Pertemuan Ilmiah Tahunan ke-29, Yoryakarta 5-7 Oktober 2004 ...

PROSIDING HIMPT.INAN AHLI GEOFISIKA INDONESTAPertemuan Ilmiah Tahunan ke-29, Yoryakarta 5-7 Oktober 2004

ANALISIS DATA SUHU, KONDUKTIFITAS, DAN ALIRAN PANAS UNTUKMENAF'SIR STRUKTUR BAWAH PERMUKAAN DAERAH GEDONGSONGO

BESERTA POTENSINYA

Teguh P. Wahyonor, Wahyudiz, Imam Suyanto2rlaboratorium Geofisika Fakultas FMIPA UGM, Jl. Kaliurang Km 3, Yogyakarta

[email protected]; telp 0856-28-5 8503

'Jurusan Geofisika Fakultas MIPA, Jl. Kaliurang Km.3, YogyakartaTelp.0274-522214

Abstrak

Telah dilakukan pengukuran suhu di kedalaman 50cm dibawah permukaan di daerah Gedungsongo

menggunakan alat needle probe. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui penyebaran panas, konduktivitasdi lokasi penelitian serta struktur yang mengontrol sistem panas bumi daerah penelitian. Suhu yang terukur diarea gedongsongo berkisar antara 17.42-52.93 oC dan estimasi pelepasan energi di gedongsongo mencapai

harga 0.55 W m. K. Pengukuran suhu pada kedalaman dangkal mengandung informasi yang sangat berguna

untuk menggambarkan struktur geologi di area Gedongsongo. Kesamaan antara metode magnetik dan

metode thermal dalam penurunan rumusanya, membawa cara pengolahan magnetik untuk pengolahan datathermal. Data yang diperoleh dianalisis menggunakan metode titik karakleristik untuk mengetahui posisibatas atas struktur. Penggunaan metode ini mendapatkan informasi kedalaman batas atas struktur pada 12.13

m bawah permukaan.

Abstract

The measurement had been conducted at 50cm depth on Cedongsongo's area, which is used needleprobe. The transient heating of needle probe is used to measure the thermal conductivity and shallow depthtemperature. The temperatures that have been measured are 17.42-52.93 0C and the highest value of heatflow that have been measured is 0.55 W m. K. Temperature measurements at shallow depths contain usefulinformation about features of the geological structures in gedongsongo area. Essentials similarity betweenthermal and magnetic prospecting make it possible to apply to thermal prospecting modification of the rapidmethod characteristic point developed for magnetic prospecting. The interpretation result, which is usedcharacteristic points, is the upper edge location of anomaly at 12.13 m below the surface

I. PendahuluanKebutuhan energi dalam kehidupan manusia pada hari-hari ini sudah meningkat menjadi suatu

kebutuhan primer. Tak dapat dipungkiri bahwa seiring meningkatnya populasi manusia, kebutuhan akanenergi juga meningkat. Oleh karena itu berbagai macam usaha dilakukan untuk memenuhi kebutuhan energitersebut.

Pada sektor energi, Indonesia didominasi oleh minyak, gas dan batu bara. Minyak bumi memegang57Vo dari pemenuhan kebutuhan energi di Indonesia, gas 23o/o dan batubara 18%. Sedangkat 2o/o-rryadipegang oleh energi yang bebas emisi karbon hingga ber-emisi rendah ( seperti hidroelekhik dan panasbumi). Info yang didapat dari MEMR, menunjukkan bahwa persediaan energi panas bumi di Indonesiasebesar 20,000 MW. Indonesia telah 20 tahun mengembangkan energi panas bumi ini, akan tetapi hanyamampu mengembangkan sebesar 787 MW energi panas bumi, itu berarti baru 4 persen dari total potensialyang ada di Indonesia. (F. Wulandari,2004).

Oleh karena itu untuk masa kedepannya, prospek pengembangan energi panas bumi masih terbukalebar, sehingga dibutuhkan informasi mengenai panas bumi untuk pengembangannya. Salah satu lokasi panas

bumi yang terdapat di Indonesisa terletak di area Gedong songo, Ungaran Jawa Tengah.Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui besamya panas alamiah yang dihasilkan oleh area panas bumi diGedoqg Songo dan struktur yang mengontrol sistem tersebut.

II.'Geologi dan dan Manifestasi Panas Bumi di Area Gedong Songo.Gunung Ungaran terletak 40km sebelah barat laut dari Semarang yang merupakan ibukota propinsi

Jawa Tengah. Penamapakan panas bumi di permukaan terletak pada puggungan utara dan selatan gunung.Area Cedongsongo terletak pada punggungan dibagian selatan gunung Ungaran. Manifestasi yang bisa

136

ditemui di Gedongsongo rneliputi mata air panas, kolam air panas (warm pool), fumarol, steaming grounddan alterasi hidrotermal.

