BAB III METODE PENGAMBILAN DAN PENGOLAHAN DATA SEISMOELEKTRIK 3.1 Metode Pengambilan Data Ada beberapa konfigurasi pengukuran yang digunakan dalam pengambilan data seismoelektrik di lapangan. Konfigurasi pengukuran ini melibatkan posisi antena dipol (channel), geofon, dan sumber seismik yang dalam pengukuran kali ini menggunakan palu. Dari referensi pengukuran seismoelektrik di antaranya yang dilakukan oleh Mikhailov (1997) menggunakan konfigurasi yang memasang antena dipol dengan jarak 0,6 meter dari shot point dan jarak antar elektroda sebesar 1,2 meter. Adapun Butler et. al. (1996) menggunakan konfigurasi berbeda dengan memasang antena dipol berjarak 2 meter dari shot point dan jarak antar-elektroda sebesar 2 meter. Adanya perbedaan konfigurasi pengukuran dalam pengambilan data seismoelektrik dikarenakan beberapa hal seperti luasnya cakupan daerah yang akan diobservasi (covering area). Salah satunya terlihat dalam penetapan spasi antena dipol yang berbeda. Menurut Pride, pemasangan antena dipol yang ditempatkan berjarak antara 1 meter akan merepresentasikan volume rata-rata V A sebesar 0,125 m 3 yang meminimalisasi interferensi noise dari daerah sekitar pengambilan data yang semakin besar dengan bertambahnya volume rata-rata. Namun, dalam pengambilan data kali ini menggunakan jarak antar-antena dipol sebesar 1,5 meter dengan tujuan mendapatkan cakupan daerah observasi yang cukup luas tanpa interferensi noise yang besar (lihat gambar 3.1). Dengan cakupan daerah sebesar ini kita dapat melihat ke-kontinuitas-an bidang batas bawah tanah. Perlu dicatat bahwa perbedaan konfigurasi pengukuran ini tidak mempengaruhi hasil akhir data seismoelektrik. Agar rekaman seismoelektrik dan rekaman seismik merepresentasikan titik ukur yang sama maka antena dipol dan geofon 34
ditempatkan berdekatan (jarak antara geofon dengan antena dipol maksimal 10 cm) dengan posisi geofon terletak di tengah-tengah antena dipol. Gbr. 3.1 Konfigurasi sumber-penerima pada pengukuran seismoelektrik Dalam pengukuran ini tidak menggunakan remote antennas yang sejajar maupun tegak lurus terhadap lintasan pengukuran karena hanya memakai sepasang elektroda (single channel). Proses pengukuran sendiri dilakukan sebanyak 9 kali secara bergantian dengan menggeser posisi antena dipol dan geofon. Pengukuran pertama dimulai pada posisi instrumen pengukuran seperti yang terlihat pada gambar 3.1. Setelah pengukuran pertama maka elektroda A dan B digeser ke kanan sejauh 1,5 meter. Demikian juga geofon digeser 1,5 meter ke kanan dan diletakkan di antara kedua elektroda yang telah digeser tersebut. Namun, sumber seismik tetap pada posisinya. Adapun mekanisme perekaman sinyal seismoelektrik adalah sebagai berikut: selama melakukan pengukuran, antena dipol merekam respon elektromagnetik sedangkan geofon merekam respon getaran seismik. Respon elektromagnetik yang terekam belum teridentifikasi sebagai sinyal seismoelektrik sedangkan respon seismik yang terekam nantinya digunakan sebagai pembanding terhadap sinyal seismoelektrik. 35
