materi vlf

35
METODE ELEKTROMAGNETIK VERY LOW FREQUENCY (VLF) I. Pendahuluan Metode VLF merupakan salah satu metode elektromagnetik (EM) yang bertujuan untuk mengukur daya hantar listrik (konduktivitas) batuan dengan cara mengetahui melalui pengukuran sifat-sifat gelombang EM sekunder. Gelombang sekunder ini dihasilkan dari induksi EM sebuah gelombang EM bidang primer yang berfrekuensi sangat rendah dari 10 sampai 30 KHz. Karena rendahnya nilai frekuensi yang digunakan, maka jangkau frekuensi dikelompokkan ke dalam kelompok VLF (Very Low Frequency). Metode ini memanfaatkan gelombang pembawa (carrier wave) dari pemancar yang dibuat oleh militer yang sebenarnya digunakan untuk komunikasi dan navigasi kapal selam bawah laut. Gelombang ini memiliki penetrasi yang cukup dalam karena frekuensinya yang cukup rendah. Gelombang VLF menjalar ke seluruh dunia dengan atenuasi yang kecil dalam pandu gelombang antara permukaan bumi dan ionosfer. Karena induksi gelombang primer tersebut, di dalam medium konduktif akan timbul arus induksi (arus Eddy). Arus induksi inilah yang menimbulkan medan sekunder yang dapat ditangkap di permukaan. Besarnya kuat medan EM sekunder ini sebanding dengan besarnya daya hantar listrik batuan (), sehingga dengan mengukur kuat medan pada arah tertentu, secara tidak langsung kita dapat mendeteksi daya hantar listrik batuan di bawahnya. 1

Upload: andi-faesal

Post on 06-Nov-2015

177 views

Category:

Documents


19 download

DESCRIPTION

geofisika

TRANSCRIPT

BAB II

Metode Elektromagnetik Very Low Frequency (VLF)

I. Pendahuluan

Metode VLF merupakan salah satu metode elektromagnetik (EM) yang bertujuan untuk mengukur daya hantar listrik (konduktivitas) batuan dengan cara mengetahui melalui pengukuran sifat-sifat gelombang EM sekunder. Gelombang sekunder ini dihasilkan dari induksi EM sebuah gelombang EM bidang primer yang berfrekuensi sangat rendah dari 10 sampai 30 KHz. Karena rendahnya nilai frekuensi yang digunakan, maka jangkau frekuensi dikelompokkan ke dalam kelompok VLF (Very Low Frequency).

Metode ini memanfaatkan gelombang pembawa (carrier wave) dari pemancar yang dibuat oleh militer yang sebenarnya digunakan untuk komunikasi dan navigasi kapal selam bawah laut. Gelombang ini memiliki penetrasi yang cukup dalam karena frekuensinya yang cukup rendah. Gelombang VLF menjalar ke seluruh dunia dengan atenuasi yang kecil dalam pandu gelombang antara permukaan bumi dan ionosfer.

Karena induksi gelombang primer tersebut, di dalam medium konduktif akan timbul arus induksi (arus Eddy). Arus induksi inilah yang menimbulkan medan sekunder yang dapat ditangkap di permukaan. Besarnya kuat medan EM sekunder ini sebanding dengan besarnya daya hantar listrik batuan ((), sehingga dengan mengukur kuat medan pada arah tertentu, secara tidak langsung kita dapat mendeteksi daya hantar listrik batuan di bawahnya.

Setelah mengikuti kelas ini, peserta diharapkan dapat melakukan proses pengambilan, pengolahan dan interpretasi sederhana data VLF di lapangan dan di dalam laboratorium serta dapat mengoperasikan peralatan T-VLF BRGM secara baik dan benar.

Perkembangan Metoda VLF

Fakta bahwa sifat kelistrikan tanah mempengaruhi penjalaran gelombang radio telah diketahui selama bertahun-tahun. Pengukuran konduktivitas dan konstanta dielektrik bumi dengan menggunakan teknik wave-tilt dilakukan pertama kali pada tahun 1930 [Barfield (1934)]. Pengukuran awal ini masih dilakukan pada frekuensi relatif tinggi sehingga penetrasi kedalaman yang dihasilkannya dangkal. Frolov (1961) menggunakan sinyal yang dipancarkan oleh stasiun broadcasting untuk melakukan pemetaan geologi, metode ini dikenal sebagai metode gelombang radio (the radio-wave method). Paal (1965) melakukan penelitian bahwa gelombang radio pada frekuensi VLF (secara teknis berada pada pita 3-30 kHz, tetapi faktanya dibatasi hanya sampai 15-30 kHz oleh pemancar berdaya tinggi yang ada) dapat digunakan untuk menyelidiki kelistrikan tubuh mineral konduktif. Dengan survei yang dilakukan di atas tubuh mineral yang telah diketahui, dengan menggunakan alat field-intensitymeter terkalibrasi, Paal menunujukkan bahwa medan magnetik horisontal VLF dikuatkan lebih besar di atas struktur konduktor, sedangkan modulus komponen medan magnetik vertikalnya menjadi minimum. Pada lokasi tersebut terjadi penyimpangan maksimum jarum kompas yang disebabkan oleh komponen medan magnetik vertikal. Paal juga mengenalkan pengaruh adanya konsistensi terhadap respon dari suatu arus yang terinduksi oleh gelombang elektromagnetik (medan radio) dan bergerak sepanjang batas puncak dari target. Pengukuran kuat medan yang dilakukan Paal di daerah pertambangan meskipun terganggu oleh adanya gangguan (noise) yang berasal dari mesin, kabel, mineral, dsb., ternyata bahwa kuat medan horisontal pada kedalaman 275 meter masih sekitar 25 persen dari nilai di permukaan, dari hasil tersebut Paal menyimpulkan bahwa tubuh mineral dapat dideteksi di bawah kedalaman sekitar 100 meter.

