakan radiasi yang berbentuk bola, melingkupi antena pemancar dan penerima. Daya radiasi yang dipancarakan oleh gelombang elektromagnetik dipol dibedakan menjadi dua yaitu daya radiasi magnetik dan elektrik. Daya radiasi dipol listrik Daya radiasi dipol listrik dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini: 26

27 Persamaan Maxwell Yang mana p0 adalah momen dipol listrik maksimum, p0 = Qd dengan d menyatakan jarak pisah antar muatan yang mengalami osilasi. Daya radiasi dipol magnetic Daya radiasi dipol magnetik dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini: Yang mana m0 adalah momen dipol magnet maksimum, m0 = πb2i0 dengan b menyatakan radius loop medan magnet dan I0 menyatakan arus listrik maksimum yang digunakan untuk membangkitkan medan magnet Polarisasi Gelombang elektromagnetik dapat dikarakterisasi berdasarkan komponen medan listrik dan medan magnet yang menyusunnya. Hal tersebut menjadi lebih mudah lagi dilakukan karena medan listrik dan medan magnet terkopel satu sama lain artinya jika kita mengetahui salah satu komponen, katakanlah medan listrik, maka kita dapat menentukan komponen lainnya, yaitu medan magnet. Untuk memahami apa itu polarisasi, kita akan fokus pada medan listrik dan sebagai simplifikasi maka diasumsikan bahwa gleombang merambat pada arah z. Persamaan gelombang untuk komponen medan listrik dapat dituliskan sebagai berikut: 27

28 Ekplorasi Elektromagnetik Dengan sedikit aljabar kita peroleh persamaan berikut: Hal ini berarti bahwa amplitude gelombang pada komponen sumbu x dan y adalah sama, demikian juga dengan fasenya. Kedua amplitude mencapai nilai maksimum dan minimum dalam waktu yang sama pula. Keadaan semacam itu disebut sebagai gelombang terpolarisasi linier. Perhatikan diagram sederhana pada Gambar

29 Ekplorasi Georadar 2 METODE Georadar I. Pendahuluan Geofisika adalah bagian dari ilmu bumi yang mempelajari bumi menggunakan kaidah atau prinsip-prinsip fisika. Di dalamnya termasuk juga meteorologi, elektrisitas atmosferis dan fisika ionosfer. Penelitian geofisika untuk mengetahui kondisi di bawah permukaan bumi melibatkan pengukuran di atas permukaan bumi dari parameter-parameter fisika yang dimiliki oleh batuan di dalam bumi. Dari pengukuran ini dapat ditafsirkan bagaimana sifat-sifat dan kondisi di bawah permukaan bumi baik itu secara vertikal maupun horisontal. Secara umum, metode geofisika dibagi menjadi dua kategori yaitu metode pasif dan aktif. Metode pasif dilakukan dengan mengukur medan alami yang dipancarkan oleh bumi. Metode aktif dilakukan dengan membuat medan gangguan kemudian mengukur respons yang dilakukan oleh bumi. Sedangkan sumber-sumber yang digunakan dalam pengukuran tersebut diantaranya adalah gelombang elektromagnetik, getaran, sifat kelistrikan, sifat kemagnetan, dan lain-lain. Penggunaan sinyal elektromagnetik saat ini sudah banyak digunakan, salah satu metode yang menggunakan sumber ini yaitu metode Ground Penetrating Radar (GPR). GPR dapat disebut juga dengan metode refleksi elektromagnetik karena memanfaatkan sifat radiasi elektromagnetik yang memperlihatkan refleksi separti pada metode gelombang seismik. Dalam makalah akan dibahas mengenai Ground Penetrating Radar (GPR). 29

30 Ekplorasi Elektromagnetik A. Pengertian GPR adalah salah satu metode geofisika yang mempelajari kondisi bawah permukaan berdasarkan sifat elektromagnetik yang mempunyai rentang frekuensi antara MHz dan dapat mendeteksi parameter permitivitas listrik (ε), konduktivitas (σ) dan permeabilitas magnetik (μ). GPR dapat disebut juga dengan metode refleksi elektromagnetik karena memanfaatkan sifat radiasi elektromagnetik yang memperlihatkan refleksi separti pada metode gelombang seismik. GPR digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk stratigrafi tanah, studi air tanah, pemetaan fracture bedrock dan penentuan kedalaman dari permukaan air tanah (Annan dan Davis, 1989). Seperti pada sistem radar pada umumnya, sistem GPR terdiri atas pengirim (trasmiter), antena yang terhubung ke sumber pulsa, dan penerima (receiver), antena yang terhubung ke unit pengolahan sinyal dan citra. Adapun dalam menentukan tipe antena yang digunakan, sinyal yang ditransmisikan dan metode pengolahan sinyal tergantung pada beberapa hal, yaitu: Jenis objek yang akan dideteksi Kedalaman Objek, dan Karakteristik elektrik medium tanah Dari proses pendeteksian seperti di atas, maka akan didapatkan suatu citra dari letak dan bentuk objek yang terletak di bawah tanah atau dipermukaan tanah. Untuk menghasilkan pendeteksian yang baik, suatu sistem GPR harus memenuhi empat persyaratan sebagai berikut: 1. Kopling radiasi yang efisien ke dalam tanah 2. Penetrasi gelombang elektromagnetik yang efisien 3. Menghasilkan sinyal dengan amplitudo yang besar dari objek yang dideteksi. 4. Bandwidth yang cukup untuk menghasilkan resolusi yang baik. 30

31 Ekplorasi Georadar B. Gelombang Elektromagnetik Sifat elektromagnetik suatu material bergantung pada komposisi dan kandungan air didalamnya, dimana keduanya merupakan pengaruh utama pada perambatan kecepatan gelombang radar dan atenuasi gelombang elektromagnetik dalam material. Penggunaan gelombang elektromagnetik dalam ground penetrating radar didasarkan atas persamaan maxwell yang merupakan perumusan matematis untuk hukum-hukum alam yang melandasi semua fenomena elektromagnetik. Perumusan tersebut dirumuskan dalam persamaan sebagai berikut : dimana: E = Kuat medan listrik H = Fluks medan magnet B = Permeabilitas magnetik J = Rapat arus listrik ε = Dielektrik σ = Konduktifitas ρ = Tahanan jenis Dari persamaan Maxwell di atas dapat diperoleh nilai kecepatan gelombang EM pada berbagai medium, kecepatan ini tergantung kepada kecepa- 31

32 Ekplorasi Elektromagnetik tan cahaya (c), konstanta relatif dielektrik (εr) dan permeabilitas magnetic (μr = 1 untuk material non magnetik). Persamaan kecepatan gelombang EM dalam suatu medium adalah: dimana: c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3 x 10 8 m/s) εr = konstanta dielektrik relatif μr = permeabilitas magnetik relative P = loss factor, dimana P = σ / ωε, σ adalah konduktifitas ω = 2πf, f adalah frekuensi ε = permitifitas dielektrik f = frekuensi gelombang EM εo = permitifitas ruang bebas (8,854 x F/m) Loss factor menunjukkan sejumlah energi yang hilang penjalaran (propagasi) muatan atau sinyal karena terjadi penyerpan oleh medium yang dilewati. Energi tersebut sebenarnya tidak lenyap tetapi bertransformasi menjadi suatu bantuk yang berbeda, misalnya dari energi EM menjadi energi termal (panas) sama halnya seperti yang berlaku pada alat masak oven microwave. Tetapi terkadang energi tersebut tidak berubah bentuk melainkan mengalami multiphating. Penyebaran geometrik dan penghamburan (scattering) yang berlebihan, sehingga tidak dapat lagi diobservasi oleh antena. C. Koefisien Refleksi Suatu gelombang aan mengalami efek snellius. Dari efek snellius itu dapat dicari suatu koefisien refleksi. Koefesien refleksi (R) didefinisikan sebagai 32