3.2 Metode Pengolahan Data 3.2.1 Noise harmonik dan non-harmonik Secara sederhana, prosedur pengolahan data pada survei seismoelektrik adalah bagaimana mereduksi noise-noise yang berpotensial muncul selama proses pengambilan data lapangan. Secara umum dikenal 2 jenis noise yang muncul dalam survei seismoelektrik: noise harmonik dan noise non-harmonik. A. Noise harmonik Noise harmonik adalah noise yang diakibatkan oleh medan listrik dan medan magnet yang muncul dari saluran-saluran listrik. Saluran-saluran listrik atau powerline merupakan instrumen yang digunakan dalam pengambilan data lapangan sebagai medium penghantar arus listrik DC. Ketika arus listrik melewati saluran-saluran ini maka medan listrik dan medan magnet akan dibangkitkan di sepanjang saluran sehingga akan terekam di receiver. Berbagai pendekatan telah dikembangkan dalam mengurangi noise harmonik selama pengambilan data. Dalam survei seismoelektrik, antena yang diletakkan jauh (remote reference antenna) dan konfigurasi khusus dari elektroda-elektroda adalah cara yang masih digunakan sampai sekarang untuk menekan noise dan juga sinyal-sinyal lain yang tidak dikehendaki yang berasal dari dalam bumi (Thompson, 1936; Spies, 1991; Halverson et. al., 1989; Butler et. al., 1999). Pendekatan yang lain yang digunakan dalam pengolahan data (data processing) adalah membuang noise harmonik dengan pengurangan taksiran (perkiraan kasar) noise. Taksiran ini terukur dan terskalakan atau 36
mungkin juga terfilter secara digital supaya dapat meningkatkan kecocokan dengan noise yang masih bercampur dengan trace data. Spies (1988) menunjukkan bahwa noise harmonik yang muncul dalam komponen vertikal dari data transien elektromagnetik dapat diprediksi dan dibuang berdasarkan pada noise yang terekam oleh kedua komponen horizontal. Pada eksperimen yang dilakukan oleh Thompson dan Gist (1993), Butler et. al. (1996), dan Mikhailov et. al. (1997) semuanya menggunakan rekaman-rekaman dari konfigurasi elektroda atau antena yang agak jauh posisinya untuk membantu memperkirakan dan membuang noise dari data seismoelektrik. Dalam metode pengurangan blok yang diusulkan oleh Butler dan Russel (1993), block noise dipisahkan dari segmen trace data dan diharapkan memuat sinyal-sinyal yang diabaikan seperti pada bagian sebelum pemicu dan digunakan untuk menghilangkan noise di bagian manapun di trace. Ada 2 cara pengolahan data untuk menghilangkan noise harmonik statis deret waktu. Kedua teknik melibatkan pengurangan taksiran komponen harmonik. Tidak seperti notch filter, metode-metode ini sanggup menghilangkan frekuensi-frekuensi dalam jumlah banyak tanpa mendistorsi atau melemahkan sinyal yang diinginkan. Reduksi sinyal yang sampai 45 db di atas level noise daerah sekitarnya telah ditambahkan dengan menggunakan metode-metode ini untuk mengurangi sampai 25 harmonik frekuensi 60 Hz dari rekaman medan listrik di bumi. Seperti dijelaskan di atas bahwa sinyal seismoelektrik dihasilkan oleh sejumlah mekanisme piezo-elektrik dan efek elektrokinetik (Ivanov, 1940; Thompson dan Gist 1991; Maxwell et. al., 1992; Russel et. al., 1992). 37