Pada tahun 1964 Ronka (Paterson dan Ronka, 1971) memperkenalkan pertama kali instrumen ground VLF secara komersial, dan dalam beberapa tahun kemudian instrumen yang sama juga telah dibuat oleh perusahaan-perusahaan lain. Sampai dengan tahun 1969 beberapa sistem airborne VLF juga telah diterbangkan secara komersial. Semua instrumen ini, baik yang di tanah atau di udara, pada dasarnya mengukur tilt-angle medan magnetik atau kuat medan magnetik vertikal dan horisontal sehingga dapat untuk mendeteksi adanya target konduktif. Pendekatan yang berbeda dilakukan oleh Collett dan Becker (1967). Mereka memperkenalkan metode Radiohm yang pada dasarnya adalah tipe instrumen magnetotelluric yang menggunakan pemancar VLF sebagai sumber sinyal. Instrumen ini mempunyai kelebihan karena menggunakan sumber yang koheren dan pengukuran terhadap sudut fase antara medan listrik dan magnetik diukur secara akurat sehingga dapat digunakan untuk interpretasi. Tidak seperti instrumen terdahulu yang bekerja satu per satu terhadap komponen-komponen medan magnetik, Radiohm secara langsung mengukur impedansi gelombang, dari hasil ini resisitivitas medium dapat diturunkan, sehingga dapat digunakan untuk pemetaan geologi berdasarkan perbedaan nilai resistivitas medium. Pada tahun yang sama Barringer (1973) telah menggunakan sistem airborne Radiophase dan E-phase VLF untuk survei geofisika. Sistem ini menggunakan medan listrik vertikal sebagai acuan fase dan E-phase yang secara unik mengukur komponen quadrature medan listrik, dari hasil tersebut, sekali lagi resistivitas medium dapat diturunkan. Pada tahun 1974, Tilsley (1973) menyarankan penggunaan pemancar VLF portabel sebagai alat tambahan selain pemancar VLF reguler yang sudah ada. Pemancar portabel ini dimanfaatkan pada saat komponen medan magnetik dari pemancar VLF yang tersedia sangat kecil efeknya terhadap target. McNeill et al. (1981) dan Fischer et al. (1983) menyarankan penggunaan sumber sinyal VLF minimal dua frekuensi dengan arah stasiun pemancar yang satu paralel atau searah dengan jurus struktur batuan yang diselidiki atau disebut polarisasi-E (E-polarization) atau mode TE dan arah stasiun pemancar yang lain tegak lurus dengan arah jurus struktur yang disebut polarisasi-H (H-polarizaton) atau mode TH. Penggunaan dua atau lebih sinyal yang saling tegak lurus diharapkan dapat menambah informasi tentang respon medan magnetik dan listrik sekunder yang disebabkan oleh induksi medan primer elektromagnet pada medium.

Kebanyakan sampai dengan tahun 1980 survei geofisika dengan metode VLF hanya digunakan untuk eksplorasi mineral atau penyelidikan air tanah, ternyata dalam perkembangannya metode ini dapat diperluas untuk keperluan geoteknik (hidrologi, teknik sipil, dll.). Ogilvy et al. (1991) menerapkan teknik VLF-R untuk memetakan saluran lubang udara di bawah tanah dan sekaligus detil stratigrafi formasi di sekitar lubang tersebut. Dari dua pengukuran yaitu polarisasi-E dan polarisasi-H yang dilakukan, ternyata respon dari polarisasi-H menunjukkan hasil yang sangat baik, namun tidak demikian dengan polarisasi-E.

Teknik pengolahan data metode VLF mempunyai peranan penting dalam pendeteksian batas konduktor yang merupakan masalah utama dalam penyelidikan mineral. Beberapa teknik pengolahan berdasarkan filter linier telah dibuat untuk mengatasi masalah ini. Fraser (1969) memperkenalkan suatu filter gradien horisontal yang memperkuat anomali dengan panjang gelombang lima kali dari jarak antar stasiun dan merubah dari data profil menjadi lebih sederhana dalam bentuk data terkontur. Korous dan Hjelt (1983) memperluas filter Fraser ini dengan cara menentukan koefisien filter sehingga dapat menghitung densitas arus penampang melintang (cross-section) yang diperoleh dari data pengamatan in-phase (riil). Ogilvy dan Lee (1991) mengevaluasi teknik ini dengan menggunakan berbagai macam model dua dimensi struktur bawah permukaan. Meskipun dari teknik pengolahan di atas dapat digunakan untuk menentukan posisi sumber medan vertikal, namun tidak menghasilkan parameter fisik yaitu konduktivitas atau resistivitas. McNeill (1991) mengusulkan suatu transformasi yang berfungsi untuk mengkonversi data magnetik VLF-EM ke dalam konduktivitas semu. Sedangkan Chouteau et al. (1996) mengusulkan transformasi yang mengkonversi pengukuran VLF-EM ke dalam resistivitas semu. Eisler (1979) merumuskan suatu perhitungan untuk mereduksi efek topografi yang diperoleh khususnya dari data pengukuran VLF-EM, dengan asumsi bahwa sumber sangat jauh. Dengan perhitungan ini pengaruh relief dapat dipisahkan dari tubuh konduktif lokal penyebab anomali.

