SURVEY GAYABERAT MIKRO 4D UNTUK MONITORING DINAMIKA AIR TANAH

SURVEY GAYABERAT MIKRO 4D UNTUK MONITORING DINAMIKA AIR TANAH Muh Sarkowi Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145 E-mail: sarkov33@yahoo.com Diterima 1 September 005. perbaikan 15 November 005, disetujui untuk diterbitkan 1 November 005 ABSTRACT Microgravity is a geophysical method that measures changes in the orce o the earth s gravity. With modern equipment and careul ield procedures it is now possible to measure gravity changes as small as 1 part in 1,000,000,000 (1 µgal l). Changes in gravity measured at the earths surace relect the underlying geological structure, hence the accurate determination o gravity leads to an understanding o the ground beneath.. The microgravity change due to luid movement in the subsurace is very small, thereore special equipments and strategy surveys are required. Simulations o response microgravity anomaly must be done in order to know the time interval period o measurement and speciication o gravitymeter which must be used. Gravitymeter: Graviton-EG Meter, Scitrex-CG5 and o Lacoste&Romberg type o G and type o D with Alliod 100 system are very good to be used or the survey o microgravity. In every period, sequence measurement o microgravity must be ixed, since every station gravity at one looping can get similar to drit correction. Corrections o tide gravity observations and theory give dierent result o amplitude or period, the tide correction must be observed. KeyWords: Monitoring Stategy, Fluid Dynamic, Reservoir, Microgravity 1. PENDAHULUAN Metode gayaberat mikro 4D merupakan pengembangan dari metode gravitasi dengan dimensi keempatnya adalah waktu. Ciri dari gayaberat mikro 4D adalah pengukuran gayaberat mikro secara berulang yang teliti dalam orde µgall, dan pengukuran tinggi yang teliti dalam orde mm. Metode gayaberat mikro 4D telah diterapkan pada berbagai bidang seperti : monitoring reservoir panas bumi 1, pemantauan injeksi air pada reservoir gas, pemantauan amblesan tanah 3, pemantauan magma dan prediksi letusan 4. Anomali gayaberat mikro antar waktu menunjukkan dinamika luida yang terjadi pada saat pengukuran. Dinamika luida bawah permukaan memiliki respon gayaberat mikro 4D yang kecil, sehingga harus dilakukan perencanaan survey yang cukup baik sebelum melakukan monitoring. Perencanaan ini meliputi : mengetahui respon gayaberat mikro 4D, spesiikasi gravimeter yang digunakan, jarak antar titik pengukuran dan strategi pengambilan data yang baik. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai perencanaan dan pelaksanaan survey gayaberat mikro 4D dengan harapan survey yang dilakukan memberikan hasil yang baik. 1.1. Anomali Gayaberat Mikro 4D Eek gaya berat untuk benda 3 dimensi dengan ρ = α, β, γ di titik P(x,y,z) distribusi rapat massa ( ) pada permukaan dalam selang waktu tertentu ( t) diberikan oleh Kadir 5 : ρ ( α, β, γ, t)( z γ ) (1) g ( x, y, z, t) = dαd β dγ 3 0 ( x α ) + ( y β ) + ( z γ ) Anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan selisih antara gayaberat mikro pada periode t dan t. g ( x, y, z, t) = g( x, y, z, t' ) g( x, y, z, t) () Anomali ini berhubungan langsung dengan adanya perubahan rapat massa akibat perubahan material yang mengisi volume pori pada selang waktu tersebut. Perubahan rapat massa diberikan oleh Persamaan 3-7 5 : ρ = 1 φ ρ m + φρ (3) ( ) ( 1 φ ) ρm + φ( S ρ + ( S ) ρ g ) ρ' ρ = φ ( ρ ρ )( S 1) ρ' = 1 (4) ρ = (5) ( ρg )( 1) g g = Kφ ρ S (6) 005 FMIPA Universitas Lampung 187

