PENGANTAR METODE ELEKTROMAGNETIK

PENGANTAR

METODE ELEKTORMAGNETIK

A.           Pengertian Elektromagneti

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 ada- lah gelombang elektromagnetik, getaran, sifat kelistrikan, sifat kemagnetan, dan lain-lain.

Metode EM adalah salah satu metode geofisika untuk mengetahui anomali di bawah permukaan yang memanfaatkan sifat medan magnet dan medan listrik (Buttler, 2010).           

Survei elektromagnetik (EM) pada dasarnya diterapkan untuk mengetahui respons bawah permukaan menggunakan perambatan gelombang elektromagnetik yang terbentuk akibat adanya arus bolak-balik dan medan magnetik. Medan elektromagnetik primer dihasilkan oleh arus bolak-balik yang melewati sebuah kumparan yang terdiri dari lilitan kawat. Respons bawah permukaan berupa medan elektromagnetik sekunder dan resultan medan terdeteksi sebagai arus bolak-balik yang menginduksi arus listrik pada koil penerima (receiver) sebagai akibat adanya induksi elektromagnetik 

B.            Jenis-jenis Metode Elektromagnetik

Metode elektromagnetik yang digunakan umumnya terbagi menjadi 2, yaitu metode aktif dan metode aktif. Metode elektromagnetik aktif, menggunakan sumber gelombang elektromagnetik yang berasal dari  alam, contoh dari metode elektromagnetik ini antara lain Metode ektromagnetik VLF (Very Low Frequency) dan Metode Elektromagnetik Magnetotelurik. Sedangkan metode elektromagnetik aktif, menggunakan sumber gelombang elektromagnetik buatan yang di pancarkan oleh transmitter.

1.    Metode Very Low Frequency (VLF)

a.    Pengertian

Metode VLF-EM merupakan salah satu metode geofisika yang digunakan untuk menggambarkan rapat arus induksi yang terdapat di bawah permukaan bumi. Metode ini pertama kali diperkenalkan oleh Ronka pada tahun 1971. 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.

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 perubahanmedan 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.

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 Ɛ mirip dengan bagian quadrature (komponen imaginer) dari komponen vertikal. Kedua parameter tersebut diukur dalam prosentase terhadap medan primer horizontal.

                           Gambar 1 : Prinsip Kerja VLF

b.      Peralatan

Peralatan yang digunakan dalam pengambilan data metode VLF adalah sebagai berikut :

·      alat VLF-EM;

·      aki charger 12 V 2,2 A;

·      GPS;

·      kompas;

·      dan peralatan pendukung lainnya.

Peralatan utama yang diperlukan adalah 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.

c.       Akuisi Data

Hal pertama yang harus dilakukan untuk memperoleh data VLF  adalah me- nyiapkan 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 theodolit atau GPS untuk menentukan titik ukur.

·      Sumber gelombang EM frekuensi sangat rendah dari stasiun pemancar 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  dalam  dua  posisi, yaitu duduk dan berdiri.

d.   Pengolahan Data dan Interpretasi Data

1)   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.

Terdapat empat jenis koreksi dalam pengolahan data VLF-EM, yaitu :

·      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 benar- benar merupakan anomali bahan konduktif di bawah permukaan.

·      Filter Flaser

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.

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).

·      Filter Karous-Hjelt

Interpretasi kualitatif VLF-EM dapat dilakukan dengan menggunakan filter Karous- Hjelt. Penerapan hasil filter ini berupa distribusi kerapatan arus yang dapat member informasi mengenai daerah konduktif.

2)   Interpretasi Data VLF

              Setelah dilakukan pengolahan data hingga dilakukan berbagai filter-filter yang diperlukan makan hasil yang didapatkan berupa grafik frekuensi pengukuran  atau  dalam  bentuk  kontur/citra  2D  untuk  dapat  dilakukan  interpretasisetelah itu. Dalam melakukan interpretasi data VLF dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu :

·      Interpretasi dari Derivatif Fraser

Interpretasi yang dilakukan dari hasil derivative koreksi Fraser Filter.

·      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.

·      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.

·      Interpretasi terhadap data VLF dapat dilakukan dengan perangkat lunak

Interpretasi  yang  dlakukan  dengan  perangkat  lunak biasanya lebih mudah dan lebih akurat.