Perkembangan metode VLF yang tidak kalah pentingnya adalah teknik interpretasi secara kuantitatif. Pada awalnya interpretasi kuantitatif masih berpijak pada kurva standar, kemudian dengan berkembangnya bahasa pemrograman dan fasilitas komputer yang semakin baik, interpretasi kuantitatif telah beranjak menuju pemodelan berdasar perhitungan numerik. Pada tahun 1971, Madden dan Vozoff mempublikasikan suatu ensiklopedi tentang data dan kurva-kurva pengukuran VLF, kemudian artikel-artikel berikutnya membahas tentang retas (dyke) konduktif dua dimensi(2D) di dalam medium konduktif (Olsson, 1980; Kaikkonen, 1979; Saydam, 1981; Poddar, 1982). Teknik pemodelan 2D berdasar perhitungan numerik pada dasarnya dapat dibagi dalam tiga metode, yaitu : (a) metode elemen hingga (finite element) dan beda hingga(finite difference) dengan model diskret (b) penggunaan rumus persamaan integral hanya pada daerah anomali konduktif yang diasumsikan diskret (c) teknik hamburan matriks fungsi eigen (eigenfunction) gelombang bidang dengan model sederhana seperti silinder, balok atau pembajian dalam lapisan bumi (Nissen, 1986).

II. Teori Elektromagnetik VLF

Persamaan Maxwell dalam bentuk hubungan vektor medan listrik dan magnetik dapat digunakan untuk memahami perambatan gelombang. Dua diantara empat persamaan Maxwell tersebut adalah,

(( E =

(1)

(( H = J +

(2)

dengan J = densitas arus (Ampere/meter2), E = intensitas medan listrik (Volt/meter), B = densitas fluks magnetik (weber/meter2), H = intensitas medan magnetik (Ampere/meter), D = pergeseran listrik (Coulomb/meter). Persamaan (1) adalah bentuk matematis dari hukum Faraday yang menyatakan bahwa medan listrik timbul di daerah medan magnetik yang merupakan fungsi waktu. Persamaan (2) adalah bentuk matematis dari hukum Ampere yang menyatakan bahwa medan magnetik yang terjadi di dalam suatu ruang, ditimbulkan oleh aliran arus, serta medannya berbanding lurus dengan arus total (konduksi dan pergeseran) di daerah tersebut.

Dengan menerapkan identitas vektor (.( ( A = 0 pada kedua persamaan tersebut, akan didapatkan persamaan medan yang merupakan fungsi waktu, yaitu,

(.( ( E =, sedangkan

(. B = 0

(3)

Dengan cara yang sama, diperoleh,

.

Divergensi arus sama dengan laju akumulasi muatan, atau (. J = - .

Pada daerah yang memiliki konduktivitas tertentu, muatan tidak akan terakumulasi pada daerah tersebut selama ada aliran arus. Dari kejadian tersebut menjadikan =0, sehingga (. J diabaikan. Divergensi dari D adalah,

(. D = ( (o ((.E) = 0

(4)

Hubungan antara B dan H adalah sebagai berikut ,

B = ( (o H

(5)

Pada persamaan (4) dan (5) , (/(o = r = permeabilitas magnetik relatif dari suatu medium, (/(o = (r = kapasitas dielektrik relatif, (0 = permeabilitas ruang hampa (4((10-7 Henry/meter), (o = kapasitas ruang hampa (8,854 ( 10-12 Farad/meter). Dalam medium homogen isotrop, hubungan tersebut menjadi,

B = ( H, D = ( E, J = ( E

(6)

dengan ( = konduktivitas (mho/meter), dan persamaan (1) dan (2) dapat disederhanakan menjadi,

( ( E = - ( ()

(7)

( ( H = (E + ( ()

(8a)

Pada keadaan tertentu, apabila terdapat sumber arus bebas J0 , yang tidak berhubungan dengan medan magnetik (misal dari SP, peralatan sumber daya, dll.), persamaan (8a) menjadi,

( ( H = J0 + (E + ( () (8b)

Dengan menerapkan operasi kurl pada persamaan (7) dan (8a) serta dengan meng-gunakan identitas vector,

( ( ( ( A = (((. A) - (. (A = (((. A) - (2 A (9)

akan didapatkan,

(2E = ( () (( ( H) = ( ( () + ( ( () (10.a)

(2H = - ( (( ( E) - ( () (( ( E = ( ( () + ( (() (10.b)

Apabila fungsi waktunya dipilih sebagai sinusoidal, maka,

E(t) = E0 ej(t , H(t) = H0 ej(t , () = j(E , () = j(Hdengan ( = 2(f = frekuensi sudut dari medan. Selanjutnya persamaan (10.a) dan (10.b) disederhanakan dalam bentuk ,

(2E = j ( ( ( E - (2 ( ( E

(11)

(2H = j ( ( ( H - (2 ( ( H

(12)

Persamaan (11) dan (12) adalah persamaan elektromagnetik untuk perambatan vektor medan listrik dan magnetik di dalam medium homogen isotrop yang memiliki konduktivitas (, permeabilitas ( dan kapasitas (.Atenuasi Medan VLF

Gelombang akan mengalami peredaman dalam penjalarannya pada medium namun tidak pada ruang hampa. Hal ini dapat diterangkan sebagai berikut. Anggap bahwa besar relatif parameter (, (, ( dan (, katakanlah nilai normal maksimum ( terjadi pada air dimana ( / (o = 80, sedangkan untuk batuan pada umumnya bernilai kurang dari 10. Dengan cara yang sama, (1 / (o ( 3, terjadi pada mineral ferromagnetik; namun secara umum bernilai satu. Sehingga ( ( 10 (0 ( 9 ( 10-11 Farad/meter, ( ( 10 (0 ( 1,3 ( 10-8 Henry/meter. Di udara ( = 0, ( = (o dan ( = (o sehingga faktor (2 ( ( pada persamaan (11) dan (12) adalah sekitar 2 ( 10-7 yang menunjukkan atenuasi yang sangat kecil sekali di udara. Konduktivitas batuan dan mineral sangat bervariasi. Dalam batuan dengan konduktivitas rendah, ( = 10 (o, ( = (o dan ( ( 10-3 mho/meter, sedangkan nilai untuk ( = 1,3 ( 105 (untuk nilai f = 20.000 Hz), sehingga (2E ( (-2 ( 10-6 + 2 ( 10-4 j) E ( 0. Dalam suatu daerah yang memiliki kandungan sulfida atau grafit, ( ( 10-3 mho/meter, maka (2E ( (-2 ( 10-6 + 200 j) E ( 200jE. Dengan membandingkan persamaan (11) dan (12) akan terlihat hubungan yang serupa untuk H. Selanjutnya bagian real yang nilainya relatif sangat kecil akan diabaikan. Sebagai hasilnya, di dalam udara dan batuan yang berkonduktivitas rendah, akan didapat,