Area thermal di Gedongsongo berhubungan dengan aktifitas vulkanik gunung Ungaran muda.Hingga saat ini tidak terdapat laporan mengenai erupsi dari gunung Ungaran, akan tetapi diperkirakanbeberapa fase aktifitas erupsi gunung telah menghasilkan bentuk strato pada puncak gunung Ungaran. Faseyang paling muda dari aktifitas ini menghasilkan produk basalt dan andesit yang meliputi area ber-diameter19 km dan memotong Gunung api Ungaran Tua sehingga terdapat struktur robohan.

Pemunculan manifestasi panasbumi di daerah Cedongsongo dominan dikontrol oleh permeabilitassekunder yang berupa struktur sesar turun. Sesar turun yang berkembang di daerah Gedongsongo dansekitarnya dipengaruhi oleh ambrolan Gunung Ungaran Tua menjadi beberapa blok yang dikenal denganvolcanotectonic depressio,n @emmelen, 1970). Beberapa sesar turun memotong struktur robohan inilah yangmenyebabkan keberadaan manifestasi thermal di permukaan. Pembentukan sesar turun mengakibatkanbatuan yang berada di zona sesar mengalami hancuran yang sangat intensif, sehingga batuan yang adamenjadi lebih permeabel dan pada zona tersebut memungkinkan dapat mengakibatkan batuan menjadireservoar yang baik.

III. Hukum Dasar Perpindahan Panas Secara KonduksiHubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi dikemukakan oleh ilmuwan Prancis

J.B.J Fourier. Hubungan ini menyatakan bahwa laju aliran panas dengan cara konduksi dalam suatu bahansama dengan hasil kali dari tiga buah besaran yaitu

a. Konduktivitas termal bahan ft),b. Luas penampang melalui mana panas mengalir dengan cara konduksi, yang harus diukur secara tegak

lurus terhadap arah aliran panas (A).c. Gradien suhu pada penampang tersebut yaitu laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran

.aT,panasz.\ az )

Dapat dituliskan sebagai berikut :

qo:-M{oz ..............(l)

dan persamaan (l) disebut hukum fowier untuk perpindahan panas konduksi.Mengingat Hukum Kedua Termodinamika bahwa konduktivitas panas akan mengallir secara

otomatis dari titik yang suhunya lebih tinggi menuju ke titik yang suhunya rendah, maka aliran konduksipanas q adalah positif jika gradien suhu berharga negatif. Selain itu arah kenaikan jarak z merupakan arahaliran konduksi panas positif, seperti pada gambar L

panas

T

z

Gambar I Arah aliran konduksi panas.

ATJika gradien suhu

-: l, maka besarnya konduktivitas panas

ozenergi panas yang mengalir pada suatu bahan tiap satuan luas. Suatu bahan yang memiliki nilai konduktivitaspanas besar merupakan penghantar yang baik dan sering disebut konduktor panas, sebaliknya suatu bahanyang memiliki nilai konduktivitas panas kecil merupakan penghantar panas yang jelek dan disebut isolator.

t37

suatu bahan merupakan jumlah

+Lz

III.l. Kesamaan Aspek antara Anomali Gravitasi, Magnetik dan Suhu.Keberhasilan data magnetik dan gravitasi dalam menginterprestasi kondisi geologi memberi

sumbangan yang besar dalam pembuatan model, hal ini hasil magnetik dan gravitasi bedasarkan teoripotensial (Telford, W- M., Geldarf., L. D., Sheriff, R. E., and Keys, D. R., 1976),( Parasnis, D. S.. 1963),(Grant, F. S. , and West, G. F., 1965). Perbandingan antara anomali gravitasi dan temperatur telah dilakukanoleh Poley J.PH. and Stevenink J. V (1970) dan Simmons G., (1967). Carslaw dan Jaeger (1959) menjelaskanbahwa aliran panas pada medium yang disebabkan oleh perbedaan konduktivitas secara matematis sama

seperti induksi magnetik yang diakibatkan oleh suafu benda yang meliki ukuran sama pada medan yangseragam. Berdasarkal kesamaan tersebut metode interpreastasi magnetik dapat diterapkan pada interpretasianomali suhu.

Konduksi adalah proses utama pada kasnsfer panas di lapisan kerak bumi. Persamaan diferensialperpindahan panas secuua konduksi tanpa ada sumber adalah

0T I 0t =v2T J,I C p ................. ............(z)

dimana T adalah temperatur; t adalah waktu ; )" adalah konduktivitas; C adalah koefisien kapasitas panas,

p adalahdensitas; V adalah operasi Laplasian.

Jika variasi suhu harian yang mempengaruhi harga suhu pengukuran dilapangan dihilangkan, dT/dt

adalah 0. Sehingga persamaan diatas memenuhi persamaan Laplasian Y2T = 0 , dimana medan temperaturmerupakan medan potensial. Pada kondisi yang ajeg perambatan panas secara konduksi mengukuti HukumF'ourier.