33 Ekplorasi Georadar perbandingan energi yang dipantulkan dan energi yang datang, persamaan untuk koefesien refleksi adalah sebagai berikut : dimana V1 dan V2 secara berturut-turut adalah kecepatan gelombang pada lapisan 1 dan 2, sedangkan ε1 dan ε2 adalah konstanta dielektrik relatif (εr) lapisan 2. ε didefinisikan sebagai kapasitas dari suatu material dalam melewatkan muatan saat medan elektromagnetik melaluinya. D. Prinsip Kerja GPR Prinsip kerja alat GPR yaitu dengan mentransmisikan gelombang radar (Radio Detection and Ranging) ke dalam medium target dan selanjutnya gelombang tersebut dipantulkan kembali ke permukaan dan diterima oleh alat penerima radar (receiver), dari hasil refleksi itulah barbagai macam objek dapat terdeteksi dan terekam dalam radargram. Mekanisme kerja GPR dan contoh rekaman radargram ditunjukan oleh gambar berikut. Gambar 1.1 Mekanisme Kerja GPR dan contoh rekamannya 33

34 Ekplorasi Elektromagnetik Semua sistem GPR pasti memiliki rangkaian pemancar (transmitter), yaitu system antena yang terhubung ke sumber pulsa, dan rangkaian penerima (receiver), yaitu sistem antena yang terhubung ke unit pengolahan sinyal. Rangkaian pemancar akan menghasilkan pulsa listrik dengan bentuk, prf (pulse repetition frequency), energi, dan durasi tertentu. Pulsa ini akan dipancarkan oleh antena ke dalam tanah. Pulsa ini akan mengalami atenuasi dan cacat sinyal lainnya selama perambatannya di tanah. Jika tanah bersifat homogen, maka sinyal yang dipantulkan akan sangat kecil. Jika pulsa menabrak suatu inhomogenitas di dalam tanah, maka akan ada sinyal yang dipantulkan ke antena penerima. Sinyal ini kemudian diproses oleh rangkaian penerima. Kedalaman objek dapat diketahui dengan mengukur selang waktu antara pemancaran dan penerimaan pulsa. Dalam selang waktu ini, pulsa akan bolak balik dari antena ke objek dan kembali lagi ke antena. Untuk mendeteksi suatu objek diperlukan perbedaan parameter kelistrikan dari medium yang dilewati gelombang radar. Perbedaan parameter kelistrikan itu antara lain permitivitas listrik, konduktivitas dan permeabilitas magnetik. Sifat elektromagnetik suatu material bergantung pada komposisi dan kandungan air didalamnya, dimana keduanya merupakan pengaruh utama pada perambatan kecepatan gelombang radar dan atenuasi gelombang elektromagnetik dalam material. Keberhasilan metode GPR bergantung pada variasi bawah permukaan yang dapat menyebabkan gelombang radar tertransmisikan dan refleksikan. refleksi yang ditimbulkan oleh radiasi gelombang elektromagnetik timbul akibat adanya perbedaan antara konstanta dielektrik relatif antara lapisan yang berbatasan. Perbandingan energi yang direfeleksikan disebut koefesien refeleksi (R). 34

35 Ekplorasi Georadar E. Atenuasi Gelombang Dalam perambatannya, amplitudo sinyal akan mengalami pelemahan karena adanya energi yang hilang, sebagai akibat terjadinya refleksi / trasmisi di tiap batas medium dan terjadi setiap kali gelombang radar melewati batas antar medium. Faktor kehilangan energi disebabkan oleh perubahan energi elektromagnetik menjadi panas. Penyebab dasar terjadinya atenuasi merupakan fungsi kompleks dari sifat dielektrik dan sifat listrik medium yang dilewati oleh sinyal radar. Faktor atenuasi tergantung pada konduktivitas, permitivitas, dan permeabilitas magnetic medium, dimana sinyal tersebut menjalar, serta frekuensi sinyal itu sendiri. Koefisien Atenuasi ditentukan dengan persamaan berikut : a = w c e r 2 m r 1+ s e w 2 1 F. Skin Depth Skin depth adalah kedalaman dimana sinyal telah berkurang menjadi 1/e. Kedalaman penetrasi dibatasi oleh konduktifitas tanah yang rendah (atau resisitivitas yang tinggi). Untuk material geologi, berada pada range 1-30, sehingga range jarak cepat rambat gelombang menjadi besar yaitu sekitar 0.03 sampai m/ns. Skin depth dapat ditentukan dengan persamaan berikut : d = 1 a = w mr e 2 r c 1+ s e w

36 Ekplorasi Elektromagnetik dimana: δ = Skin Depth (m) εr = konstanta dielektrik relatif σ = konduktifitas tanah/material μr = permeabilitas magnetik relative ω = 2πf, f adalah frekuensi Tabel 2.1. Permitivitas relatif, konduktivitas,kecepatan, dan atenuasi media geologi (Annan, 1992) Material Permitivitas relatif Konduktivitas (ms/m) Kecepatan n (m/ns) Koef. Atenuasi α (db/m) Udara Air terdistilasi x10-3 Air segar Air laut 80 3x Pasir kering Pasir jenuh Batugamping Serpih Lanau Lempung Granit Garam kering Es

37 Ekplorasi Georadar II. Peralatan GPR Secara garis besar, peralatan yang digunakan dalam penyelidikan geofisika menggunakan metode ground penetrating radar kurang lebih sama saja dengan metode-metode penyelidikan lainnya yaitu : a. GPR b. Perangkat komputer c. Control unit d. Graphic recorder Alat utama yang digunakan adalah Ground Penetrating Radar sendiri yang terdiri dari beberapa komponen yang penting. Ground Penetrating Radar (GPR) Gambar 2.1. Ground Penetrating Radar (GPR) 37

38 Ekplorasi Elektromagnetik Sistem GPR terdiri atas pengirim (transmitter), yaitu antena yang terhubung ke sumber pulsa (generator pulsa) dengan adanya pengaturan timing circuit, dan bagian penerima (receiver), yaitu antena yang terhubung ke LNA dan ADC yang kemudian terhubung ke unit pengolahan (data processing) serta display sebagai tampilan outputnya. Sistem GPR yang digunakan untuk mengukur keadaan di bawah permukaan tanah terdiri dari unit kontrol, antenna pengirim dan antena penerima, penyimpanan data yang sesuai dan peralatan display. Unit kontrol radar menghasilkan pulsa trigger tersinkronasi ke pengirim dan penerima elektronik di antena. Pulsa ini mengendalikan pengirim dan penerima elektronik untuk menghasilkan sample gelombang dari pulsa radar yang dipantulkan. Antena merupakan tranduser yang mengkonversikan arus elektrik pada elemen-elemen antena logam (biasanya antenna bowtie-dipole sederhana) untuk mengirimkan gelombang elektromagnetik yang akan dipropagasikan ke dalam material. Antena memancarkan energy elektromagnetik ketika terjadi perubahan percepatan arus pada antena. Radiasi terjadi sepanjang garis, dan radisi terjadi sepanjang waktu ketika terjadi perubahan arah arus (misalnya pada ujung elemen antena). Mengendalikan dan mengarahkan energy elektromagnetik dari antena merupakan tujuan dari perancangan antena. Antena juga mengubah gelombang elektromagnetik ke arus pada suatu elemen antena, bertindak sebagai suatu penerima energy elektromagnetik dengan cara menangkap bagian gelombang elektromagnetik. Sistem GPR dikendalikan secara digital, dan data selalu direkam secara digital untuk kebutuhan pemrosesan survey akhir dan display. Kendali digital dan display bagian dari sistem GPR secara umum terdiri dari sebuah mikroprosesor, memori, dan mass storage yaitu medium untuk menyimpan bidang pengukuran. Sebuah mikrokomputer yang kecil dan operating sistem standard kerapkali digunakan untuk mengendalikan proses pengukuran, menyimpan data, dan 38

