GEOLISTRIK A. TEORI DASAR Metode geofisika yang secara luas banyak dilakukan dalam eksplorasi adalah metode seismik, magnetik, gaya berat, tahanan jenis listrik dan elektromagnetik. Metode geolistrik merupakan salah satu metode eksplorasi geofisika yang dapat diterapkan untuk mempelajari karakteristik suatu sistem geothermal, penentuan lithologi lapisan batuan, posisi reservoar, pola aliran serta sebaran fluida geothermal di bawah permukaan bumi. Penggunaan geolistrik pertama kali dilakukan oleh Conrad Schlumberger pada tahun 1912. Geolistrik merupakan salah satu metoda geofisika untuk mengetahui perubahan tahanan jenis lapisan batuan di bawah permukaan tanah dengan cara mengalirkan arus listrik DC (Direct Current) yang mempunyai tegangan tinggi ke dalam tanah. Injeksi arus listrik ini menggunakan 2 buah elektroda arus A dan B yang ditancapkan ke dalam tanah dengan jarak tertentu. Metode geolistrik ini digunakan untuk mengetahui karakteristik lapisan batuan bawah permukaan, untuk mengetahui kemungkinan adanya lapisan akifer yaitu lapisan batuan yang merupakan lapisan pembawa air. Umumnya yang dicari adalah confined aquifer yaitu lapisan 1
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
GEOLISTRIK
A. TEORI DASAR
Metode geofisika yang secara luas banyak dilakukan dalam eksplorasi adalah
metode seismik, magnetik, gaya berat, tahanan jenis listrik dan elektromagnetik.
Metode geolistrik merupakan salah satu metode eksplorasi geofisika yang dapat
diterapkan untuk mempelajari karakteristik suatu sistem geothermal, penentuan
lithologi lapisan batuan, posisi reservoar, pola aliran serta sebaran fluida geothermal
di bawah permukaan bumi. Penggunaan geolistrik pertama kali dilakukan oleh
Conrad Schlumberger pada tahun 1912. Geolistrik merupakan salah satu metoda
geofisika untuk mengetahui perubahan tahanan jenis lapisan batuan di bawah
permukaan tanah dengan cara mengalirkan arus listrik DC (Direct Current) yang
mempunyai tegangan tinggi ke dalam tanah. Injeksi arus listrik ini menggunakan 2
buah elektroda arus A dan B yang ditancapkan ke dalam tanah dengan jarak tertentu.
Metode geolistrik ini digunakan untuk mengetahui karakteristik lapisan
batuan bawah permukaan, untuk mengetahui kemungkinan adanya lapisan akifer
yaitu lapisan batuan yang merupakan lapisan pembawa air. Umumnya yang dicari
adalah confined aquifer yaitu lapisan akifer yang diapit oleh lapisan batuan kedap air
(misalnya lapisan lempung) pada bagian bawah dan bagian atas. Confined akifer ini
mempunyai recharge yang relatif jauh, sehingga ketersediaan air tanah di bawah titik
bor tidak terpengaruh oleh perubahan cuaca setempat.
Geolistrik ini bisa untuk mendeteksi adanya lapisan tambang yang
mempunyai kontras resistivitas dengan lapisan batuan pada bagian atas dan
bawahnya. Bisa juga untuk mengetahui perkiraan kedalaman bedrock untuk fondasi
bangunan. Metoda geolistrik juga bisa untuk menduga adanya panas bumi
(geothermal) di bawah permukaan. Hanya saja metoda ini merupakan salah satu
metoda bantu dari metoda geofisika yang lain untuk mengetahui secara pasti
keberadaan sumber panas bumi di bawah permukaan.