Muh Sarkowi Survey Gayaberat Mikro 4D V g = Kφ ( ρ ρg ) 1 (7) V p dengan ρ, ρ, ρ m, ρ, ρ g, φ, S, V, V p, g masing-masing adalah rapat massa awal, rapat massa akhir, rapat massa material matrik, rapat massa luida, rapat massa gas, porositas total, saturasi, volume luida, volume pori total, dan anomali gayaberat mikro antar waktu. 1.. Perubahan Gayaberat Akibat Dinamika Bawah Permukaan Dinamika luida yang terjadi di bawah permukaan bumi disebabkan oleh adanya aktor alamiah maupun aktor buatan manusia. Dinamika luida ini akan menyebabkan terjadinya perubahan gayaberat di permukaan bumi. 1..1. Perubahan Gayaberat akibat Amblesan Tanah Amblesan tanah menyebabkan perubahan jarak titik tersebut terhadap pusat bumi. Anomali gayaberat mikro akibat subsidence dapat diturunkan dari persamaan gayaberat normal: ( ϕ ) = 97803.7( 1 + 0.005304 sin ϕ 0.0000058 sin ϕ ) gϕ = gϕ + h h g (8) g h ϕ, (9) gϕ gϕ = ( 1+ + m sin ϕ ) h a (10) ϕ = 0.308765 miligall/meter h ϕ = 7.5 0 (11) 1... Perubahan Gayaberat oleh Eek Hidrologi Dinamika air tanah di bawah permukaan dapat disebabkan oleh : musim, curah hujan, dan pengambilan oleh manusia. Perubahan nilai gayaberat akibat adanya perubahan kedalaman muka air tanah dapat diturunkan dengan menggunakan pendekatan koreksi Bouguer sederhana dengan memasukkan variabel porositas (Gambar 1).. METODE PENELITIAN Kegiatan yang dilakukan pada penelitian ini meliputi: a. Simulasi untuk mengetahui nilai respon anomali gayaberat mikro yang terjadi akibat dinamika luida bawah permukaan b. Pemilihan gravimeter yang digunakan untuk monitoring c. Strategi pengambilan data gayaberat mikro untuk monitoring d. Pengolahan data anomali gayaberat mikro.1. PENGOLAHAN DATA DAN HASIL.1.1. Simulasi untuk mengetahui respon anomali gayaberat mikro akibat dinamika luida bawah permukaan Dinamika luida bawah permukaan baik yang diakibatkan oleh pengambilan air, minyak maupun uap pada reservoir dapat dihitung respon gayaberatnya dengan menggunakan pendekatan model benda berbentuk kubus (Persamaan 1) 7 : Gambar 1. Hubungan penurunan muka air tanah dengan respon anomali gayaberat mikro. Dengan asumsi porositas batuan 30% maka setiap terjadi penurunan air 1 m akan terjadi perubahan nilai gravitasi sebesar 1,579 µgal. xi y i g = G ρ µ ijk zk arctan xi log ( Rijk + yi ) yi log ( Rijk + x (1) i ) i= 1 j= 1 k = 1 zk Rijk dengan : R x y z = + + µ = ( 1) ( 1) ( 1) ijk i j k ijk i j k 188 005 FMIPA Universitas Lampung

Gambar.a. Model kedalaman air tanah t=0 Gambar.b. Respon gayaberat akibat model air tanah pada t=0 Gambar.a. Model kedalaman air tanah t=1 Gambar.b. Respon gayaberat akibat model air tanah pada t=1 Gambar 3.a. Dinamika Muka Air Tanah Gambar 3.b. Anomali Gayaberat mikro 4D Tabel 1. Jenis gravimeter dan resolusinya Jenis Gravimeter Gravitymeter L&R G with Alliod 100 system Graviton-EG meter Gravitymeter Scintrex CG5 Autograv Gravitymeter Perhitungan respon gayaberat akibat dinamika luida bawah permukaan dilakukan dengan bantuan Program Mathlab. 1 µgall Resolution 0.1 and 1 µgall 1 µgall Simulasi dilakukan dengan membuat model reservoir air tanah dengan kedalaman muka air tanah yang bervariasi tergantung dari musim dan laju pengambilan air tanah di daerah tersebut. 005 FMIPA Universitas Lampung 189