                   Gambar 2 : Hasil Interpretasi Data  

2.    Metode Magnetotelurik

a.    Pengertian

       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 – 104Hz).

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  menggunakan  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.

Metode Magnetotellurik adalah suatu metode yang bersifat pasif yang memanfaatkan tahanan jenis bawah permukaan. Medan EM yang digunakan mempunyai frekuensi yang panjang sehingga mampu menyelidiki keadaan permukaan dari kedalamaan puluhan hingga ribuan meter. Sumber medan EM yaitu aktivitas petir (>1Hz), resonansi lapisan iomosfer bumi (<1Hz), dan bintik hitam matahari (<<1Hz).

b.    Prinsip Kerja

Proses induksi elektromagnetik yang terjadi pada anomaly permukaan bawah.  medan EM yang menembus bawah permukaan akan menginduksi anomaly konduktif bawah permukaan bumi sehingga menghasilkan E dan magnetic sekunder yang kemudian direkam oleh alat magnetotellurik. Kontras resistivitas antara atmosfer dan permukaan bumi menunjukan bahwa gelombang  EM merambat vertical ke bawah permukaan. Berdasarkan sifat penjalaran, kedalaman penetrasi bergantung pada frekuensi dan  resistivitas. Material yang resistivitas lebih kecil mempunyai daya tembus yang lebih kecil sedangkan medan EM yang mempunyai frekuensi lebih tinggi mempunyai daya tembus yang tinggi.

                    Gambar 3 : Prinsip kerja Magnetotelurik

c.    Peralatan

       Dalam penggunaan metode Magnetotellurik (MT) sumber yang digunakan merupakan sumber alam. Sehingga pada metode ini peralatan yang digunakan hanyalah alat penangkap gelombang elektromagnetik alat tersebut. Peralatan tersebut diantaranya adalah sebagai berikut :

·      Alat Ukur  AMT (Audio Magnetotelluric) atau Magnetometer

Alat  ini  untuk  merekam  komponen  orthogonal  medan  listrik  (Ex dan Ey)  dan  medan  magnetik  (Hx dan Hy)  pada  jangkauan  frekuensi  tertentu. Ada  beberapa  jenis  alat  ukur AMT  yang  sering  digunakan,  di-antaranya  adalah  Model  JCR-103  (4-Channel)  dan  Model  MTU-5a (5-channel system) produksi Phoenix Geophysics.

·      Koil Induksi Magnetik

Koil induksi magnetic berfungsi sebagai sensor medan magnetik. Sen-sor ini dietakkan dipermukaan tanah.

·      Elektroda Listrik atau Porouspot

Elektroda listrik atau porouspot berfungsi sebagai sensor medan listrik. Sensor ini ditancapkan dengan kedalaman sekitar 30 cm.

·      GPS

GPS digunakan untuk menentukan koordinat lokasi pengambilan data.

·      kabel-kabel

Kabel  digunakan  untuk  menyambungkan  bagian-bagian  alat  dengan sensor.

·      Laptop atau komputer

Laptop atau Komputer untuk memonitor data yang direkam alat ukur AMT.

d.   Akuisisi Data

Pada dasarnya pengambilan data di daerah survey (data acquisition) MT dilakukan untuk mengetahui variasi medan EM terhadap waktu, yaitu dengan mengukur secara simultan komponen horisontal medan listrik (Ex , Ey) dan medan magnet (Hx , Hy). Sebagai pelengkap diukur pula komponen vertikal medan magnet (Hz). Oleh karena itu, alat ukur MT terdiri dari tiga sensor sinyal magnetik (magnetometer) dan dua pasang sensor sinyal listrik (elektroda) beserta  unit  penerima  yang  berfungsi  sebagai  pengolah  sinyal  dan  perekam data.

Setelah mempersiapkan segala peralatan dan mengkalibrasi peralatan yang diperlukan, langkah-langkah dalam pengambilan data yaitu sebagai berikut :

1)   Pemasangan Sensor Medan Listrik

Pemasangan sensor medan listrik yaitu dengan menanam 4 buah po-rouspot di titik utara, selatan, barat dan timur dari titik pengukuran. Jarak antar tiap porouspot dari timur ke barat dan dari utara ke selatan biasanya adalah 80-100 meter tergantung kepada kondisi topografi daerah setempat. Penanaman porouspot dilakukan dengan menggali lubang sedalam kurang lebih 30 cm. Porouspot yang digunakan se-bagai  sensor  medan  listrik  ini  sebaiknya  dari  jenis  nonpolarizable porouspot Cu - CuSO4 dengan kestabilan yang tinggi terutama ter-hadap perubahan temperatur karena pengukuran data MT memerlu-kan waktu yang relatif lama dibanding dengan pengukuran potensial pada survey geolistrik tahanan-jenis. Elektroda jenis Pb - PbCl2 atauCd - CdCl2 jarang digunakan, disamping mahal juga dapat mencemari lingkungan.