Adapun frekuensi yang diinginkan dalam gelombang seismik berkisar 10-1000 Hz atau yang cukup signifikan sampai 5 MHz. Penggunaan singlenotch filter pada 60 Hz telah terbukti tidak cukup sebanyak harmonik 60 Hz yang berada di range frekuensi yang diinginkan. Salah satu hal yang sukses dilakukan adalah dengan menggunakan remote sensor dan teknik keseimbangan analog untuk mengurangi noise ambien (Ivanov, 1940; Hoogervorst, 1979). Karena sifat keperiodikannya, perkiraan dari noise harmonik mungkin dapat dihitung, untuk menghilangkan pengukuran akan sinyal-sinyal noise bebas. Nyman dan Gaiser (1983) menunjukkan bahwa hal tersebut memungkinkan untuk memperoleh penghapusan noise yang terbaik di dalam rekaman seismik dengan memodelkan noise sebagai jumlah dari bentuk sinusoida-sinusoida statis ( π ) ( π ) s = a sin 2 mf t + b cos 2 mf t...(3.1) m m 0 m 0 lalu menguranginya dari tiap-tiap trace. B. Noise non-harmonik Sedangkan noise non-harmonik adalah noise yang dihasilkan oleh lingkungan di sekitarnya. Gangguan ini dapat berupa logam-logam metal yang berada di sekitar lokasi survei, arus tellurik yang diakibatkan oleh variasi waktu medan magnet bumi. 3.2.2 Metode pengurangan blok Sejauh ini ada 3 jenis metode yang sudah umum digunakan untuk mengurangi atau menekan noise-noise ini: 1) metode zero-pole analysis, 2) metode sinusoida, dan 3) metode pengurangan blok. Khusus untuk menekan noise 38
harmonik, metode yang cukup efektif dan sering digunakan adalah sinusoida dan pengurangan blok (Butler dan Russell, 1993). Tugas akhir ini menggunakan metode pengurangan blok (block substraction). Dua metode pengolahan data yang dijelaskan di sini meliputi perkiraan dan pengurangan noise harmonik. Rekaman r(t) diwakili oleh jumlah sinyal s(t), noise non-harmonik e(t), noise harmonik p(t) dengan frekuensi rendah f 0 dan di mana r() t = s( t) + e( t) + p( t)...(3.2) k 0 k...(3.3) k = 1 () = cos( 2π + θ ) p t c kf t r(t) s(t) e(t) jumlah rekaman pada data geofisika sinyal seismoelektrik noise non-harmonik p(t) noise harmonik yang memiliki frekuensi f 0 Amplitudo, fasa, dan frekuensi pada perumusan di atas yang memiliki nilai konstan selama waktu pengukuran diasumsikan dari noise harmonik yang dihasilkan dari saluran listrik. Seperti dijelaskan di atas bahwa sinyal yang diperoleh pada saat pengukuran di lapangan terdiri atas 3 jenis: sinyal dari respon seismoelektrik s(t); noise harmonik yang memiliki frekuensi f 0 yaitu p(t) disebabkan oleh saluran listrik; arus tellurik yang diakibatkan oleh variasi waktu dari medan magnet bumi serta noise non-harmonik serta noise non-harmonik yang disebabkan oleh lingkungan sekelilingnya. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu pengolahan data 39
seismoelektrik dengan maksud mereduksi noise dan meningkatkan sinyal atau dengan kata lain meningkatkan rasio sinyal per noise. Pengurangan blok sendiri adalah sebuah metode sederhana untuk menekan noise saluran listrik di sebuah rekaman di interval [t 1,t 2 ] di mana komponen non-harmonik ditiadakan. Interval ini menjadi estimasi noise saluran listrik atau block noise. Karena p(t) mempunyai perioda 1, harmonik saluran listrik pada f 0 m m interval yang lain adalah t1+, t2 +, di mana m adalah sebuah bilangan f0 f0 bulat yang dapat digeser dengan mengubah dan mengurangi blok noise dari rekaman. Hal ini penting untuk ditulis bahwa suatu tampilan sinyal atau noise non-harmonik di blok noise akan tampak (dibalikkan pada polaritas) di interval pengurangan yang dilakukan. Metode ini sangat berguna hanya bila komponen non-harmonik di interval [t 1,t 2 ] diabaikan kemudian dibandingkan ke sinyal di m m interval t1+, t2 +. Prosedur pengurangan blok diilustrasikan pada f0 f0 gambar di bawah ini. 40