Q = -)gradT ............(3)

sedangkan medan magnetik yang juga merupakan medan potensial dirumuskan

Uo = -grodv .............,... ...................(4)

U adalah medan anomali magnetik dan V adalah potensial magnetik.Dari dua persamaan tersebut memiliki kesebandingan, sehingga dapat dikembangkan metode

interpretasi anomali magnetik pada data suhu permukaaan.Khesin B. 8., Alexeyev V.V. and Eppelbaum L.V..,(1993) mengembangkan metode interpretasi

kuantitatif anomaly magnetic yang disebut metode titik karakteristik.Model yang lebih sering digunakan dalam interpertasi thermal adalah bed dan silinder horizontal

(Charslaw,1959). Persamaan yang dipakai untukrnenggambarkan model bola dan silinder:

Ta :(q I 1).[e- Dt(z+ p)]R' t(x2 + "')''' ....................(s)

dimana Td adalah suhu yang diakibatkan oleh suatu benda, )" adalah konduktivitas termal bend4p adalahperbandingan konduktivias medium dan benda, R jari-jari bola, C jari-jari silider, z adalah kedalaman titikpusat benda, x adalah sumbu koordinat x.

Persamaan medan magnetik komponen vertikal yang diakibatkan oleh benda berbentuk bola dansilinder horizontal adalah:

Z : ffiz l(xz + z2)3tz .......(7)

Z =21.2b.2l(xz + z') ............ ............(8)

dimana m adalah kemagnetan benda, I adalah magnetisasi dan b adalah setengah lebar.Keempat persamaan diatas sangat jelas, sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa medan tersebut

secara fisik berbeda tetapi secara matemetika sama. Oleh karena itu metode karakteristik poin dapat dipakaiuntuk pengolahan data suhu dekat permukaan.

III.2. Metode Karakteristik point.Interpretasi karakteristik poin menggunakan koordinat anomali maksimum dan minimum.

138

h

I

Lr' sh,4h

Gambar 2. Kerangka karakteristik point pada anomali magnetik lapisan tipis.

dl : Xor,* - Xrok '..-......(9)

dr.: (xo.r,.), -(xor,"), ................ ....................(10)

tan(0) = dr l d, ....(11)

h= $A tk,.r.............. .............(12)

dimana kr,, =21 J"i"e *te .

xo = 0.5(r,r * r,o) -hcot(O) ........-(13)

Dimana x,nu* adalah absis pada nilai anomali maksimum, x*;o adalah absis pada nilai anomali

minimum. Hasil yang bisa didapatkan dengan menggunakan metode ini adalah posisi batas atas dari model

atau benda anomali (Khesin B. E., Alexeyev V.V. and Eppelbaum L.V.., 1993).

IV. Hasil dan PembahasanlV. 1 Pemetaan suhu dan konduktifitas

Pengukuran suhu dan konduktifitas difokuskan pada area fum^arol Gedongsongo dan sekitarnya

Luas area fenelitian melingkupi luasan sebesar 150.5 x 181.3 m2. Pengukuran dilakukan dengan

menggunakan alat needle probe didukung oleh tongkat suhu 2 meter untuk memonitor fluktuasi suhu harian.

Penggunaan tongkat suhu ini untuk menghilangkan efek pemanasan matahari yang mempengaruhi

pengukuran suhu menggunakan needle probe.Dari setiap titik pengukuran bisa didapatkan nilai suhu batuan

pada kedalaman 50 centimeter dibawah permukaan dan konduktivitas batuannya.

Pemetaan suhu yang terukur seielah terkoreksi variasi harian bervariasi nilainya da:i 17 -42'52.93 0C

(290.s7-326.08 K).

139

U

4Eco6EC"o0lJoEJa

€ocm"H+effi

ffis-a' f,l+oFrut-!l1',t---28H-24r-l!'lzoHL.lta

Gambar 3. Peta suhu 50 cm dibawah permukaan di area Fumarol Gedongsongo

Pengitungan konduktifitas batuan menggunakan needle probe menghasilkan nilai yang bervariasidari 0.01103 - 0.57961 Wim2 oC. Nilai konduktivitas yang tinggi berada disekitar sumber atau tempatkeluarnya uap panas dari fumarol. Hal ini disebabkan oleh kandungan uap air di derah panas sehinggamenambah nilai konduktivitasnya disamping itu Tanah atau soil ini merupakan lapukan batuan yangmengalami proses alterasi terus menerus.