(2E ( 0, (2H ( 0

(13)

namun dalam batuan yang memiliki sifat konduktor yang baik, persamaan (10.a) dan (10.b) dapat ditulis sebagai ,

(2E ( (( () ( j(((E, (2H ( (( () ( j(((H (14)

Dengan anggapan gelombang menjalar sepanjang sumbu z, dan bidang xy adalah bidang polarisasi, maka penyelesaian persamaan (14) menggunakan bentuk ,H = Hy(z,t) = Ho ej(t+mz

dimana H adalah magnitudo dari H, selanjutnya

(2H = = m2H dan = j(HDengan substitusi ke persamaan (14) akan didapatm2 = j(((, atau m = ( (1+ j) ((((1(1/2) = ( (1+ j)a, dimana a = ((((1(1/2). Karena H harus terbatas pada z = + , sehingga tanda + pada m diabaikan agar nilai H tidak menuju ke tak hingga, dan penyelesaiannya ,

Hy = H0 ej(t (1+ j)az = H0 e-az + j((t az) (15.a)

Dengan mengambil bagian realnya, persamaan (15.a) dapat dituliskan menjadi ,Hy = H0 e az cos ((t az)

(15.b)

Persamaan (15.b) menyatakan gerak harmonis sederhana dengan pergeseran fase dan atenuasi secara eksponensial terhadap jarak perambatan. Atenuasi tersebut dapat ditulis sebagai (dengan pendekatan ( = (0) ,(Hy/H0(( e-2x 10 exp (-3) z((f/()

Kriteria umum yang sering digunakan untuk penetrasi gelombang elektromagnetik adalah skin depth, yaitu jarak dimana sinyal tereduksi sebesar 1/e atau 37% (Tabel 1.), dan diberikan oleh persamaan,

2 ( 10-3 zs((f/() = 1, atau zs = 500 (((/f)

Implementasi praktis persamaan skin depth dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Variasi skin depth terhadap frekuensi gelombang dan resistivitas (.

Skin Depth (m)

f (Hz)Resistivitas (Ohmm)

0.011102104

0.0150050005(1045(105

1016160160016000

1031.6161601600

1040.5550500

1050.161.616160

Dari table 1. tersebut di atas terlihat jelas bahwa jika resistivitas rendah, atau frekuensi tinggi, atau keduanya, medan magnetik tidak akan menembus sampai ke dalam bumi. Atau dapat kita katakan bahwa jika z (((/f) ( 103 , atenuasi akan menjadi besar dan sebaliknya. Untuk gelombang bidang terpolarisasi yang sama dari persamaan (15.b) dapat juga ditemukan adanya arus, dan dengan persamaan (6) dan (8) akan didapat,

(( H = ( E = Jdengan Jy = Jz = 0, dan Jx = - = - [H0 e-az cos ((t az)]

= a H0 e-az [cos ((t az) - sin ((t az)]

= (2 a H0 e-az cos ((t az + (/4)

= ((((() H0 e-z(((((/2) cos [((t z(((((/2) + (/4)] (16)

Syarat Batas

Untuk medan elektromagnetik pada bidang batas (interface) dengan (1 dan mungkin (1 berubah secara ekstrim, dapat diturunkan dari persamaan (1), (2), (3), dan (4) sebagai,

n ( (E1 E2) = 0, medan listrik tangensial ke bidang batas adalah kontinyu,

n ( (H1 H2) = 0, medan magnetik tangensial ke bidang batas adalah kontinyu,

n . ((1E1 - (2E2) = 0, rapat arus normal ke bidang batas adalah kontinyu,

n . ((1H1 - (2H2) = 0, fluks magnetik normal ke bidang batas adalah kontinyu.

Medan VLF

Untuk merubah persamaan gelombang ke dalam medan VLF, diperlukan pengandaian untuk menyederhanakan persoalan. Pada frekuensi yang rendah arus pergeseran diabaikan. Selanjutnya perhatian akan ditujukan hanya pada variasi frekuensi periodik. Dengan mengambil bidang xy sebagai horisontalnya dan z positif ke bawah, maka secara matematis hal tersebut dapat dituliskan sebagai ,

= 0, = 0 = , E ( e-j(t , H ( e-j(t , = -j(Bila gelombang terpolarisasi pada bidang xy dan menjalar ke arah z, vektor magnetik H0 pada sudut ( terhadap sumbu x memiliki komponen magnetic,

Hx0 = H0 cos ( dan Hy0 = H0 sin (Selanjutnya dapat ditulis sebagai berikut

Hx = (H0 cos () e-az cos ((t az)

Hy = (H0 sin () e-az cos ((t az)

(17.a)

Dari persamaan (8),

Ex = () (- )

= - ()(H0 sin ()e-az[-a cos((t az)+ a sin((t az)]

= (2 () (H0 sin () e-az cos ((t az + (/4) (17.b)

Dengan cara yang sama akan didapat untuk nilai Ey sebagai

Ey = (2 () (H0 cos () e-az cos ((t az + (/4)

(17.c)

Dan dengan membagi persamaan (17.b) dan (17.c) dengan (17.a), kuadrat perbandingan amplitudonya menjadi,

= (((

(18)

Atau,

( =

(19)

Dalam penggunaan praktisnya

( =

Untuk suatu keadaan batuan yang berlapis, nilai resistivitas yang diperoleh adalah nilai resistivitas semu ((a), yang nilainya dapat didekati dengan persamaan (19).