Gbr. 3.2 Gambaran metode pengurangan blok. Trace A adalah rekaman kasar sinyal seismoelektrik yang masih bercampur dengan noise harmonik. Trace B adalah sinyal yang telah ditampilkan melalui pengurangan blok noise harmonik (Butler dan Russell, 1993) Trace A menunjukkan perbedaan potensial terukur sepanjang 5 meter di bawah tanah dipole receiver selama survei seismoelektrik. Sebuah charge peledak kecil diledakkan pada 47 milidetik di sebuah lubang dangkal 16 meter jaraknya dari dipole. Data direkam menggunakan 0,1-1000 Hz band-pass dan 60 Hz notch filter dan interval samplingnya adalah 0,032 milidetik. Harmonik dari 60 Hz dengan jelas mendominasi rekaman. Harmonik terbesar adalah 540 Hz, 180 Hz, dan 300 Hz, walaupun ada beberapa amplitudo yang signifikan. Amplitudo dari noise didekatkan pada nilai 5 mv merepresentasikan sebuah rata-rata medan listrik dari 1 mv/m memotong dipole. (Cat.: karena f 0 adalah 60 Hz, bentuk noise berulang dengan noise yang sama setiap 1/60 detik atau 16,7 milidetik). 47 milidetik pertama dari trace A direkam dengan tiba-tiba sebelum charge diledakkan sehingga tidak ada sinyal s(t). Interval juga berisi noise nonharmonik yang kecil (dengan mengaplikasikan teknik pengurangan sinusoida untuk region) sehingga menampilkan ulang sebuah sampel yang bagus dari noise aliran listrik. Trace B di gambar 3.2 menunjukkan blok noise bergeser ke kanan dengan dua putaran dari 60 Hz (Cat.: delay time-nya sebesar 33,3 milidetik). Pengurangan B dari A menggeser noise aliran listrik antara 33,3 milidetik dan 80,3 milidetik dan hasilnya trace C. Sebuah sinyal seimoelektrik sekarang telah terlihat jelas di 52 milidetik. Sinyal ini hampir secara total tidak jelas di data original. Gambar 3.2 juga mengilustrasikan perhitungan sederhana dari pengurangan blok; semua harmonik dari 60 Hz dengan simultan ditekan dengan pergeseran 41
dan pengurangan sebuah sampel dari noise yang terekam. Dalam kondisi ideal jarang terlihat satu waktu geser t s yang nyatanya m s. Interval sampel terbatas f 0 dari rekaman ketidaktentuan lebih nilai nyata dari frekuensi dasar akan membatasi akurasi dari pergeseran. Walaupun proses pembatalan noise akan lebih optimal ketika t s m =, hasil f 0 yang lebih baik akan diperoleh pada saat m ts yang merupakan substansi f 0 kecil dari satu setengah perioda frekuensi harmonik tertinggi di data. Dalam beberapa kasus, hal yang penting ketika mengulang sampel data untuk mencapai sebuah hal yang lebih baik antara waktu pergeseran yang diinginkan. (Butler dan Russell, 1993) Pada tahun 1996, Butler mengusulkan bahwa metode pengurangan blok cukup efektif untuk menghilangkan noise harmonik pada kelipatan ganjil. Adapun notch filter biasanya digunakan untuk mengurangi noise yang tidak diinginkan pada frekuensi rendah (fundamental frequency). 3.3 Pengolahan Data Digital 3.3.1 Pengertian dan gambaran sinyal Sinyal adalah pembawa informasi dan atau energi ketika gelombang fisis terjadi. Dengan kata lain, sinyal adalah presentasi fisik dari informasi. Dalam suatu pengukuran di lapangan, hasil rekaman yang diperoleh akan mengandung banyak informasi, termasuk informasi yang dikehendaki dan informasi yang tidak dibutuhkan. Tujuan dari pengolahan sinyal adalah memperoleh sinyal 42