39 Ekplorasi Georadar bertindak sebagai penghubung dengan pengguna. Data kemungkinan akan mengalami proses penyaringan pada bidang untuk menghilangkan noise, atau data kasar mungkin direkam terlebih dahulu dan pemrosesan data untuk menghilangkan noise dilakukan dikemudian waktu. Penyaringan medan untuk menghilangkan noise yang terdiri dari pemfilteran elektronik dan/atau pemfilteran digital dilakukan terlebih dahulu untuk merekam data pada medium penyimpanan data. Bidang pemfilteran secara normal harus diperkecil kecuali pada kasus-kasus tertentu ketika data harus ditafsirkan segera setelah direkam. III. Akuisisi GPR Ada beberapa metode berbeda untuk memperoleh data GPR, salah satunya yang paling umum digunakan adalah mendorong suatu unit GPR sepanjang lintasan atau menyeret suatu GPR unit di belakang suatu kendaraan, seperti ditunjukkan gambar berikut : Gambar 3.1. Pengambilan Data GPR dengan Mendorong 39

40 Ekplorasi Elektromagnetik Gambar 4.2. Pengambilan Data GPR dengan Menyeret di Belakang ATV Ketika unit GPR bergerak di sepanjang garis survey, pulsa energi dipancarkan dari antena pemancar dan pantulannya diterima oleh antena penerima. Antena penerima mengirimkan sinyal ke recorder. Komponen utama untuk di pertimbangkan dalam memperoleh data GPR adalah jenis transmisi dan antena penerima yang menggunakan cakupan frekuensi yang tersedia untuk pulsa elektromagnetik. Sinyal atau gelombang yang dipancarkan akan segera dipantulkan kembali setelah menempuh two-way traval time tertentu, hasilnya akan terekam pada alat grafik recorder yaitu radargram yang berbentuk penampang yang menerus, konfigurasi inilah yang merupakan cerminan perbedaan litologi dari reflektor di bawah permukaan. Terdapat tiga model untuk memperoleh data penyelidikan GPR yakni : a. Reflection Profiling (antena monostatik maupun bistatik), Cara ini dilakukan dengan membawa antena bergerak secara simultan di atas permukaan tanah dimana nantinya hasil tampilan pada radargram akan merupakan kumpulan dari tiap-tiap pengamatan. Cara ini serupa dengan cara countinous seismik reflection profiling pada metode seismik. Kedalaman target atau reflektor dapat diketahui jika cepat rambat gelombang diketahui. b. Wide Angel Reflection and Refraction (WARR) Cara WARR sounding ini dilakukan dengan meletakkan sumber pe- 40

41 Ekplorasi Georadar mancar atau transmitter pada suatu posisi yang tetap, sedangkan receiver dipindah-pindah sepanjang lintasan penyelidikan (Gambar 4.3.). Cara ini umumnya digunakan untuk reflektor yang relatif datar atau memiliki kemiringan yang rendah. Tetapi asumsi bahwa reflektor cenderung datar adalah tidak selalu benar, maka untuk mengatasi kelemahan ini digunakan cara CMP, yang hanya sedikit berbeda dengan cara WARR, pada CMP sounding, kedua antena bergerak menjauhi satu sama lainnya dengan titik tengah pada titik yang tetap, kedua cara ini merupakan cara yang paling umum digunakan. Gambar 4.3. Pengambilan Data GPR dengan Model WARR c. Transilluminasi atau disebut juga Radar Tomografi Cara ini dilakukan dengan menempatkan transmitter dan receiver pada posisi yang berlawanan. Sebagai contoh jika transmitter diletakkan pada lubang bor maka receiver diletakkan pada lubang bor lainnya. cara ini umumnya digunakan pada kasus non-destructive testing (NDT) dengan menggunakan frekuensi antena yang tinggi, sekitar 900 Mhz. 41

42 Ekplorasi Elektromagnetik IV. Pengolahan dan Interpretasi Data GPR A. Pengolahan Data GPR Pada banyak kasus, survei GPR dengan prosesing yang sangat minim mungkin saja dapat dipakai hasilnya. Dalam kasus ini, penyesuaian yang perlu untuk dibuat adalah konversi data ke suatu penggunaan format digital, melakukan penyesuaian penguatan data, dan menentukan kedalaman setiap reflektor di bawah permukaan. Berikut adalah langkah yang diperlukan untuk memproses data survei GPR: a. Konversi data ke penggunaan format digital Pada kebanyakan unit GPR, data secara otomatis direkam dalam format digital atau data unit GPR yang diperoleh dimasukan ke komputer dan diproses dengan perangkat lunak. b. Penghilangan atau minimalisasi gelombang direct dan gelombang udara dari data. Seringkali, ada amplitudo refleksi yang besar pada batas antara permukaan udara dan tanah seketika di bawah antena GPR. Gambar 4.1 Gelombang direct dan gelombang udara 42

43 Ekplorasi Georadar Kontras yang tinggi antara daya konduktivitas udara dan tanah dapat menciptakan gelombang direct dan gelombang udara yang dapat mengaburkan refleksi dari objek penting di bawah permukaan. Gelombang direct dan gelombang udara ini dapat dihilangkan dengan komputasi waktu tempuh dan panjang gelombang, kemudian dengan mengurangkan gelombangteoritis sepanjang lebar panjang gelombang dari gelombang aslinya pada setiap trace GPR. c. Penyesuaian amplitudo pada data. Dalam banyak kasus baterei unit GPR dapat melemah saat survei masih berlangsung. Ini menghasilkan trace GPR dengan aplitudo refleksi yang semakin lemah. Menentukan waktu habisnya baterei dari waktu ke waktu, kemudian mangalikan masing-masing trace dengan suatu konstanta untuk memperbaiki pengurangan tadi dapat mengkoreksi masalah ini. d. Penyesuaian penguatan pada data. Selama sinyal transmisi dari unit GPR menembus tanah, terjadi atenuasi terhadap trace GPR. Atenuasi itu dapat dikoreksi dengan melakukan penyesuaian penguatan pada setiap trace. Ada beberapa persamaan untuk komputasi penyesuaian penguatan. Dalam satu model, masing-masing nilai data pada keseluruhan jejak dikalikan dengan suatu faktor yang berhubungan dengan kedalaman sinyal. e. Penyesuaian statis. Penyesuaian ini menghilangkan efek yang disebabkan oleh perubahan elevasi dan peningkatan antena GPR. f. Filtering data. Tujuan dari filtering adalah menghilangkan noise background yang tidak 43