1
Prinsip dasar metode ini adalah menginjeksikan arus listrik ke dalam bumi
menggunakan dua buah elektroda arus, kemudian mengukur beda potensial melalui
dua buah elektroda lainnya di permukaan bumi. Arus listrik yang di-injeksikan akan
mengalir melalui lapisan batuan di bawah permukaan, dan menghasilkan data beda
potensial yang harganya bergantung pada tahanan jenis (resistivity) dari batuan yang
dilaluinya. Fenomana inilah yang dimanfaatkan untuk mengetahui dan menentukan
jenis batuan termasuk fluida apa saja yang ada di bawah permukaan.
Pemanfaatan metode geolistrik tahanan jenis telah banyak digunakan untuk
pengamatan lapisan geologi dangkal. Kemampuan metode geolistrik sangat ditunjang
keadaan bawah permukaan yang tersusun oleh lapisan-lapisan dengan tahanan jenis
berbeda. Adanya variasi tahanan jenis lapisan, dapat diamati dengan menginjeksikan
arus listrik ke dalam bumi dan mencatat tahanan jenis pada titik-titik pengamatan di
permukaan bumi. Dengan mengubah-ubah jarak elektroda sesuai dengan konfigurasi
tertentu, maka dapat diinterpretasi perubahan tahanan jenis secara vertikal dan
horizontal.
Penyelidikan geolistrik ini terdiri atas dua jenis kegiatan yaitu pemetaan
tahanan jenis (Mapping) dan pendugaan tahanan jenis (Sounding). Hasil pengukuran
mapping akan berupa peta-peta tahanan jenis semu untuk berbagai bentangan
elektroda arus, sedangkan pengukuran sounding akan berupa profil-profil nilai
tahanan jenis sebenarnya.
Secara umum, pendekatan sederhana pembahasan gejala kelistrikan bumi
adalah dengan menganggap bumi sebagai medium homogen (jenis lithologi sama)
dan bersifat isotropis (diukur dari berbagai arah akan memberikan harga yang sama).
Dengan perlakuan tersebut medan listrik dari sumber titik di dalam bumi merupakan
simetri bola. Prinsip metode geolistrik adalah dengan menginjeksi arus melalui
elektroda arus C1 yang dibenamkan di dalam bumi. Elektroda ini dihubungkan
dengan elektroda arus C2 lainnya yang berada di permukaan tetapi berjarak cukup
jauh, sehingga pengaruhnya dapat diabaikan. Elektroda arus dapat dipandang sebagai
2
Gambar 2.3. Model aliran arus listrik dua titik sumber di permukaan bumi
titik sumber yang memancarkan arus listrik kesegala arah dalam medium bumi
dengan tahanan jenis ρ.
Ekuipotensial di setiap titik di dalam bumi membentuk permukaan bola
dengan jari-jari r. Arus listrik yang diinjeksikan melalui elektroda arus sebagai fungsi
jarak dan kedalaman, mengalir keluar bola secara radial ke segala arah sebesar,
I= A J ...(1)
Dimana A adalah luas permukaan bola yang besarnya 4 π r2dan J adalah rapat
arus yang menyatakan besarnya arus yang mengalir dalam suatu luasan yang
dinyatakan dengan persamaan
J=σ E ....(2)
dimana σ adalah konduktivitas listrik dan E adalah medan listrik yang
dinyatakan dengan persamaan
E=kQ
r2 ....(3)
Dengan mensubtitusikan persamaan (2), (3), dan luas permukaan bola ke
dalam persamaan (1) maka diperoleh persamaan
I= 4 πσ k Q ....(4)
3
Kemudian beda potensial (tegangan) diberikan oleh persamaan
V=kQr k Q=V r .....(5)
Subtitusi persamaan (5) ke dalam persamaan (4) sehingga menghasilkan
persamaan
I= 4 πσ V r σ= I
4 π V r ...(6)
Ingan bahwa konduktivitas listrik merupakan kebalikan dari resistivitas listrik,
persamaan (6) menjadi
ρ=4 π rVI ....(7)