Beda Fase dan polarisasi

Dari persamaan (17.b) atau (17.c), beda fase antara komponen medan listrik dan komponen medan magnetik dapat dinyatakan dengan,

( = az - (/4

(20)

Nilai ( merupakan fungsi dari az, dan az merupakan fungsi konduktivitas medium (1 serta kedalaman z. Pada permukaan, nilai az = 0, sehingga ( = - (/4. Untuk medium dengan asumsi (1 konstan serta relatif miring terhadap permukaan topografi, akan memiliki nilai ( yang bervariasi pula.Pada saat gelombang primer masuk ke dalam medium, gaya gerak listrik (ggl) induksi es akan muncul dengan frekuensi yang sama, tetapi fasenya tertinggal 90o. Gambar 1 menunjukkan diagram vektor antara medan primer P dan ggl induksinya.

Gambar 1. Hubungan amplitudo dan fase gelombang sekunder (S) dan primer (P).

Andaikan Z(=R + i(L) adalah impedansi efektif sebuah konduktor dengan tahanan R dan induktans L, maka arus induksi, Is (=es/Z) akan menjalar dalam medium dan menghasilkan medan sekunder S. Medan S tersebut memiliki fase tertinggal sebesar ( yang besarnya tergantung dari sifat kelistrikan medium. Besarnya ( ditentukan dari persamaan tan ( = (L/R. Total beda fase antara medan P dan S akan menjadi,

90o + tan-1 ((L/R).

Berdasar hal ini dapat dikatakan bahwa, jika terdapat medium yang sangat konduktif (R(0), maka beda fasenya mendekati 180o, dan jika medium sangat resistif (R(() maka beda fasenya mendekati 90o. Kombinasi antara P dan S akan membentuk resultan R. Komponen R yang sefase dengan P (Rcos() disebut sebagai komponen real (in-phase) dan komponen yang tegak lurus P (Rsin() disebut komponen imajiner (out-of-phase, komponen kuadratur). Perbandingan antara komponen real dan imajiner dinyatakan dalam persamaan;

(21)

Pers. (21) menunjukkan bahwa semakin besar perbandingan Re/Im (semakin besar pula sudut fasenya), maka konduktor semakin baik, dan semakin kecil maka konduktor semakin buruk. Dalam pengukurannya, alat T-VLF akan menghitung parameter sudut tilt dan eliptisitas dari pengukuran komponen in-phase dan out-of phase medan magnet vertikal terhadap komponen horisontalnya. Besarnya sudut tilt (%) akan sama dengan perbandingan Hz/Hx dari komponen in-phase-nya, sedangkan besarnya eliptisitas ( (%) sama dengan perbandingan komponen kuadraturnya.

Jika medan magnet horisontal adalah Hx dan medan vertikalnya sebesar Hx ei( (Gambar 2), maka besar sudut tilt diberikan sebagai;

(22)

dan eliptisitasnya diberikan sebagai;

(23)

Gambar 2. Parameter polarisasi elips.

III. Desain Survey

Mode Tilt Angle

Mode tilt angle digunakan untuk mengetahui struktur konduktif dan kontak geologi seperti zona alterasi, patahan, dan dike konduktif. Dalam mode ini, arah strike target memiliki sudut ( 450 dengan lokasi pemancar. Pada konfigurasi pengukuran semacam ini (Gambar 3), medan primer akan memberikan fluks yang maksimum jika memotong struktur, sehingga memberikan kemungkinan anomali yang paling besar.

Gambar 3. Arah lintasan pengukuran mode tilt-angle.

Medan magnet yang memiliki komponen horisontal dan vertikal membentuk sebuah elips dapat ditunjukkan dengan sudut tilt dari sumbu mayor dan sumbu horisontalnya, dan eliptisitasnya (perbandingan sumbu minor/sumbu mayor). Alat akan mengukur dua besaran tersebut dari pengukuran komponen in-phase dan out-of-phase medan magnetik vertikal dari medan horisontalnya. Data tilt biasanya disajikan dalam derivatif Fraser. Parameter eliptisitas kadang digunakan untuk mengetahui bahwa struktur di bawah memiliki konduktivitas tinggi (nilai tilt bertanda terbalik) atau memiliki konduktivitas rendah (nilai dan tanda sama dengan nilai tilt).

Mode Resisitivity

Mode ini digunakan untuk mengetahui dike resistif dan di sisi lain untuk membatasi satuan geologi melalui pemetaan tahanan jenisnya. Mode ini sangat baik jika arah pemancar tegak lurus strike geologinya ((450) seperti terlihat pada Gambar 4. Alat akan mengukur besarnya tahanan jenis medium dan besarnya sudut fase medium. Letak anomali secara kasar berada di bawah puncak anomali tahanan jenis. Sedangkan nilai fase > 450 menunjukkan tahanan jenis semakin dalam semakin kecil, dan fase < 450 menunjukkan tahanan jenis semakin dalam makin besar.

Gambar 4. Arah lintasan pengukuran mode resistivity.

Akuisisi Data

Peralatan

1. Satu set TVLF-BRGM

2. Enam buah batere besar 1.5 V (pemakaian 8 jam)

3. Peta Lapangan baik peta topografi maupun geologi.

4. Rollmeter plastik (non metal)

5. Satu set Teodolit untuk penentuan arah lintasan dan posisi relatif.

6. Kompas Geologi,

7. Lup Geologi, untuk melihat jenis batuan dari dekat.

8. Palu Geologi, untuk mengambil sampel batuan.

9. GPS, untuk mengetahui lokasi titik ukur secara global.

Lokasi, pengambilan data dilakukan di lokasi yang relatif bebas dari medan elektromagnetik lainnya (misal jaringan listrik, pipa besi air minum, dan benda konduktif non anomali). Lokasi diusahakan tidak berundulasi karena efek topografi memberikan sumbangan medan dengan angka gelombang yang cukup rendah walaupun nantinya efek ini dapat direduksi.