44 Ekplorasi Elektromagnetik diinginkan. Untuk menghilangkan noise yang tidak diinginkan ini, data trace time-domain dikonversi dalam bentuk domain frekuensi dengan menggunakan transformasi Fourier. Frekuensi yang diinginkan disaring, dan trace dikonversi kembali menjadi domain time dengan menggunakan invers transformasi Fourier. g. Velocity analisis. Velocity analisis melibatkan penentuan kecepatan gelombang pada material bawah permukaan, kemudian mengubah travel time ke kedalaman. dengan pengujian konstanta dielektrik relatif, lalu kedalaman tiap refleksi di bawah permukaan ditentukan dari persamaan : dr : kedalaman reflektor v : cepat rambat energi elektromagnet pada material t : waktu tempuh ke reflektor dalam two-way travel time h. Migrasi. Migrasi adalah suatu prosedur untuk mengubah permukaan yang telah terekam dalam data GPR ke data dengan lokasi heterogenetis bawah permukaan pada posisi yang benar. VISUALISASI DATA GPR Ada tiga metode dalam memvisualisasi data GPR, antara lain : Ascan adalah penyajian 1D single profil GPR (trace), B-scan adalah penyajian 2D 3 rangkaian trace GPR, dan C-scan adalah penyajian 3D rangkaian trace 2D [1], seperti ditunjukkan pada gambar berikut. 44

45 Ekplorasi Georadar Gambar 4.2 Visualisasi Data GPR B. Interpretasi Data GPR Pekerjaan akhir dalam penyelidikan geofisika adalah menerjemahkan datadata sinyal yang telah diperoleh dari akuisisi untuk kemudian diplot kedalam suatu bentuk konfigurasi agar dapat dibaca dan diambil kesimpulan, pekerjaan ini adalah interpretasi. Beberapa hal yang lazim diperhatikan dalam penginterpretasian adalah : a. Interpretasi grafik Kecepatan gelombang dapat diketahui dengan berasumsi pada suatu konstanta dielektrik relative yang mendekati atau sesuai dengan nilai material yang diselidiki, dengan cara demikian two-way travel time (TWT) dapat diterjemahkan menjadi kedalaman, dan jika ditambahkan dengan pengidentifikasian sinyal pantulan dari target (refleksi), maka peta TWT dapat dihasilkan guna menunjukkan kedalaman, ketebalan, perlapisan, dll. Dari sini dapat diketahui nilai sebenarnya dari kecepatan gelombang. 45

46 Ekplorasi Elektromagnetik b. Analisa kuantitatif Dengan menggunakan beberapa analisa, kedalaman interpretasi sinyal juga kedalaman target atau reflektor dapat dideterminasi tergantung kepada cukup tidaknya nilai yang diketahui dari analisa kecepatan juga variasi konstanta dielektrik relatif material yang dilewati, juga kepada analisa amplitude dan koefisian refleksi. c. Kegagalan interpretasi Dua hal yang paling sering ditemui dan dianggap sebagai kelemahan dalam interpretasi radar adalah tidak mampu mengindentifikasi permukaan tanah dan misi identifikasi strata hitam-putih pada radargram. Hal ini dapat disebabkan oleh perlakuan yang dialami oleh sinyal selama menempuh perjalanan melewati medium. V. Aplikasi Metode GPR Aplikasi GPR dapat digunakan untuk survey benda-benda yang terpendam di tempat yang dangkal, tempat yang dalam, dan pemeriksaan beton. GPR ini dapat digunakan untuk pencirian geologi dangkal, mencari lokasi pipa, tank, drum, pencitraan beton, studi arkeologi, dan lain-lain. a. Pencirian Geologi Bawah Permukaan Dangkal Dalam penelitiannya Bares, M. Dan Haeni, F.P. (1991) mempelajari kondisi geologi bawah permukaan dengan menggunakan antena 80- MHz, mereka memperoleh resolusi dekat permukaan (resolusi= panjang gelombang / 2) 1-2 feet dengan suatu antena. Data survey GPR nya memerlukan pengolahan data yang sangat kecil. Setelah melakukan survey GPR, lalu menggunakan lampiran-1 untuk menginterpretasikan data. Penafsirannya kemudian dibandingkan dengan penafsiran dari log borehole bawah permukaan. Penelitian ini menghasilkan 46

47 Ekplorasi Georadar b. kesimpulan sebagai berikut ini: i. Profil GPR bawah permukaan berkualitas tinggi dapat diper- oleh dengan sedikit prosesing data atau tanpa prosesing. ii. Penetrasi kedalaman survey GPR berkisar antara 20 sampai 70 feet, bergantung pada tipe sedimen bawah permukaan. iii. Kesalahan dalam analisis log borehole, estimasi kecepatan ra- dar yang salah, resolusi GPR yang buruk, interferensi antar reflektor GPR, dan faktor lainnya dapat mengakibatkan korelasi yang buruk antara karakterisasi GPR dan log borehole. iv. Kebanyakan, GPR adalah metode yang cepat, ekonomis dalam mencirikan litologi (tipe sedimen dan struktur) bawah permukaan. Keakuratan GPR berkurang pada deposit berkonduktifitas tinggi, seperti deposit saturated clay. Penentuan Kondisi Geohidrologi Dalam studi yang dilakukan oleh Benson, A.K. (1995), ia bisa menginterpretasikan kedalaman muka air tanah dari pengukuran GPR. Dalam studi di mana muka air tanah telah ditemukan pada suatu kedalaman layak, ada suatu refleksi yang jelas di lokasi muka air tanah tersebut. Dalam kasus ini, kedalaman muka air tanah mudah untuk ditentukan. c. Pelacakan Situs Purbakala (Arkeologi) Situs Kerajaan Majapahit di Kecamatan Trowulan, Kabupaten Mojokerto, Jawa Timur, mungkin akan terlindungi dari upaya okupasi peruntukan lain dan penjarahan bila ada upaya pemetaan kawasan itu dengan menggunakan georadar. Saat ini, dunia arkeologi di Indonesia masih diguncang oleh perusakan situs peninggalan Kerajaan Majapahit di Trowulan. Situs ini menarik perhatian dengan dilaksanakannya pembangunan Pusat Informasi Trowulan (PIM) di atas lokasi bekas kerajaan tersebut. Dari kacamata sains dan 47

48 Ekplorasi Elektromagnetik teknologi, kerusakan sebagian dari situs Majapahit di Trowulan adalah akibat dari belum dikembangkannya ilmu geofisika pada bidang arkeologi. Pemetaan arkeologi bawah tanah yang merupakan perpaduan antara geofisika dan arkeologi nyaris tak tersentuh di Indonesia, antara lain karena dianggap kurang mempunyai nilai ekonomis, ujar Anggoro Sri Widodo, geofisikawan lulusan S-2 ITB. Karena adanya kesamaan teori, konsep, metode interpretasi antara geofisika migas dan geofisikaarkeologi, tidak sulit memetakan situs Majapahit di Trowulan yang telah terpendam. Sementara itu, Djoko Nugroho, mengungkapkan, aplikasi georadar telah dilakukan dalam pencarian bekas Kerajaan Sumbawa yang terpendam akibat letusan Gunung Tambora di pulau di Nusa Tenggara Barat. Pencarian melibatkan peneliti ITB ini berhasil menemukan lokasi situs kerajaan tersebut. BPPT pun juga pernah menggunakan georadar untuk pendeteksi keberadaan situs purba di kota Pagar Alam di Desa Rimba Candi, Sumatera Selatan, yang terkubur akibat letusan Gunung Dempo. Situs itu merupakan peninggalan peradaban megalitikum. d. Penentuan Kedalaman Pondasi Gedung Radar pada prinsipnya berkaitan dengan metode refleksi seismik. Sebuah pemancar (TX) memancarkan sinyal di daerah penyelidikan. Sinyal terpantul dideteksi dan direkam oleh penerima (Rx). Tidak seperti metode seismik, instrumen radar menggunakan gelombang elektromagnetik, bukan gelombang akustik. EM-gelombang tidak menembus sedalam gelombang suara tetapi akan menghasilkan resolusi yang jauh lebih tinggi. Sasaran dengan impedansi listrik berbeda dengan media sekitarnya akan dideteksi dan dicatat. Instrumen radar permukaan sebagian besar digunakan untuk mendeteksi dan melokalisasi target logam dan nonlogam untuk perkiraan kedalaman 30m. 48