Karena sumber arus terdapat di permukaan bumi, maka permukaan yang
dilalui arus adalah setengah bola sehingga persamaan (7) menjadi
ρ=2 π rVI ....(8)
Apabila jarak antara dua elektroda arus tidak terlalu besar, potensial disetiap
titik dekat permukaan akan dipengaruhi oleh kedua elektroda arus. Adapun potensial
listrik yang dihasilkan dari kedua sumber arus ini adalah beda potensial yang terukur
pada dua titik pengukuran pengukuran potensial (P1 dan P2). Adapun beda potensial
terukur antara titik P1 dan P2 adalah,
ΔV =V ( P1 )−V (P2)
ΔV = Iρ2 π [( 1
r1
− 1r 2
)−( 1r3
− 1r 4
)] ....(9)
4
Gambar 2.4 Model dua elektroda arus dan dua elektroda potensial
dimana: r1 = jarak C1 ke P1
r2 = jarak C2 ke P1
r3 = jarak C1 ke P2
r4 = jarak C2 ke P2
untuk lebih jelasnya lihat gambar berikut
Dengan mengatur persamaan (9), kita peroleh persamaan untuk resistivitas
ρ=KΔVI ….(10)
Dimana K adalah factor koreksi geometri yang dinyatakan dengan
K=2 π [( 1r 1
− 1r2
)−( 1r3
− 1r 4
)]−1
….(11)
Factor koreksi ini berubah – ubah tergantung dari konfigurasi apa yang
digunakan. Factor koreksi ini dilakukan karena pada umumnya lapisan batuan
tidak mempunyai sifat homogen sempurna, seperti yang dipersyaratkan pada
pengukuran geolistrik. Untuk posisi lapisan batuan yang terletak dekat dengan
5
permukaan tanah akan sangat berpengaruh terhadap hasil pengukuran tegangan
dan ini akan membuat data geolistrik menjadi menyimpang dari nilai sebenarnya.
Yang dapat mempengaruhi homogenitas lapisan batuan adalah fragmen batuan
lain yang menyisip pada lapisan, faktor ketidak-seragaman dari pelapukan batuan
induk, material yang terkandung pada jalan, genangan air setempat, perpipaan
dari bahan logam yang bisa menghantar arus listrik, pagar kawat yang terhubung
ke tanah dan sebagainya. Tegangan listrik alami yang umumnya terdapat pada
lapisan batuan disebabkan oleh adanya larutan penghantar yang secara kimiawi
menimbulkan perbedaan tegangan pada mineral-mineral dari lapisan batuan yang
berbeda juga akan menyebabkan ketidak-homogenan lapisan batuan.
B. SIFAT KELISTRIKAN BATUAN
Ada 3 sifat dasar (properti):
Resisitivitas (kebalikannya adalah Konduktivitas): jumlah arus yang
melewati batuan ketika dikenakan sejumlah beda potensial atau
kemampuan material bumi untuk menahan suatu arus/aliran listrik
kedalam struktur batuan didalam bumi. Sifat ini sangat berguna karena
sifat resistivitas material/batuan bervariasi sangat besar. Metode ini
dikembangkan oleh Conrad Schlumberger (Perancis) dan Frank
Wenner (USA) sekitar abad ke-20.
Aktivitas Elektrokimia: disebabkan oleh larutan elektrolit dalam
tanah/batuan (dasar bagi SP dan IP).
Konstanta Di-elektrik : memberikan informasi mengenai kapasitas
suatu material/batuan untuk menyimpan muatan listrik (dasar bagi
respon batuan terhadap arus AC berfrekuensi tinggi yang dimasukkan
dalam bumi baik secara konduktif maupun induktif)
6
Bila tidak ada kandungan mineral lempung, maka resisivitas batuan
bergantung pada:
Porositas
Kandungan air dalam pori (saturasi)
Kandungan Mineral dalam fluida (salinitas) yang berada dalam
pori
Temperatur
Mineral Lempung
Mineral lempung yang memiliki ion-ion negatif dan positif bebas
menyebabkan arus listrik mudah mengalir, sehingga resistivitas batuan
mengecil/ berkurang.