Muh Sarkowi Survey Gayaberat Mikro 4D Respon anomali gayaberat mikro oleh dinamika air tanah pada t = 0 dan t =1 diberikan pada Gambar dan Gambar 3.Anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan selisih anomali gayaberat pada t =1 dan t =, Gambar 4. Hasil simulasi menunjukkan bahwa anomali gayaberat mikro antar waktu mencapai -4 µgall yang disebabkan oleh dinamika air tanah sedalam meter. Respon sebesar ini dapat diamati dengan gravimeter yang ada sekarang..1.. Pemilihan Gravimeter Gravimeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur nilai gayaberat relati di permukaan bumi. Gravimeter yang digunakan dalam survey gayaberat mikro 4D minimal (dua) buah, 1 (satu) untuk pengukuran pasang surut gayaberat dan 1(satu) untuk pengukuran gayaberat di lapangan. Jenis gravimeter beserta resolusinya ditunjukkan pada Tabel 1... Strategi Survey Gayaberat untuk Monitoring..1. Distribusi Titik ukur Gayaberat Distribusi titik ukur gayaberat pada survey gayaberat mikro untuk monitoring diusahakan dalam bentuk grid dengan interval tertentu. Interval titik ukur pada daerah target adalah 0.1xh dan 0.xh untuk area di luar target dengan h adalah kedalaman. Panjang dan lebar area pengukuran adalah panjang dan lebar daerah target ditambah dengan kedalaman.... Pengambilan Data Gayaberat Pengukuran gayaberat dilapangan dilakukan dengan metode looping, yaitu pengukuran dimulai dan diakhiri di titik yang sama yaitu di titik ikat. Pada tiap periode pengukuran unrutan pengambilan diusahakan Tabel. Pengukuran gayaberat mikro di Semarang Juni No Stasiun Alliod Tide Drit Grav.Obs Grav.Loc 1 - Base 0 0.037 0.000-0.037 0.000 - KAY16-0.74 0.07 0.001-0.768-0.731 3 - TTG446 19.9 0.004 0.004 19.8 19.319 4 Poncol 19.46 0.015 0.006 19.469 19.506 5 Pajak 19.55 0.031 0.009 19.57 19.609 6 GL01 19.19 0.043 0.010 19. 19.59 7 Base -0.08 0.057 0.014-0.037 0.000 Tabel 3. Pengukuran gayaberat mikro di Semarang Dec No Stasiun Alliod Tide Drit Grav.Obs Grav.Loc 1 Base 0 0.04 0.000 0.04 0.000 KAY16-0.77 0.04 0.001-0.747-0.771 3 TTG446 19.9 0.04 0.003 19.311 19.87 4 Poncol 19.44 0.04 0.006 19.458 19.434 5 Pajak 19.54 0.04 0.007 19.557 19.533 6 GL01 19.19 0.04 0.008 19.06 19.18 7 Base 0.01 0.05 0.011 0.04 0.000 Gambar 4. Koreksi pasang surut gayaberat hasil pengukuran gravimeter L&R G508 dan perhitungan menggunakan persamaan Longman di Semarang 9 May 190 005 FMIPA Universitas Lampung

berurutan dengan looping yang sama untuk tiap periode pengukuran. Metode ini bertujuan agar masing-masing titik gayaberat mendapatkan koreksi drit yang relative sama sesuai dengan urutan titik pengukuran, titik gayaberat di awal looping akan mendapatkan koreksi drit yang kecil dan titik gayaberat di akhir looping akan mendapatkan koreksi drit yang besar. Titik ikat harus dicari pada daerah yang mudah dijangkau, stabil dan tidak terjadi dinamika luida di bawahya. Contoh urutan pengukuran gayaberat di daerah Semarang yang dilakukan pada Juni dan Desember ditunjukkan pada Tabel dan Tabel 3...3. Pengukuran Koreksi Pasang Surut Gayaberat Koreksi pasang surut gayaberat sangat penting, karena respon anomali gayaberat mikro antar waktu pada umumnya lebih kecil dibandingkan koreksi pasang surut. Pasang surut gayaberat selalu berubah-ubah dipengaruhi