49 Ekplorasi Georadar The RAMAC / GPR secara kontinyu memancarkan sinyal ke media penyelidikan. Jumlah scan per satuan panjang waktu ditetapkan dalam perangkat lunak. Biasanya, akuisisi yang dibuat dalam profil di atas permukaan media dapat sekaligus dilihat pada komputer laptop untuk mengendalikan pengukuran. Lateral dan vertikal resolusi hasil bervariasi antara 0,01-1,0 meter, tergantung pada pilihan dari frekuensi antena. Antena frekuensi yang lebih tinggi memberikan resolusi yang lebih tinggi tapi kurang penetrasi, dan sebaliknya. Hiperbolik permukaan refleksi dari titik reflektor. Secara umum peralatan georadar terdiri dari dua komponen utama yaitu peralatan pemancar gelombang radar (transmitter) dan peralatan penerima pantulan / refleksi gelombang radar (tranceiver). Sistem yang digunakan adalah merupakan sistem aktif dimana dilakukan penembakan pulsa-pulsa gelombang elektromagnetik (pada interval gelombang radar) untuk kemudian dilakukan perekaman intensitas gelombang radar yang berhasil dipantulkan kembali. Pengukuran dan perekaman terdapat selisih waktu (Δt), ini kemudian akan membentuk suatu pola penampang gelombang radar yang khas untuk tiap interval meter kedalamannya. Pola-pola refleksi ini mencerminkan perbedaan nilai dielektrik massa / benda² terhadap gelombang radar yang mengenainya. Kedalaman pengukuran dapat disesuaikan dengan tujuan kegiatannya yaitu dengan mengatur frekuensi gelombang radar yang digunakan. 49

50 Ekplorasi Elektromagnetik 3 METODE Very Low Frequency (VLF) I. Pendahuluan Metode VLF-EM merupakan salah satu metode geofisika yang digunakan untuk menggambarkan rapat arus induksi yang terdapat di bawah permukaan bumi. Metode ini pertamakali diperkenalkan oleh Ronka pada tahun Metoda ini memanfaatkan gelombang elektromagnetik dengan frekwensi 5-30 khz. Metode ini memanfaatkan medan elektromagnetik yang dibangkitkan pemancar-pemancar gelombang radio VLF berdaya besar yang dioperasikan untuk kepentingan militer, terutama untuk berkomunikasi dengan kapal selam. A. Prinsip Kerja Medan magnetik dan medan listrik yang dibangkitkannya disebut sebagai medan primer. Medan primer membangkitkan medan sekunder sebagai akibat adanya arus induksi yang mengalir pada benda-benda konduktor di dalam tanah. Medan sekunder yang timbul bergantung pada sifat-sifat medan primer, sifat listrik benda-benda di dalam tanah dan medium sekitarnya, serta bentuk dan posisi benda-benda tersebut. Pada daerah pengamatan VLF dilakukan pengukuran terhadap resultan medan primer dan medan sekunder, dimana perubahan resultan kedua medan tersebut tergantung pada perubahan 50

51 Eksplorasi Very Low Frequency medan sekunder. Sehingga bentuk, posisi, dan sifat listrik benda-benda di bawah daerah pengamatan dapat diperkirakan. Metode VLF ini secara umum digunakan untuk penelitian geologi yang bersifat dangkal. Gambar 1.1. Prinsip Kerja Metode VLF Untuk metode VLF ada dua mode yaitu mode tilt angle dengan parameter yang dipakai adalah sudut tilt dan parameter resistivitas sedangkan mode resistivitas dengan parameter tahanan jenis medium dan sudut fase medium. Komponen yang diukur dalam VLF adalah tilt angle α yaitu sudut utama polarisasi ellip dari horizontal (dalam derajat atau persen), dan eliptisitas Ɛ adalah perbandingan antara sumbu kecil terhadap sumbu besarnya (dalam persen). Tilt angle α dan eliptisitas Ɛ, berkaitan dengan komponen medan magnetik horizontal, vertikal dan fasanya Secara matematis dapat diperlihatkan bahwa tilt angle α mirip dengan bagian in phase (komponen real) dari komponen vertikal dan eliptisitas Ɛ mirip dengan bagian quadrature (komponen imaginer) dari komponen vertikal. Kedua parameter tersebut diukur dalam prosentase terhadap medan primer horizontal Harga rapat arus terhadap kedalaman dapat ditentukan dengan menggunakan filter dari Karous dan Hjelt (1983). Untuk dapat memperkirakan harga resistivitas dan fasanya, maka harus diketahui hubungan dari medan listrik E x dan medan magnetik H y dan resistivitas semu ρ a. Hubungan ini biasa dituliskan dalam bentuk dibawah ini : 51

52 Ekplorasi Elektromagnetik dimana: ρ a = Resistivitas semu µ = µ o = Permeabilitas magnetik di ruang hampa z = Frekuensi sudut = 4πf B. PARAMETER ELEKTROMAGNET VLF Adapun parameter elektromagnet VLF yang penting adalah : a. Pemancar Pemancar ini mulai dibangun sejak perang dunia I, digunakan untuk komunikasi jarak jauh karena kemampuannya untuk komunikasi gelombal dengan pelemahan yang sangat kecil pada gelombang bumi ionesfer. Penetrasinya cukup efektif hingga dapat menembus laut dalam. b. Pengaruh Atmosfer Sumber noise yang utama adalah radiasi medan elektromagnetik akibat kilat atmosfer baik di tempat dekat atau jauh dari lokasi pengukuran. Pada frekuensi VLF radiasi medan ini cukup dapat melemahkan sinyal yang dipancarkan oleh pemancar. Daerah yang cukup banyak badai tersebut adalah Amerika tengah dan Asia tenggara termasuk Indonesia. Noise kedua adalah variasi diurnal medan elektromagnetik bumi dimana terjadi pergerakan badai dari arah timur ke barat yang terjadi mulai siang hingga sore hampir malam. c. Rambatan Gelombang Elektromagnetik Pada elektromagnetik VLF dengan frekuensi <100 KHz, arus pergeseran akan lebih kecil dari arus konduksi karena permitivitas dieletrik batuan 52

53 Eksplorasi Very Low Frequency rata-rata cukup kecil dan konduktivitas target biasanya > 10-2 S/m. hal ini menunjukkan efek medan akibat arus konduksi memegang peranan penting ketika terjadi perumbahan konduktivitas batuan. d. Pelemahan (Atenuasi) Medan Pelemahan medan ini mempengaruhi kedalaman. Kedalaman pada saat amplitudo menjadi 1/e (kira-kira 37%) dikenal sebagai skin depth atau kedalaman kulit. Kedalaman ini dalam metode elektromagnetik disebut sebagai kedalaman penetrasi gelombang, yaitu: kedalaman = dimana ρ adalah resistivitas dalam ohm-meter, dan f adalah frekuensi. II. Peralatan metode VLF Peralatan yang digunakan daam pengambilan data metode VLF adalah sebagai berikut : a. Alat VLF-EM b. Aki charger 12 V 2,2 A c. GPS d. Kompas e. Peralatan pendukung lainnya. Peralatan utama yang diperlukaan adalan alat untuk menangkap sinyal VLF Elektromagnetik. Ada berbagai jenis alat untuk menangkap sinyal VLF- EM ini. Jenis yang sering digunakan dalam akuisisi adalah VLF-EM ENVI SCINTREX. 53