-20 0 20 40 60 80 100

5;__-,rr - r SumbuTimur-Barat(m)0 20 40 60 80m

Gambar 4. Peta konduktifitas di sekitar area Fumarol Gedongsongo

Dengan menggunakan harga gradien suhu vertikal di area pengukuran mempunyai harga sebesar

3.195135 Kelvir/m ( harga ini diambil dari harga gradien suhu hasil pengukuran menggunakan tongkat suhu)sehingga dapat dipetakan heat flow permukaan yang terjadi di area penelitian.

U

$rc WmKffiffio.ssHos

=0 45

=oor:0 35

H03lo.zsHo,l---lo. r stito,F-lo osll

EEG(!oU)6(!l

=cEa

140

U

fr

120

100

'20 o 20 40 31.urt1,*ul-o&,", <,nl

oF"Eo ' -tb *Gambar 5. Peta heat flow di sekitar area Fumarol Gedongsongo.

IV. 2 Interprestasi Menggunakan Metode Titik Karakteristik (Characteristic points method).lnterprestasi kuantitatif telah dilakukan dengan menggunakan metode titk karakterisik pada peta

suhu di kedalaman 50 cm, di sepanjang garis AA'. Hasil yang didaptakan dapat diketahui posisi dari sesar

normal yang menimbulkan manifestasi fumarol. Pada garis AA' dan BB" didapatkan kedalaman dari modelpada kedalam 12,13213 meter dibawah permukaan.

lI 5g6y l{

Gambar 6. Penampang lintang AA'(atas), perkiraan kedalaman modelmenggunakan metode titik karakteristik.

V. PembahasanPemunculan manifestasi panasbumi di Gedongsongo berkaitan erat dengan kondisi geologi,

terutama adanya struktur sesar yang banyak terdapat di lereng selatan Gunung Ungaran. Kemungkinan besarpermeabilitas yang berperan dalam reservoir panasbumi di Gedongsongo adalah permeabilitas sekunder yangdikontrol oleh struktur tersebut. Dari peta suhu terlihat adanya anomali panas yang cukup besar pada lembah

E

e60fit

-g{)q40(tr

ru

azof

EJ^at)

Ez

t4t

l,

Kali Panjang bagian hulu yang mencapai suhu 54"C, sedang daerah sekitamya hanya berkisar 20 hingga30oC. Pada lembah sebelah timur Kali panjang dan sebelah tenggara - selatan juga terdapat anomali yangtidak ter:lalu besar.

Kecilnya debit mata air panas, kemungkinan disebabkan karena permeabilitas di dekat permukaanyang kurang besar atau memang aktivitas hidrotermal di bawah permukaan tidak terlalu besar. Mengacu pada

data geokimia air dan mineralogy (sementara), dapat dikatakan bahwa interaksi fluida - batuan di dekatpermukaan melibatkan batuian berkomposisi andesitik (andesit - piroken) dengan fluida yang bersifat asam.

Diinterpretasikan bahwa fluida tersebut merupakan steam heated water yang merupakan hasil kondensasipada boiling zone.

V[. Kesimpulan- Aktivitas panas paling besar terdapat pada fumarol dengan heatflow sebesar 1.9 Wm2.- Anomali panas terbesar terdapat pada lembah Kali Panjang bagian hulu- Kedalaman strukfur yang mengontrol manifestasi fumarol di gedong songo terdapat pada kedalaman

12.13 m.

Daftar PustakaBemmelen, R.W. Van, 1970, The Geology of Indonesia, Vol. lA, General Geology of Indonesia and

Adjacent Archipelago.Carslaw, H. S., and Jaeger, J. C., 1959, Conduction of heat in solids: Oxford Univ. Press.

Eppelbaum L. V., 2000. Applicability of geophysical methods for tocalization of archaeological targets : Anaintroduction. Geoinformatics, I I no .l: 25-34.

Khesin B. E., Alexeyev V.V. and Eppelbaum L.V.., 1993. Investigation of geophysical fields in pyritedeposits under mountainous conditions. Journal of Applied Geophysics, 30: 187-204.

Khesin B. E. and Eppelbaum L.V., 1994. Near surface thermal prospecting: Review of processing andinterpretation. Geophysics, 59: 7 44-7 52.

Parasnis, D. S., 1963, Principles of Applied Geophysics: John Wiley & Sons, [nc.Poley J.PH. and Stevenink I. V., 1970. Delination of salt domes and surface faults by temperature

measurements at a depth of approximately 2 meters : Geophys. Prosp., 18, 666-700.Simmons G., T96T.Interpretation of heat flow anomalies. Reviews of Geophysics, 5 :43-52.Telford, W. M., Geldart., L. D., Sherifi R. E., and Keys, D. R., 1976. Appl. Gephysics: Cambridge Univ.

Press.Grant, F. S. , and West, G. F., 1965, Interpretation in theory in Applied geophysics: McGraw-Hill.Wulandari ,F.,2004. Government tender 13 geothermal areas. The Jakarta Post. 03 April 2004.

t42