oleh posisi bulan dan matahari terhadap bumi. Koreksi pasang surut gayaberat dapat ditentukan dengan dua cara: menghitung perubahan gayaberat karena perubahan posisi bulan dan matahari terhadap bumi[8] dan dengan melakukan pengukuran gayaberat secara langsung dan kontinyu menggunakan gravimeter yang mampu membaca dan menyimpan hasil pengukuran secara otomatis. Pada penelitian ini telah dilakukan pengamatan pasang surut gayaberat dengan menggunakan gravimeter Lacoste & Romber G508 yang telah dilengkapi eedback aktor di daerah Semarang 9 Mei dan nilainya dibandingkan dengan perhitungan teoritik, Gambar 4. Nilai koreksi pasang surut gayaberat pengukuran langsung dan teoritik memberikan hasil yang berbeda, sehingga untuk survey gayaberat mikro koreksi pasang surut gayaberat lebih baik diukur secara langsung. Tabel 4. 4D Microgravity daerah Semarang 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Anomali Gayaberat Mikro 4D Anomali gayaberat mikro tiap periode pengukuran diperoleh dengan melakukan koreksi data pengukuran dengan koreksi pasang surut gayaberat dan drit untuk tiap looping pengukuran, sedangkan anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan selisih antara anomali gayaberat mikro periode akhir dengan awal, Tabel 4. Anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan gabungan dari beberapa sumber anomali yang harus di inditiikasi secara baik sebelum melakukan interpretasi. Sumber anomali tersebut meliputi : perbedaan musim pengukuran, curah hujan, subsidence, permukaan air tanah, dinamika luida yang akan diamati. Berbagai sumber anomali harus di identiikasi dan dikoreksikan. 3. Pengolahan Data Gayaberat Mikro 4D dan Interpretasi Anomali gayaberat mikro antar waktu mencerminkan perubahan densitas pada reservoir akibat perubahan luida yang mengisi reservoir tersebut. Teknik inversi merupakan salah satu teknik yang dapat digunakan untuk mendapatkan distribusi densitas bawah permukaan sesuai dengan kedalaman yang telah ditentukan. Contoh hasil interpretasi anomali gayaberat mikro- 4D periode Juni s.d. September 00 di daerah Semarang menggunakan program inversi Geomodel, menunjukkan bahwa telah terjadi pengurangan air tanah (pengambilan air tanah yang cukup besar) di daerah Jalan Pemuda (sekitar Tugu Muda) dengan kedalaman pengambilan air sekitar 40-50 meter, daerah Pengapon dengan kedalaman pengambilan air 50-60 meter, dan di daerah lingkungan industri Kaligawe dengan kedalaman lebih dari 70 meter menjadi lebih besar dan bertambah luas, Gambar 5. No Stasiun Grav.Lokal Juni Grav.Lokal Desember 4D Microgravity (Dec - June'03) 1 Base 0 0 0 KAY16-0.731-0.771-0.04 3 TTG446 19.319 19.87-0.03 4 Poncol 19.506 19.434-0.07 5 Pajak 19.609 19.533-0.076 6 GL01 19.59 19.18-0.077 7 Base 0 0 0 005 FMIPA Universitas Lampung 191

Muh Sarkowi Survey Gayaberat Mikro 4D Gambar 5. Model Pengurangan Air Tanah Diturunkan dari Anomali Gayaberat Mikro-4D Penampang Barat Timur Periode Juni - September 00 Survey gayaberat mikro untuk tujuan monitoring harus dilakukan secara baik dan teliti karena respon anomali akibat dinamika bawah permukaan pada umumnya sangat kecil ( < 50 µgall. Faktoraktor yang mempengaruhi nilai gayaberat seperti: curah hujan, muka air tanah, kondisi titik ukur dan tinggi harus diperhatikan, dicatat, dan dihitung secara teliti. Kontrol terhadap data harus