54 Ekplorasi Elektromagnetik Gambar 2.1. Alat Ukur VLF-EM - I Gambar 2.2. Alat Ukur VLF-EM II 54

55 Eksplorasi Very Low Frequency III. Akuisisi Data VLF Untuk memperoleh data VLF, yang pertama harus disiapkan adalah menyiapkan peralatan dan menentukan lokasi penelitian yang akan diambil data VLF-nya. Setelah itu proses akuisisi dilakukan sebagai berikut : Data lapangan diambil menggunakan T-VLF IRIS instrumen dan the- odolit atau GPS untuk menentukan titik ukur. Sumber gelombang EM frekuensi sangat rendah dari stasiun peman- car gelombang. Contohnya andalah VLF NWC Australia, dimana stasiun ini memiliki daya pancar yang mencakup hampir seluruh wilayah Indonesia. Lintasan survei harus memanjang dengan spasi untuk setiap stasiun. Lintasan yang dibuat diperkirakan memotong daerah anomali. Arah pengukuran harus tegak lurus dengan pemancar (Australia) atau menghadap kepemancar. Pengambilan data VLF menggunakan alat penangkap gelombang. Akuisisi data dari masing-masing titik pengukuran dilakukan da- lam dua posisi, duduk dan berdiri. Gambar 3.1. Contoh Desain Lintasan Survei 55

56 Ekplorasi Elektromagnetik Gambar 3.2. Foto Akuisisi Data VLF IV. Pengolahan Data dan Interpretasi Data VLF A. Pengolahan Data VLF Data yang telah terambil meliputi data elektromagnetik yang didapatkan dalam pengukuran. Data pengukuran tersebut merupakan superposisi antara sinyal yang berasal dari anomali dan gangguan (noise) dari struktur lokal yang tidak diharapkan. Pengolahan data dalam metode Very Low Frequency Elektromagnetic (VLF-EM) dapat digambarkan dengan diagram alir pada gambar 4.1. Terdapat empat jenis koreksi dalam pengolahan data VLF-EM, yaitu : 1. Koreksi Moving Average Filter Dengan asumsi gelombang yang diterima oleh VLF-EM adalah frekuensi rendah dan noise eksternal juga mempengaruhi pengukuran, maka filter moving average digunakan untuk menghilangkan noise frekuensi tinggi. Oleh karena itu, sinyal yang disaring benarbenar merupakan anomali bahan konduktif di bawah permukaan. 56

57 Eksplorasi Very Low Frequency Gambar 4.1. Diagram Alir Pengolahan Data VLF Gambar 4.2. Contoh hasil koreksi Moving Average Filter 57

58 Ekplorasi Elektromagnetik 2. Filter Fraser Dengan menggunakan filter ini, titik potong dari anomali menjadi optimal (mencapai puncaknya), maka hasil filter ini akan membuat proses analisis lebih mudah. Filter Fraser diaplikasikan untuk setiap lintasan dengan menempatkan lokasi pengukuran pada (x, y) dan anomali di (z), karena itu kontur dapat dibuat. Kontur menunjukkan anomali tersebar di suatu daerah. Gambar 4.3. Contoh hasil Filter Fraser Interpretasi menggunakan data sebelum filter Fraser akan sulit, karena kesulitan untuk menentukan titik perubahan yang tidak terfokus pada satu titik, selain itu, jika daerah tersebut memiliki banyak bahan konduktif, titik perubahan akan lebih sulit untuk ditentukan. Setelah dilakukan filter Fraser anomali menjadi lebih jelas. Namun untuk mendapatkan hasil interpretasi yang lebih baik dapat dibantu menggunakan data lain seperti (quadrature, titlt-angle, atau total-field). 58

59 Eksplorasi Very Low Frequency 3. Filter Karous-Hjelt Interpretasi kualitatif VLF-EM dapat dilakukan dengan menggunakan filter Karous- Hjelt. Penerapan hasil filter ini berupa distribusi kerapatan arus yang dapat memberi informasi mengenai daerah konduktif. Gambar 4.4. gambar Hasil Filter Kaorus-Hjelt 4. Tilt Angel Tilt angle α yaitu sudut utama polarisasi ellip dari horizontal (dalam derajat atau persen), dan eliptisitas Ɛ adalah perbandingan antara sumbu kecil terhadap sumbu besarnya (dalam persen). Tilt angle α dan eliptisitas Ɛ, berkaitan dengan komponen medan magnetik horizontal, vertikal dan fasanya Secara matematis dapat diperlihatkan bahwa tilt angle α mirip dengan bagian in phase (komponen real) dari komponen vertikal dan eliptisitas Ɛ mirip dengan bagian quadrature (komponen imaginer) dari komponen vertikal. B. Interpretasi Data VLF Setelah dilakukan pengolahan data hingga dilakukan berbagai filter-filter yang diperlukan makan hasil yang didapatkan berupa grafik frekuensi pengu- 59

60 Ekplorasi Elektromagnetik kuran atau dalam bentuk kontur/citra 2D untuk dapat dilakukan interpretasi setelah itu. Dalam melakukan interpretasi data VLF dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu : 1. Interpretasi dari Derivatif Fraser Interpretasi yang dilakukan dari hasil derivative koreksi Fraser Filter. 2. Interpretasi Perkiraan Langsung Interpretasi yang dapat dlakukan dengan memperkirakan langsung dari hasil pengukuran yang telah didapatkan. Interpretasi cara ini dapat dikatakan tidak akurat karena masih banyak noise yang belum dikoreksi pada data yang telah didapat. 3. Interpretasi dengan Filter Linier karous hjelt Interpretasi yang dilakukan dengan melihat hasil filter Linier karous hjelt. Hasil yang didapatkan lebih baik dari sebelumnya karena telah dilakukan beberapa kali pemfilteran. 4. Interpretasi terhadap data VLF dapat dilakukan dengan perangkat lunak Interpretasi yang dlakukan dengan perangkat lunak biasanya lebih mudah dan lebih akurat. V. Aplikasi Metode VLF Metode Very Low Frequency Elektromagnetic (VLF-EM) dapat diaplikasikan dalam berbagai kegunaan baik untuk terapan, keteknikan maupun untuk lingkungan. Beberapa kasus yang memanfaatkan metode VLF diantara adalah sebagai berikut. a. High Resolution Deteksi Reaktif Patahan Dangkal dengan Metode Geofisika, VLF-EM VLF-EM adalah salah satu metode geofisika yang digunakan untuk menentukan struktur bawah permukaan bumi. Patahan adalah 60