7
Nilai resistivity beberapa batuan :
C. KONFIGURASI DAN METODA PENGUKURAN GEOLISTRIK
Metode potensial diri
a. Arus telluric
b. Magnetotelluric
c. Elektromagnetik
d. induced polarization
e. Metode resistivitas (tahanan jenis) dan lain sebagainya.
f. Metode Geolistrik Tahanan Jenis
Dalam eksplorasi geofisika, metode geolistrik tahanan jenis
merupakan metode geolistrik yang mepelajari sifat resistivitas
(tahanan jenis) listrik dari lapisan batuan di dalam bumi. Berdasarkan
pada tujuan penyelidikan, metode geolistrik tahanan jenis dapat dibagi
menjadi dua kelompok besar yaitu:
Metode resistiviti mapping
metode resistiviti mapping merupakan metode resistiviti yang
bertujuan untuk mempelajari variasi tahanan jenis lapisan
bawah permukaan secara horizontal. Oleh karena itu, pada
metode ini dipergunakan konfigurasi elektroda yang sama
8
untuk semua titik pengamatan di permukaan bumi. Setelah itu
baru dibuat kontur resistivitasnya.
Metode resistiviti sounding (drilling)
metode resistiviti sounding juga biasa dikenal sebagai
resistiviti drilling, resistiviti probing dan lain-lain. Hal ini
terjadi karna pada metode ini bertujuan untuk mempelajari
variasi resistivitas batuan di bawah permukaan bumi secara
vertikal. Pada metode ini pengukuran pada suatu titik sounding
dilakukan dengan jalan mengubah-ubah jarak elektroda.
Pengubahan jarak lektroda ini dilakukan secara smbarang
tetapi dimulai dari jarak elektroda terkecil kemudian membesar
secara gradual. Jarak elektroda ini sebanding dengan
kedalaman lapisan batuan yang terdeteksi. Makin besar jarak
elektroda tersebut maka makin dalam lapisan batuan yang
dapat diselidiki. Pada pengukuran sebenarnya, pembesaran
jarak elektroda mungkin dilakukan jika mempunyai suatu alat
geolistrik yang memadai. Dalam hal ini, alat geolistrik tersebut
harus dapat menghasilkan arus listrik yang cukup besar atau
kalau tidak alat tesebut harus cukup sensitif dalam mendeteksi
beda potensial yang kecil sekali. Oleh karena itu, alat geolistrik
yang baik adalah alat yang dapat mengahsilkan arus listrik
cukup besar dan mempunyai sensitifitas yang cukup tinggi.
Pada resistivitas sounding dikenal berbagai macam konfigurasi elektroda yang
sering digunakan diantaranya ialah:
1. Konfigurasi wenner
2. Konfigurasi Schlumberger
3. Konfigurasi Bipol-Dipol
9
4. Konfigurasi Lee Partision
5. Rectangle Line Source
6. Sistem Gradian Tiga Titik
Konfigurasi- konfigurasi tersebut masing-masing mempunyai kelebihan
ataupun kekurangan dibanding dengan yang lainnya. Oleh karena itu, harus
dilakukan pemilihan dahulu jenis konfigurasi yang sesuai dengan kasus yang
dihadapi.
Metoda geolistrik terdiri dari beberapa konfigurasi, misalnya yang ke 4 buah
elektrodanya terletak dalam satu garis lurus dengan posisi elektroda AB dan MN
yang simetris terhadap titik pusat pada kedua sisi yaitu konfigurasi Wenner dan
Schlumberger. Selain kedua konfigurasi tersebut ada juga konfigurasi yang sering
digunakan yakni dipole-dipole, pole-dipole dan azimuth dipole. Setiap konfigurasi
mempunyai metoda perhitungan dan factor koreksi tersendiri untuk mengetahui nilai
ketebalan dan tahanan jenis batuan di bawah permukaan. Namun, yang akan
dipaparkan disini hanya dua konfigurasi saja yakni Wenner dan Schlumberger.
a. Konfigurasi Wenner
Susunan elektroda pada konfigurasi Wenner diperlihatkan pada gambar di
atas, dimana jarak elektroda potensial P1P2 selalu 1/3 dari jarak elektroda arus C1C2.