2)   Pemasangan Sensor Magnetik

Sensor  medan  magnetik  berupa  koil  induksi  magnetik  ditanam pada kuadran yang berbeda. Susunan letak sensor magnetik (Hx, Hy, Hz)  pada  masing-masing  kuadran  ditunjukan  oleh  gambar  2.5.  Koil induksi magnetik ini mempunyai panjang 120-150 cm.

Kuadran I terletak pada sumbu garis semu yang berarah timur dan utara.  Kuadran  II  terletak  diantara  arah  barat  dan  selatan. Kuadran III terletak diantara arah selatan dan timur. Pemasangan koil magnetik harus dilakukan secara hati-hati, karena koil ini sensitif terhadap cuaca,  suhu,  tekanan,  dan  benturan.  Penanaman  koil  Hx  umumnya ditanam  pada  kuadran  II  dengan  posisi  horizontal  dan  bagian  yang tersambung  dengan  kabel  menghadap  ke  selatan.  Koil  ini  ditanam sedalam 30-50 cm, dan posisi koil harus tepat horizontal dengan arah utara-selatan.

Hal  yang  sama  dilakukan  pada  koil  Hy  dan  Hz  tetapi  berbeda kuadrannya. Koil Hy berada pada kuadran IV dengan bagian yang ter-sambung kabel menghadap ke barat. Sedangkan untuk koil Hz sedikit berbeda dengan koil yang lainnya, karena koil ini mngukur komponen vertikal. Koil Hz ditanam dengan posisi vertikal pada kuadran I den-gan posisi bagian yang tersambung kabel berada di permukaan.

3)   Pengaturan Konfigurasi Alat

Setelah  instalasi  alat  selesai,  seluruh  kabel  (sensor  magnetik  dan sensor medan listrik) dan GPS disambungkan dengan magnetometer dan laptop. Pengisian parameter data, konfigurasi sistem dan monitoring  data  selama  akuisisi  dilakukan  dengan  menggunakan  perangkat lunak yang mendukung, misalnya MTU Host Software produk Phoenix Geophysics.

e.    Pengolahan Data

Data  magnetotellurik  yang  didapatkan  dari  akuisisi  di  lapangan  adalah berupa seri waktu (time series). Adapun langkah-langkah dalam pengolahan data magnetotellurik (MT) adalah sebagai berikut :

1)   Pra pengolahan Data

Pada tahap ini, data mentah yang telah direkam mengalami proses  editing  dan  demultiplexing  untuk  menggabungkan  data  dari  setiap  kanal  yang  sama  (elektrik  atau  magnetik)  untuk  masing-masing jangkah  frekuensi  (LF,  MF  dan  HF).  Data  tersebut  adalah  keluaran dari sensor elektrik dan magnetik yang masih berupa harga tegangan listrik terukur. Proses gain recovery ditujukan untuk mengembalikanfaktor perbesaran atau amplifikasi yang telah digunakan. Disamping itu, pada proses tersebut harga tegangan listrik terukur dikonversikan ke dalam  satuan  yang  biasa  digunakan  (mV/km  untuk  medan  listrik dan nano Tesla atau gamma untuk medan magnet).

2)   Pengolahan Data

Seleksi data dalam domain waktu dapat dilakukan secara manual (seleksi  visual)  maupun  otomatis  dengan  menetapkan  nilai minimal korelasi data yang dapat diterima. Korelasi yang dimaksud adalah korelasi silang (cross-correlation) antara medan listrik dan medan magnet yang saling tegak-lurus. Hasilnya dalam bentuk seri waktu (time series) disimpan dalam file.