61 Eksplorasi Very Low Frequency proses pelapisan batuan bumi yang biasanya terisi dengan mineral atau rembesan dengan fluida konduktif yang menyebabkan perubahan konduktivitas. Patahan ini mempengaruhi perubahan parameter medan elektromagnetik. Penelitian ini menerapkan pengukuran variasi interval untuk memperoleh konduktivitas high resolution. Metode analisis Karous-Hjelt Filtering digunakan untuk menjelaskan respon metode VLF-EM tentang kondisi rekahan atau reaktif patahan yang muncul di desa Renokenongo, SIdoarjo. Hasilnya dapat diidentifikasi pola patahan yang mengindikasikan reaktif patahan yang sangat signifikan. (Puguh Hiskiawan, 2009) b. Pemetaan Sungai Bawah Permukaan di Wilayah Kars Seropan Gunungkidul Menggunakan Metoda Geofisika VLF-EM-vGRAD Telah dilakukan penelitian di daerah Seropan Semanu Gunungkidul yang bertujuan mendapatkan respon VLF-EM-vGrad akibat sungai bawah permukaan dari pemodelan. Melakukan interpretasi dari data VLF-EM-vGrad (in-phase, quadrature, tilt, dan total field) untuk pemetaan aliran sungai bawah permukaan di daerah kars Seropan Gunungkidul yang diinterpretasi secara kualitatif dan kuantitatif. Pengukuran dilakukan pada taggal bulan Agustus Pemrosesan data menggunakan bahasa komputasi MATLAB dan Inv2DVLF (Bahri, 2008). Hasil dari penelitian ini adalah nilai Fraser VLF-EM-vGrad akan bernilai positif untuk data : in-phase, total field, dan tilt-angle, dan akan bernilai negatif untuk data quadrature, sungai bawah permukaan Seropan, menyebar dari utara ke selatan dan terdiri dari beberapa sungai bawah permukaan dengan kedalaman berkisar meter. Data gradien in-phase dan tilt-angle dapat memetakan lokasi sungai bawah permukaan secara horisontal. Hasil inversi dari program 61

62 Ekplorasi Elektromagnetik inv2dvlf dapat digunakan untuk menentukan posisi sungai bawah permukaan secara kuantitatif. (Bahri, 2009) c. Penggunaan Metode Very Low Frequency (VLF) untuk Pemetaan Penyebaran Kontaminan di TPA Pasir Impun, Kota Bandung Dalam metoda Very Low Frequency (VLF), medan primer yang dipancarkan dengan frekuensi sangat rendah (15-30 khz) ketika mengenai benda konduktif akan membangkitkan medan sekunder, resultan dari medan primer dan medan sekunder ini yang diterima oleh alat VLF, dan besarnya resultan ini tergantung dari medan sekunder. Identifikasi adanya pencemaran di lokasi TPA ditandai tingginya harga Daya Hantar Listrik (DHL) dan Padatan Terlarut Total (TDS), dan rendahnya harga resistivitas semu. (Sumargana, 2010) 62

63 Eksplorasi Magnetotellurik 4 METODE Magnetotellurik I. Pendahuluan Survey geofisika dimaksudkan untuk memperoleh informasi mengenai distribusi parameter fisik bawah permukaan seperti kecepatan gelombang elastik, rapat massa, kemagnetan, kelistrikan dan lain-lain. Dalam survey geofisika menggunakan metoda elektromagnetik (EM) sifat fisik yang relevan adalah konduktivitas atau resistivitas (tahanan-jenis) batuan.beberapa studi menunjukkan adanya kaitan erat antara tahanan-jenis dengan porositas, kandungan fluida (air atau gas) dan temperatur formasi batuan. Pengaruh masing-masingfaktor tersebut terhadap tahanan-jenis formasi batuan sangat kompleks karena dapat salingtumpang-tindih (overlap). Metoda magnetotellurik (MT) merupakan salah satu metode eksplorasi geofisika yang memanfaatkan medan elektromagnetik alam. Medan EM tersebut ditimbulkan oleh berbagai proses fisik yang cukup kompleks sehingga spektrum frekuensinya sangat lebar (10-5 Hz 10 4 Hz). Kebergantungan fenomena listrik - magnet terhadap sifat kelistrikan terutama konduktivitas medium (bumi) dapat dimanfaatkan untuk keperluan eksplorasi menggunakan metoda MT. Hal ini dilakukan dengan mengukur secara simultan variasi medan listrik (E) dan medan magnet (H) sebagai fungsi waktu. Informasi mengenai konduktivitas medium yang terkandung dalam data MT dapat diperoleh dari penyelesaian persamaan Maxwell mengguna- 63

64 Ekplorasi Elektromagnetik kan model-model yang relatif sederhana. Pada dekade 50-an untuk pertama kali hal tersebut dilakukan dan dibahas secara terpisah oleh Tikhonov (1950), Rikitake (1946), Price (1950), Kato dan Kikuchi (1950), Cagniard (1953) dan Wait (1954) yang kemudian menjadi dasar metoda MT. Dengan demikian metoda ini masih relatif baru jika dibandingkan dengan metoda geofisika lainnya. A. Sumber Medan Audio Magnetotelurik Gelombang elektromagnetik alam menyebar dalam arah vertikal di bumi karena perbedaan resistivitas antara udara dan bumi yang cukup besar. Sumber medan EM pada frekuensi yang cukup rendah (<1 Hz) berasal dari interaksi antara partikel yang dikeluarkan oleh matahari (solar plasma) dengan medan magnet bumi dan medan EM pada frekuensi tinggi (>1 Hz) berasal dari aktivitas kilat (Garcia dan Jones, 2002). Pada permukaan matahari (korona) selalu terjadi letupan plasma yang sebagian besar partikel yang dikeluarkannya adalah partikel hidrogen. Proses ionisasi di permukaan matahari menyebabkan hidrogen berubah menjadi plasma yang mengandung proton dan elektron. Plasma ini memiliki kecepatan relative rendah bersifat acak dan berubah terhadap waktu yang dikenal sebagai angin matahari (solar wind). Apabila angin matahari berdekatan dengan medan magnet bumi, maka muatan positif dan muatan negatif yang terdapat dalam plasma akan terpisah dengan arah yang berlawanan, sehingga menimbulkan arus listrik dan medan EM. Medan tersebut bersifat melawan medan magnet bumi yang mengakibatkan medan magnet di tempat tersebut berkurang secara tajam sehingga membentuk batas medan magnet bumi di atmosfer yang disebut lapisan magnetopause yang merupakan batas terluar dari atmosfer bumi. Medan EM yang dibawa oleh angin matahari akan terus menjalar sampai ke lapisan ionosfer dan kemudian terjadi interaksi dengan lapisan ionosfer. 64

65 Eksplorasi Magnetotellurik Interaksi tersebut menyebabkan terjadinya gelombang EM yang mengalir di lapisan ionosfer tersebut. Gelombang EM tersebut kemudian menjalar sampai ke permukaan bumi dengan sifat berfluktuasi terhadap waktu. Apabila medan EM tersebut menembus permukaan bumi, maka akan berinteraksi dengan materialbumi yang dapat bersifat sebagai konduktor. Akibatnya akan timbul arus induksi seperti pada fenomena Biot-Savart. Arus induksi ini akan menginduksi kepermukaan bumi sehingga terjadi arus eddy yang dikenal sebagai arus tellurik.arus tellurik inilah yang akan menjadi sumber medan listrik dipermukaan bumiyang akan digunakan pada metode MT. Skema terjadinya gelombang elektromagnetik frekuensi rendah terlihat pada gambar berikut ini. Gambar 1.1 Struktur Medan Magnet Bumi Sumber medan EM frekuensi tinggi (>1 Hz) berasal dari aktivitas meteorologis berupa kilat. Kilat terjadi karena perbedaan potensial antara awan yang satu dengan awan yang lainnya atau antara awan dengan bumi. Proses terjadinya muatan pada awan disebabkan oleh pergerakan awan yang terus 65