Waktu, waktu pengukuran di Indonesia paling baik pada musim kemarau (bulan Mei-Juli) dari pagi-pagi sekali jam 06.00 hingga sekitar jam 11.00 siang.

Lintasan, arah lintasan mengikuti aturan pada desain survei. Jarak antar lintasan dapat diambil cukup bebas, sekitar 20 50 meter, sedangkan jarak antar stasiun bisa 10 20 meter. Untuk mode resistivity, jarak antar elektroda mengikuti panjang kabel yang tersedia (biasanya 10 meter). Pada saat pengukuran arah operator selalu sama (menghadap arah tertentu) di seluruh lintasan ukur untuk menghindari pembalikan pembacaan medan.

Pengolahan Data

Setelah seluruh survei selesai dilakukan, data yang telah tersimpan dalam kontroler T dapat ditransfer ke komputer atau printer. Pada saat melakukan transfer, data yang telah diambil tidak dapat dipilih melainkan seluruh data ditransfer ke komputer.

Data VLF sering dipengaruhi oleh noise yang berfrekuensi tinggi. Noise ini dihilangkan dengan proses rerata bergerak dengan bobot (weighted moving average) terhadap data tilt, eliptisitas ataupun resistivitas dalam satu lintasan ukur. Proses lain yang dapat diterapkan pada data tilt angle adalah proses derivatif Fraser yaitu dengan menerapkan rumus berikut pada sederetan data tilt dalam satu profil;

Y(a)=X(a-1) + X(a) - X(a+1) - X(a+2) (24)

dengan Y adalah hasil derivatif yang terletak pada spasi (a + ), dan a bergerak dari data stasiun ke-2 hingga data stasiun ke n-2.

IV. Interpretasi Data

Interpretasi dari Derivatif Fraser

Posisi benda penyebab anomali berada di bawah puncak (baik positif atau negatif) data derivatif Fraser. Gambar 5 berikut adalah contoh beberapa model dike dan hasil perhitungan derivatifnya. Gambar 6 menunjukkan gambar pengolahan data pemodelan sintetis dengan derivatif Fraser. Terlihat bahwa benda konduktif memiliki nilai fraser positif dengan puncak-puncaknya menunjukkan lokasi keberadaan benda penyebab anomali.

Gambar 5. Model dike dan nilai tilt (() serta derivatif Frasernya (---).

Interpretasi Perkiraan Langsung

Interpretasi ini berdasarkan analisis kualitatif data-data hasil pemrosesan dengan rerata bergerak. (1) Lokasi konduktor berada di bawah titik infleksi pada saat nilai tilt berubah tanda. (2) kemiringan data tilt pada titik infleksi menunjukkan kedalaman puncak konduktor. (3) ketidaksimetrisan profil secara kasar menunjukkan kemiringan konduktor. Analisis tersebut terlihat secara visual pada Gambar 7.

Gambar 6. Perhitungan derivatif fraser dari pemodelan VLFMOD

Gambar 7. Tilt medan elektromagnetik. Medan primer berarah horisontal. Resultan medan primer (P) dan sekunder (S) membentuk medan resultan (R).

Secara kuantitatif, interpretasi terhadap benda-benada penyebab anomali berbentuk tertentu dapat didekati dengan perhitungan berikut; (1) Untuk target berbentuk bola padat, kedalaman pusat d ( (x dan jejari bola r ( 1.3 d (tan-1 (max)1/3, dengan (x = jarak horisontal puncak maksimum-minimum data tilt, dan ( , nilai tiltnya. (2) Untuk model yang berbentuk garis atau lembaran tipis, kedalaman target d ( 0.5(x.

Interpretasi dengan Filter Linier

Interpretasi ini hanya diterapkan pada data tilt 2 dimensi. Melalui persamaan Biot-Savart (Karous dan Hjelt, 1983) dapat diketahui pengaruh rapat arus sebagai fungsi jarak horisontal dan vertikal I((,() terhadap komponen medan magnet vertikal Hz (lihat persamaan berikut)

(25)Persamaan tersebut merupakan persamaan konvolusi linier, yang dapat diselesaikan dengan aplikasi filter dekonvolusi. Operasi ini akan menghasilkan deret bilangan yang disebut sebagai filter linier. Filter yang bekerja dengan baik hampir di semua data lapangan (Karous dan Hjelt, 1983) adalah [-0.205, 0.323, -1.446, 1.446, -0.323, 0.205]. Filter ini dapat diterapkan pada deret data dengan spasi yang tetap (dx).

Gambar 8. Perhitungan rapat arus ekivalen dengan teori filter linier terhadap data sintetis berasal dari lempeng miring.

Gambar 8 menunjukkan contoh aplikasi filter linier untuk menginterpretasikan bentuk/dimensi benda berupa urat tegak. Respon yang muncul memberikan kenampakan urat tegak walaupun resolusi ke arah bawah semakin lemah.