yang dikehendaki secara optimal sedemikian sehingga rasio atau perbandingan sinyal per noise atau yang lebih dikenal S/N) cukup besar. Sebuah sinyal dapat dinyatakan dalam model matematis. Dengan menggunakan instrumen matematis yang tersedia, berbagai informasi yang terdapat di dalam sinyal dapat diketahui. Dari model matematis ini, secara umum sinyal dapat dibedakan atas 3 jenis yaitu sinyal kontinu, sinyal diskrit, dan sinyal digital. Sinyal kontinu adalah sinyal yang memenuhi sifat kekontinuitas. Dalam praktek pengolahan dan analisis sinyal hampir tidak pernah digunakan jenis sinyal kontinu. Secara alami hanya akan dimanfaatkan sejumlah data terbatas yang diperoleh dari sinyal kontinu. Sinyal atau informasi yang diperoleh dari sinyal ini dikenal sebagai sinyal diskrit. Dengan kata lain, sinyal diskrit adalah sinyal yang diperoleh dari sinyal kontinu pada waktu-waktu terbatas (waktu diskrit). Selang waktu di antara data pada sinyal diskrit dikenal sebagai perioda sampling. Hal yang perlu diketahui ketika berurusan dengan sinyal diskrit adalah terjadinya kehilangan informasi relatif dari sinyal asli (sinyal kontinu), yaitu informasi di antara data diskrit yang diperoleh pada suatu proses diskritisasi. Makin panjang perioda sampling, makin banyak pula informasi yang hilang. Pada pengolahan sinyal dengan komputer, sinyal yang digunakan bukan sinyal kontinu maupun sinyal diskrit tetapi sinyal digital. Sinyal digital diperoleh dari proses digitasi (kuantifikasi) terhadap sinyal kontinu dengan menggunakan suatu perangkat yang dikenal sebagai analog to digital converter. 3.3.2 Klasifikasi sinyal Sinyal dapat diklasifikasikan berdasarkan parameter dan kriterianya. Sinyal seismoelektrik termasuk dalam sinyal sinusoida sehingga pada tugas akhir ini 43
akan lebih ditekankan pada karakteristik sinyal sinusoida yang merupakan bagian dari sinyal periodik. Sinyal periodik dapat dituliskan secara matematis dalam persamaan berikut () t = x( t kt ) x + di mana k adalah elemen I (bilangan bulat), T adalah perioda dari sinyal. Contoh sederhana dari sinyal periodik adalah sinyal sinusoida () t = Acos ( 2π ft + θ ) = Acos[ πf ( t + T ) + θ ] x 2 di mana f = 1 T dan θ berturut-turut adalah frekuensi sinyal dan sudut fasa dari sinyal. 3.3.3 Frekuensi sampling Frekuensi ω s =2ω N dikenal juga sebagai frekuensi Nyquist. Suatu fungsi waktu yang terbatas f(t) dengan f(t)=0, t >T N, mempunyai hasil transformasi Fourier yang dapat diperoleh dari f (t) pada ω = nπ : F ( ω) = + n ( ω T nπ ) π sin N N F n = TN ω NTN nπ 3.3.4 Fast Fourier transform dalam pengolahan sinyal digital Salah satu instrumen yang penting dalam pengolahan dan analisis sinyal digital adalah transformasi Fourier. Dengan transformasi ini sinyal dengan domain waktu dapat ditransformasi ke dalam domain frekuensi. Sedangkan untuk mengubah sinyal domain frekuensi ke dalam domain waktu digunakan inversi transformasi Fourier. Salah satu hal yang perlu diingat dalam menggunakan instrumen ini adalah tidak ada informasi yang hilang selama proses transformasi. T N 44
Namun, salah satu kelemahan instrumen ini adalah memerlukan komputasi yang sangat panjang. Dalam pengerjaan tugas akhir ini akan digunakan tool matematika yang sudah ada yaitu MATLAB dengan fungsinya Signal Processing Toolbox untuk mengolah dan analisis sinyal digital seismoelektrik. 45
(halaman ini sengaja dikosongkan) 46