66 Ekplorasi Elektromagnetik menerus dan teratur. Selama pergerakannya awan akan berinteraksi dengan awan yang lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi awan (atas atau bawah) sedangkan muatan positif akan berkumpul pada salah satu sisi lainnya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif dari awan ke bumi atau sebaliknyauntuk mencapai kesetimbangan. Kilat yang terjadi di suatu tempat akan menimbulkan gelombang EM yang terperangkap diantara lapisan ionosfer dan bumi (wave guide) dan kemudian menjalar mengitari bumi. Gambar 1.2 Proses Terjadinya Kilat B. Persamaan Maxwell Persamaan Maxwell merupakan sintesa hasil-hasil eksperimen (empiris) mengenai fenomena listrik - magnet yang didapatkan oleh Faraday, Ampere, Gauss, Coulomb disamping yang dilakukan oleh Maxwell sendiri. Penggunaan persamaan tersebut dalam metoda MT telah banyak diuraikan dalam buku-buku pengantar geofisika khususnya yang membahas metode EM (Keller & Frischknecht, 1966 ; Porstendorfer, 1975 ; Rokityansky, 1982 ; Kauffman 66

67 Eksplorasi Magnetotellurik & Keller, 1981 ; 1985). Dalam bentuk diferensial, persamaan Maxwell dalam domain frekuensi dapat dituliskansebagai berikut, dimana E : medan listrik (Volt/m) B : fluks atau induksi magnetik (We ber/m2 atau Tesla) H : medan magnet (Ampere/m) j : rapat arus (Ampere/m2) D : perpindahan listrik (Coulomb/m2) q : rapat muatan listrik (Coulomb/m3) Hubungan antara intensitas medan dengan fluks yang terjadi pada medium dinyatakan oleh persamaan berikut, dimana µ : permeabilitas magnetik (Henry/m) ε : permitivitas listrik (Farad/m) σ : konduktivitas (Ohm-1/m atau Siemens/m) ρ : tahanan-jenis (Ohm.m) Untuk menyederhanakan masalah, sifat fisik medium diasumsikan tidak bervariasi terhadap waktu dan posisi (homogen isotropik). Pada kondisi yang umum dijumpai dalam eksplorasi geofisika (frekuensi lebih rendah dari 104 Hz, medium bumi) suku yang mengandung ε (perpindahan listrik) dapat diabaikan terhadap suku yang mengandung σ (konduksi listrik) karena 67

68 Ekplorasi Elektromagnetik harga ωµσ >> ω 2 µε untuk µ = µ 0 = 4π H/m. Pendekatan tersebut adalah aproksimasi keadaan kuasi-stasioner dimana waktu tempuh gelombang diabaikan. Eliminasi kebergantungan medan terhadap waktu seperti dilakukan untuk menyederhanakan persamaan, selain itu juga untuk lebih mengeksplisitkan aproksimasi keadaan kuasi-stasioner tersebut. Dengan demikian, didapatkan persamaan difusi, 2 E = k 2 E 2 H = k 2 H dimana k = ± (iω µ 0 σ) adalah bilangan gelombang. C. Impedansi Bumi a. Impedansi Bumi Homogen Gelombang elektromagnetik yang merambat ke permukaan bumi diasumsikan bahwa permukaan bumi hanya mengabsorpsi gelombang elektromagnetik tersebut. Perambatan gelombang elektromagnetik di bawah permukaan bumi dapat diketahui dengan suatu model medium. Model bumi yang paling sederhana adalah medium homogen setengah ruang (half-space) dimana diskontinyuitas resistivitas hanya terdapat pada batas udara dengan bumi. Pada medium homogen tidak ada variasi lateral medan listrik dan medan magnet serta gelombang EM dianggap sebagai gelombang bidang (plane wave) yang merambat secara vertikal. Sehingga dalam hal ini, setiap komponen horisontal medan listrik dan medan magnet hanya bervariasi terhadap kedalaman. Impedansi yang didefinisikan sebagai perbandingan antara komponen medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus dapat diperoleh dari persamaan, 68

69 Eksplorasi Magnetotellurik Berdasarkan persamaan tersebut, impedansi bumi homogen adalah suatu bilanganskalar kompleks yang merupakan fungsi tahanan-jenis medium dan frekuensi gelombang EM.Impedansi yang diperoleh dari dua pasangan komponen medan listrik dan medan magnet yang berbeda berharga sama mengingat simetri radial medium homogen. Untuk selanjutnya impedansi bumi homogen disebut impedansi intrinsik (ZI = Zxy = - Zyx). b. Impedansi Bumi Berlapis Horisontal Pada umumnya bumi dianggap terdiri dari lapisan horisontal dengan tiaplapisannya memiliki resistivitas yang berbeda (Gambar 2.3.). Dalam hal ini, parameter model adalah resistivitas dan ketebalan tiap lapisan, dengan lapisan terakhir berupa medium homogen. Perhitungan impedansi untuk medium berlapis sejajar diperoleh melalui rumus rekursif yang menghubungkan impedansi di permukaan dua lapisan yang berurutan. Impedansi lapisan ke-j dinyatakan oleh persamaan: Impedansi bumi berlapis horisontal dapat dianggap sebagai impedansi medium homogen dengan tahanan-jenis ekuivalen atau tahanan-jenis semu sehingga berdasarkan analogi, impedansi tersebut dapat dinyatakan sebagai tahanan-jenis dan fasa, Dalam praktek, kurva sounding yang menyatakan variasi tahanan-jenis 69

70 Ekplorasi Elektromagnetik medium sebagaifungsi kedalaman adalah kurva tahanan-jenis semu dan fasa sebagai fungsi periode. Gambar 1.3. Model Lapisan Bumi dengan n Lapisan Horisontal D. Tensor Impedansi Dalam pengukuran yang dilakukan pada metode MT, sensor yang diletakan berupa dua buah coil yang saling tegak lurus untuk mengukur medan magnet dan dua pasang porouspot yang saling tegak lurus untuk mengukur medan lisrik. Data MT berupa deret waktu (time series) komponen horizontal medan elektromagnetik (Ex, Ey, Hx, Hy) yang diukur pada permukaan bumi. Sinyal yang terekam mempunyai rentang frekuensi yang sangat lebar, yang berisi informasi mengenai variasi medan listrik dan magnetik terhadap waktu. Tujuan dari pengolahan data MT yaitu untuk mendapatkan fungsi transfer MT yang dinyatakan oleh tensor impedansi. Tensor impedansi merupakan hubungan antara medan listrik dan medan magnet dalam domain frekuensi. Dengan asumsi bahwa gelombang bidang (plane wave) merambat tegak lurus ke per- 70

71 Eksplorasi Magnetotellurik mukaan bumi dan ditangkap oleh sensor, maka persamaan tensor impedansi (Z) dinyatakan dengan : Atau jika dinyatakan dalam bentuk matriks: (Berdichevsky dan Dmitriev, 2008) Data pengukuran medan listrik dan magnetik selalu mengandung noise. Oleh karena itu, komponen medan listrik dan magnetik hasil pengukuran dapat dituliskan sebagai penjumlahan antara medan alami dan noise. Noise dapat dihilangkan dengan menerapkan metode remote reference. Metode ini melibatkan satu titik pengukuran tambahan yang letaknya relatif jauhdari titik pengukuran utama. Sensor yang digunakan pada titik ini hanya sensor magnetik. Metode ini didasarkan pada karakter medanmagnetik yang secara spasial tidak terlalu banyak bervariasi. Oleh karena itukarakter atau sinyal medan magnetik di titik pengukuran dan di titik referensirelatif identik, namun memiliki noise yang berbeda. Selain dengan metode ini penghilangan noise dapat dilakukan dengan analisis statistik robust processing yaitu teknik yang digunakan dengan mendeteksipencilan luar (outliers), data yang memiliki nilai yang jauh berbeda dengan datakeseluruhan, secara iteratif diberikan pembobotan yang lebih kecil. 71