Jika jarak elektroda arus C1C2 diperlebar maka jarak elektroda potensial P1P2 juga
10
diperlebar sehingga jarak jarak elektroda potensial P1P2 tetap 1/3 dari jarak elektroda
arus C1C2. Keunggulan dari konfigurasi Wenner ini adalah ketelitian pembacaan
tegangan pada elektroda MN lebih baik dengan angka yang relatif besar karena
elektroda MN yang relatif dekat dengan elektroda AB. Disini bisa digunakan alat
ukur multimeter dengan impedansi yang relatif lebih kecil. edangkan kelemahannya
adalah tidak bisa mendeteksi homogenitas batuan di dekat permukaan yang bisa
berpengaruh terhadap hasil perhitungan.
Factor koreksi dari konfigurasi Wenner ini diberikan oleh persamaan
K=2 π a ….(12)
Dimana a adalah jarak (spasi) antar elektroda.
Untuk membuktikan persamaan (12), kita lihat kembali persamaan (11). Untuk
konfigurasi Wenner r1 sampai r4 mempunyai harga sebagai berikut ;
r1 = a, r2 = 2a, r3 = a, r4 = 2a
kita masukkan harga – harga di atas ke dalam persamaan (11), yuk kita lihat
prosesnya.
K=2 π [( 1r 1
− 1r2
)−( 1r3
− 1r 4
)]−1
K=2 π [( 1a− 1
2a )−( 12a
−1a )]
−1
K=2 π [(2−12 a )−( 1−2
2 a )]−1
K=2 π [ 12 a
+1
2 a ]−1
K=2 π [ 1a ]
−1
K=2 π a terbukti….
11
b. Konfigurasi Shlumberger
Pada konfigurasi Schlumberger idealnya jarak MN dibuat sekecil-kecilnya,
sehingga jarak MN secara teoritis tidak berubah. Tetapi karena keterbatasan kepekaan
alat ukur, maka ketika jarak AB sudah relatif besar maka jarak MN hendaknya
dirubah. Perubahan jarak MN hendaknya tidak lebih besar dari 1/5 jarak AB.
Kelemahan dari konfigurasi Schlumberger ini adalah pembacaan tegangan
pada elektroda MN adalah lebih kecil terutama ketika jarak AB yang relatif jauh,
sehingga diperlukan alat ukur multimeter yang mempunyai karakteristik impedansi
tinggi dengan akurasi tinggi yaitu yang bisa mendisplay tegangan minimal 4 digit
atau 2 digit di belakang koma. Atau dengan cara lain diperlukan peralatan pengirim
arus yang mempunyai tegangan listrik DC yang sangat tinggi.
Sedangkan keunggulan konfigurasi Schlumberger ini adalah kemampuan
untuk mendeteksi adanya non-homogenitas lapisan batuan pada permukaan, yaitu
dengan membandingkan nilai resistivitas semu ketika terjadi perubahan jarak
elektroda MN/2.
Factor koreksi dari konfigurasi ini diberikan oleh persamaan
K=π( L2−l2 )
2 l ….(13)
12
Dimana L=
C1C2
2 dan l=
P1 P2
2
Persamaan (13) di atas dapat juga kita buktikan, mari kita buktikan dan ikuti
prosesnya. Kita mulai dari persamaan (11), dimana untuk konfigurasi Schlumberger
harga r1 sampai r4 diberikan oleh
r1 = L – l, r2 = L + l, r3 = L + l, r4 = L – l
mari kita masukkan harga – harga di atas ke dalam persamaan (11)