3)   Analisa Tensor

Jika medium homogen atau berlapis horizontal (1-D) maka Zxx = Zyy = 0 dan Zxy = -Zyx = Z, dimana Z adalah impedansi yang diperoleh dari komponen horisontal medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus. Dengan kata lain, hubungan antara komponen horisontal  medan  listrik  dan  medan  magnet  tidak  lagi  dinyatakan  oleh suatu tensor melainkan suatu bilangan skalar kompleks.Untuk medium 2-D dengan sumbu x atau sumbu y searah dengan jurus (strike) maka Zxx = Zyy = 0, namun Zxy ≠ -Zyx. Secara matematis, kita  bisa  menghitung  tensor  impedansi  yang  seolah-oleh  diperoleh dengan sistem koordinat pengukuran lain melalui rotasi. Hal ini san-gat berguna karena arah jurus struktur tidak diketahui saat pengukuran dilakukan. Jika sumbu x dalam sistem koordimat pengukuran searah dengan jurus  maka  elemen  tensor  hasil  rotasi  Zxy  dan  Zyx  merupakan  im-pedansi yang berkaitan dengan pengukuran medan listrik sejajar jurus atau TE-mode  (Transverse  Electric)  dan  tegak  lurus  jurus  atau TM-mode (Transverse Magnetic).

f.     Pemodelan dan interpretasi Data

1)    Pemodelan 1D

Model 1-D merupakan model yang sederhana, dalam hal ini tahan-an-jenis hanya bervariasi terhadap kedalaman. Parameter dalam model 1-D adalah tahanan-jenis dan ketebalan tiap lapisan. Model 1-D direp-resentasikan  oleh  model  berlapis  horisontal,  yaitu  model  yang  terdiri dari beberapa lapisan dimana tahanan-jenis pada setiap lapisannya ada-lah homogen. Pemodelan menggunakan model 1-D hanya dapat diterapkan pada data yang memenuhi kriteria data 1-D. Namun demikian, dengan asumsi  tertentu  pemodelan  1-D  dapat  pula  diterapkan  pada  data  yang  di-anggap mewakili kecenderungan lokal atau struktur secara garis besar, misalnya impedansi invarian dan impedansi dari TE-mode. Pemodelan 1-D menggunakan kurva sounding TE-mode didasarkan atas anggapan bahwa pengukuran medan listrik searah jurus tidak terlalu dipengaruhi oleh diskontinuitas lateral tegak lurus.

2)    Pemodelan 2-D

Parameter model 2-D adalah nilai tahanan jenis dari tiap blok yang berdimensi  lateral  (x)  dan  dimensi  vertikal  (z).   Algoritma  non-linier conjugate gradient (NLCG) digunakan untuk memperoleh solusi yang meminimumkan fungsi objektif ψ,Pemodelan inversi dengan algoritma NLCG yang dijelaskan oleh Rodi dan Mackie (2001) diaplikasikan pada program WinGlink.

3)    Metode Inversi Bostick

Metoda  inversi  Bostick  (Jones,  1983)  merupakan  cara  yang  cepat dan mudah untuk memperkirakan variasi tahanan-jenis terhadap kedal-aman secara langsung dari kurva sounding tahanan-jenis semu. Metode ini diturunkan dari hubungan analitik antara tahanan jenis, frekuensi dan kedalaman investigasi atau skin depth. Namun perlu diingat bahwa me-toda ini bersifat aproksimatif sehingga hanya dapat dilakukan sebagai usaha pemodelan dan interpretasi pada tahap pendahuluan. Dalam me-toda  inversi  kuadrat  terkecil  (least-square), model awal dimodifikasi secara iteratif hingga diperoleh model yang responsnya cocok dengan data. Adanya  aproksimasi  atau  linearisasi  fungsi  non-linier  antara  data dan parameter model menyebabkan metode tersebut sangat sensitif terhadap pemilihan model awal. Oleh karena itu model awal biasanya ditentukan dari hasil pemodelan tak langsung atau hasil inversi Bostick. Kecenderungan terakhir menunjukkan bahwa metode inversi tidak hanya ditujukan untuk menentukan satu model saja melainkan sejumlah besar  model  yang  memenuhi  kriteria  data  (misalnya,  metode  Monte-Carlo). Estimasi statistik dari model-model yang diperoleh digunakan untuk  menentukan  solusi  metoda  inversi.  Kecenderungan  baru  tersebut terutama ditunjang dengan tersedianya komputer pribadi (PC) dan workstations yang dilengkapi dengan processor berkecepatan tinggi.