Interpretasi dengan Pemodelan Komputer VLFMOD

Interpretasi terhadap data VLF baik tilt mode maupun resistivity mode dapat dilakukan dengan perangkat lunak VLFMOD. Program ini dapat diperoleh melalui situs www.abem.com. Memori yang diperlukan cukup kecil (kurang dari 1 MB) karena VLFMOD berjalan diatas platform sistem DOS. Perhitungan dengan software ini adalah pemodelan maju murni, dengan kata lain kita membuat sebuah model, kemudian merubah-rubah parameter model tersebut sehingga respon yang dihasilkan dapat sesuai dengan respon lapangan. Model dinyatakan dalam blok-blok medium yang memiliki konduktivitas tertentu, berada pada host medium dengan konduktivitas tertentu dengan/tanpa lapisan penutup. Susunan blok-blok tersebut akan membentuk sebuah benda yang dapat diinterpretasikan menjadi kenampakan geologi. Tampilan untuk model sederhana dapat dilihat lagi pada Gambar 6. Dengan sistem forward modelling ini, sangat dituntut pengalaman pemakai untuk membentuk model interpretasi. Keunggulan lain software ini adalah perhitungan efek topografi yang dapat diterapkan langsung ke data lapangan. Data topografi berupa stasiun dan ketinggian dimasukkan setelah data lapangan dimasukkan dan akan dikoreksikan secara langsung

III. Contoh Kasus1. Data Lapangan pengukuran di daerah mata air panas Krakal, Kebumen. Jawa Tengah.

Data diambil pada awal 2000 berarah timur-barat. Lokasi sumur berada pada stasiun 20. Spasi antar stasiun 10 meter dengan total 40 stasiun. Pemancar VLF yang digunakan adalah NWC Australia (21S47-114E09). Gambar 9, adalah contoh pengolahan data lapangan di daerah Mata Air Panas Krakal, Kebumen, Jawa Tengah. Sesuai dengan asumsi yang dipergunakan, mata air berbentuk pipa vertikal yang agak miring. Kenampakan tersebut sesuai dengan hasil filter linier yang dikenakan.

Gambar 9. Perhitungan rapat arus ekivalen terhadap data VLF di mata air panas Krakal, Kebumen, Jawa Tengah.

2. Data di atas aliran sungai bawah tanah dekat Goa Bribin Wonosari, Yogyakarta.

Data di ambil dengan menggunakan mode tilt. Sumber gelombang elektromagnet frekuensi sangat rendah yang digunakan berasal dari stasiun pemancar VLF NWC (Nort West Cape, 22300 Hz) Australia. Stasiun ini memiliki daya pancar cukup besar (1000 kW) dan mencakup hampir semua wilayah di Indonesia.

Data lapangan diambil dari satu lintasan sepanjang 445 m, dengan spasi antar stasiun (titik) 5 m sehingga diperoleh data sebanyak 89 titik. Lintasan yang dibuat diperkirakan memotong aliran sungai bawah tanah di permukaan dengan pengukuran tilt medan yang berinterferensi pada setiap titik ukur. Titik referensi yang digunakan adalah titik yang ada di kantor PDAM di dekat goa Bribin yang berupa bench mark di dekat pintu masuk sebelah timurPengelohan dan interpretasi dilaksanakan terhadap data tilt angle yang sudah diratakan terlebih dahulu dengan menggunakan filter moving evarage orde-5 . Filter moving evarage ini berfungsi untuk mengkompensasi noise acak yang muncul selama pengukuran. Noise tersebut muncul karena adanya aktivitas kelistrikan yang terjadi di ionosfer dan pengaruh ketidakhomogenan bawah permukaan. Profile data tilt angle dan terfilter moving evarage orde 5 diberikan pada gambar 10.

Gambar 10. Profile tilt angle yang asli (tanda bintang) dan data yang telah dilakukan penapisan dengan filter moving evarage orde 5 (garis merah) dari tiap stasiun pengukuran.

Data tilt angle yang sudah ditapis dengan filter moving evarage orde-5, kemudian diolah secara kualitatif dengan menggunakan filter dari Karous dan Hjelt (1983), yang berupa

(26)

dengan = kedalaman (m), = Rapat arus equivalent (%), = spasi pengukuran (m), dan = Data sudut kemencengan (tilt angle) (%)

Hasil pengolahan data tilt angle dengan menggunakan filter linier pers (26) yang dihitung untuk berbagai kedalaman disajikan pada gambar 12. Gambar 12 menunjukkan kontur pseudodepthsection rapat arus ekuivalen untuk berbagai kedalaman sepanjang lintasan. Sumbu arah horisontal kontur menunjukkan posisi titik-titik stasiun pengukuran, sedang sumbu arah vertikal menunjukkan kedalaman terhadap spasi tiap stasiun pengukuran.

Gambar 11. Pseudosection Rapat Arus Ekivalen data tilt angle yang sudah ditapis dengan filter moving evarage orde-5. Tanda panah menunjukkan daerah konduktif yang diduga sebagai sungai bawah tanah pada kedalaman 50 m dari titik ukur station 62. Sedangkan daerah konduktif lainnya di bagian yang lebih dangkal merupakan katong-kantong air yang terkumpul pada batu gamping.

Gambar 11, mengindikasikan adanya daerah konduktif dengan nilai rapat arus ekivalen tinggi pada stasiun pengukuran ke-59 s/d stasiun ke-65, pada kedalaman sekitar 50 meter dari permukaan. Disamping itu, pada stasiun pengukuran ke-67 s/d ke-79 , pada kedalaman sekitar 25 meter dari permukaan, juga terdapat daerah rapat arus ekivalen tinggi. Namun lokasi sungai bawah tanah diperkirakan berada pada daerah yang pertama, yaitu yang berada pada kedalaman 50 m dari permukaan. Hal ini mengingat kedalaman sungai di Goa Bribin adalah 65 m dari titik refrensi PDAM. Sedangkan ketinggian elevasi permukaan titik 59 sampai dengan titik 65 relatif sama dengan ketinggian elevasi titik referensi PDAM. Titik-titik ukur tersebut berada di bagian hulu dari sungai bawah tanah yang terlihat di dalam Goa Bribin. Untuk daerah konduktif kedua pada bagian atas (dangkal) diduga sebagai kantong air lokal yang terjebak dalam batu sedimen hasil pelapukan batu gamping yang dipergunakan sebagai lahan pertanian atau di dalam batu gamping itu sendiri yang berrongga. Daerah kedua ini terlalu dangkal jika diestimasi sebagai sungai bawah permukaan.