dilakukan agar anomali yang diperoleh benar berasal dari target yang akan dicari. Dari hasil simulasi dan pembahasan di atas beberapa langkah yang harus dilakukan dalam melakukan survey gayaberat mikro antar waktu adalah : 1. Melakukan simulasi respon anomali gayaberat mikro-4d dari luida yang akan di monitor untuk mengetahui besarnya respon yang akan diukur. Berdasarkan respon tersebut maka dapat ditentukan interval waktu pengukuran minimum yang dapat dilakukan dan gravitymeter yang digunakan digunakan.. Distribusi titik sebaiknya dibuat dalam bentuk grid dengan interval grid disesuaikan pada kecepatan dinamika luida. Pengambilan data gayaberat mikro harus dilakukan secara berurutan untuk tiap periode. 3. Koreksi pasang surut gayaberat harus diukur secara langsung. 4. Interpretasi anomali gayaberat mikro 4D untuk mengetahui dinamika luida bawah permukaan dapat dilakukan dengan metode inversi. Studi kasus untuk daerah Semarang menunjukkan bahwa pengurangan air tanah pada reservoir air dapat diturunkan dari anomali gayaberat mikro 4D. 4. KESIMPULAN Anomali gayaberat mikro antar waktu yang disebabkan oleh dinamika luida di reservoir memiliki respon yang kecil. Monitoring dinamika luida di bawah permukaan ataupun di reservoir dengan metode gayaberat mikro 4D dibutuhkan perencanaan, pemilihan alat dan strategi survey yang baik. Strategi survey gayaberat mikro yang baik untuk monitoring dinamika luida bawah permukaan meliputi : 1. Prediksi magnitude respon anomali gayaberat mikro antar waktu dari simulai. Interval titik gayaberat disesuaikan dengan kedalaman reservoir dan kecepatan gerak luida. Interval titik gayaberat 1 d = h, dimana 10 : d, h masing masing adalah grid spacing dan kedalaman. 3. Luas area survey disesuaikan dengan luas reservoir yang akan dimonitor ditambah dengan eek tepi sebesar kedalaman reservoir 4. Koreksi pasang surut gayaberat harus diukur secara langsung 5. Anomali gayaberat mikro antar waktu untuk menentukan pergerakan luida dapat 19 005 FMIPA Universitas Lampung

menggunakan teknik inversi, korelasi dan konvolusi. DAFTAR PUSTAKA 1. Allis, R.G, Hunt, T.M. 1986. Analisis o Exploration-induced gravity changes at Wairakei geothermal Field, Geophysics 51, p. 1647-1660. Hare, J.L, Ferguson, J.F, Aiken, C.L.V, and Brady, J.L. 1999. The 4-D microgravity method or waterlood surveillance: A model study or the Prudhoe Bay reservoir, Alaska. Geophysics, Vol. 64 No. 1 (January-February 1999) 3. Styles, P.. The use o time lapse microgrvity to investigate and monitoring an area undergoing surace subsidence; a case study. Unpublished. 4. Rymer, H and Jones, G.W. 000. Volcanic eruption predicture : magma chamber physics rom gravity and deormation measurements. Geophysical Research Letter, Vol. 7 No. 16. 5. Kadir, W.G.A., 1999. The 4-D gravity survey and its subsurace dynamics: a theoretical approach, Proceeding o Indonesian Geophysical Society Annual Meeting 6. Schon, J.H. 1996. Seismic exploration, Physical properties o rocks; Fundamental theory and principels o petrophysics, Permagnon 7. Plou, D. 1976. Gravity and magnetic ields o polygonal prism and application to magnetic terrain correction, Geophysics, 41, 77. 8. Longman, I.M. 1959. Formula or computing the tidal acceleration due to the moon and the sun. J. Geophys. Res. 64. 351-355 005 FMIPA Universitas Lampung 193