Daftar Bacaan

Barfield, R. H., 1934, Some measurements of the electrical constants of the ground at short wavelengths by the wave tilt method, Proc. Inst. Electr. Electron. Eng., 75, 214-220.

Bendat, J. S., and Piersol, A. G., 1968, Measurement and Analysis of Random Data. Willey, New York.

Bonacci, O., 1987, Karst Hydrology, Springer Series in Physical Environment, Springer Verlag, Berlin.

Chouteau, M., Zhang, P., Chapellier, D., 1996, Computation of apparent resistivity profiles from VLF-EM data using linearfiltering, Geophysical Prospecting, 44, 215-232.

Davies, K., 1965, Ionospheric Radio Propagation, Central Radio Propagation Laboratory, USA.

Edsen, N. A., Nissen, J., 1997, VLFMOD, a free forward VLF modelling software package, ftp: http://home1.swipnet.se/~w-11019/ABEM-ftp/Fischer, G., Le Quang, B. V., and Muller, I., 1983, VLF ground surveys, a powerfull tool for the study of shallow two-dimensional structures, Geophysical Prospecting, 31, 977-991.

Fraser, D.C., 1969, Contouring of VLF-EM data, Geophysics, 34, 958-967.

Frolov, A.D., 1961, Radio wave method of geological mapping, International Geological Review, 3, 1048-1059.

Gharibi, M. and Pedersen, LB., Transformation of VLF data into apparent resistivities and phases, Geophysics, 64, p1393-1402.

Iris Instruments, 1993, T-VLF Operating Manual (Release 1.0), BRGM & OYO Joint Venture, Orleans, Perancis.

Kaikkonen, P., 1979, Numerical VLF Modelling, Geophysical Prospecting, 27, 815-834.

Karous, M.R., 1979, Effect of relief in EM methods with vary distant source, Geoexploration, 17, 33-42.

Karous, M., and Hjelt, S.E., 1983, Linear filtering of VLF Dip-Angle Mesurement, Geophysical Prospecting., 31, 782-792.

McNeill, J. D., 1991, Relacon A VLF Magnetic Field Relative Conductivity Filter, Technical Note TN-26, Geonics Limited, Mississauga, Ontario, Canada.

McNeill, J. D., and Labson, V. F., 1991, Geological Mapping Using VLF Radio Fields, Investigations in Geophysics, no.3, vol.2, 521-640.

Nissen, J., 1986, A versatile electromagnetic modelling program for 2-D structure, Geophysical Prospecting., 34, 1099-1110.Ogilvy, R.D., Cuadra, A., Jackson, P.D., and Monte, J.L., 1991, Detection of an air filled drainage gallery by the VLF resistivity method, Geophysical Prospecting., 39, 845-859.

Ogilvy, R.D. and Lee, A.C., 1991, Interpretation of VLF-EM in-phase data using current density pseudosection, Geophysical Prospecting., 39, 567-580.

Paal, G., 1965, Ore prospecting based on VLF radio signal, Geoexploration, 3, 139-147.

Paterson, N.R., and Ronka, V., 1971, Five years of surveying with the very low frequency electromagnetic method, Geoexploration, 9, 7-26.

Reitz, J. R., and Milford, F. J., 1966, Foundation of Electromagnetic Theory, Addison Wesley, Tokyo.

Sharma, PV., 1997, Environmental and enggineering geophysics, Cambridge University Press.

Sismanto, Eddy H, Sudarmadji, M. Nukman, dan W. Suryanto, 2002, Uji Alat dan Metoda Geofisika Terpadu terhadap Sungai Bawah Tanah di Goa Bribin, Semanu, Wonosari, Gunung Kidul, Yogyakarta. Laporan Penelitian, Geofisika FMIPA, UGM, Yogyakarta.

Smith, B. D., and Ward, S. H., 1974, On The Computation of Polarization Ellipse

Parameters, Geophysics, v. 39, 867-869.

Tisley, J. E., 1973, A portable VLF-EM source for use in geological mapping of veins and fault structures and conventional prospecting, Report : David S. Robertson and Associates, Toronto, Canada.

Towle, NJ., 1983, VLF Electromagnetic Investigations of the Crater and Central dome of mount ST. Helens, Washington, Journal of Volcanology and Geothermal Research, 19, p113-120.

Watt, A. D., 1967, VLF radio engineering, Pergamon Press, New York.

P

R

S

es

R cos (

S sin (

S cos (

(

R sin (

0

(

z

x

a

b

(

Hz

Hx

Strike struktur

Arah Pemancar

Lintasan Ukur

Ht

Hz

Strike struktur

Arah Pemancar

Lintasan Ukur

Ht

Er

EMBED MSPhotoEd.3

S

R

S

P+S

R

P

P

PAGE 23

_1021347014.unknown

_1022040457.unknown

_1022041299.unknown

_1088419115.unknown

_1184590884.unknown

_1184591159.unknown

_1184592483.unknown

_1184591009.unknown

_1124365956.unknown

_1071299772.unknown

_1071299817.unknown

_1088419112.unknown

_1071299836.unknown

_1071299787.unknown

_1071299416.unknown

_1038059034.bin

_1022041182.unknown

_1022041242.unknown

_1022040969.unknown

_1021347457.unknown

_1022040039.unknown

_1022040361.unknown

_1021347769.unknown

_1021348188.unknown

_1022039866.unknown

_1021347813.unknown

_1021347493.unknown

_1021347385.unknown

_1021347418.unknown

_1021347294.unknown

_1021346293.unknown

_1021346635.unknown

_1021346847.unknown

_1021346505.unknown

_1021346569.unknown

_1021346403.unknown

_1021345916.unknown

_1021346220.unknown

_1021345582.unknown

_1018454947.unknown