Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Geolistrik merupakan salah satu metode Geofisika yang mempelajari sifat aliran listrik di dalam bumi dan bagaimana mendeteksinya di permukaan bumi. Ada beberapa macam metode Geolistrik, antara lain : Self Potential (SP), Resistivitas, Induced Polarization (IP), Elektromagnet, Arus Telluric, Magnetotelluric dan lain-lain. Metode Self Potential atau Potensial Diri merupakan salah satu metode geofisika yang pasif, artinya dalam melakukan pengukuran tidak perlu menginjeksikan arus ke dalam tanah dan hanya megukur tegangan statis alam pada titik-titik pengukuran.

I.2. Tujuan

Tujuan utama dari survei geofisika, khususnya metode Self Potential adalah 1. Mengenalkan metode yang dipakai dalam eksplorasi geolistrik dengan menggunakan metode Self Potential.2. Mengenalkan prinsip dan cara kerja alat yang dipakai dalam metode Self Potential.3. Memperoleh gambaran struktur lapisan bawah permukaan bumi dari variasi distribusi tegangan statis yang terukur. 4. Berdasarkan hasil interpretasi dan data geologi daerah eksplorasi, dapat ditentukan daerah-daerah prospek di tempat tersebut, yang sesuai dengan tujuan eksplorasi.

I.3. Lokasi Survei

Dalam praktikum kali ini, lokasi survei dipilih berdasarkan kesepakatan antara dosen pembimbing dan asisten, yang semuanya saling menunjang dalam praktikum geofisika terpadu.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Potensial Diri di Alam

Potensial diri yang terjadi di bumi disebabkan adanya reaksi elektrokimia ataupun aktifitas mekanik, tetapi faktor utama penyebab terjadinya potensial tersebut yaitu adanya air bawah tanah.

Mekanisme munculnya potensial diri dapat melalui 4 cara (Telford, 1976), antara lain :

1. Potensial Elektrokinetik

Potensial elektrokinetik terjadi secara mekanik, biasa disebut dengan aliran potensial. Potensial ini dapat diamati pada larutan yang bekerja pada kapiler atau

9

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

medium yang berpori, dimana larutan tersebut mempunyai resistivitas listrik () dan viskositas ().

(1)

Keterangan :

= potensial absorbsi (volt)

P = perbedaan tekanan (N/m2)

= konstanta dielektrikum larutan

= viskositas (Joule.dt/m2)

Besarnya potensial absorpsi merupakan potensial dari 2 lapisan (padat-cair) antara padatan dan larutan. Potensial ini secara umum tidak terlalu penting, akan tetapi efek aliran ini dapat megakibatkan adanya anomali yang biasanya besar dan berhubungan dengan topografi.

2. Potensial Liquid-Junction (Difusi)

Potensial ini disebabkan oleh perbedaan mobilitas dari variasi ion dalam larutan yang konsentrasinya berbeda. Besarnya harga potensial ini dapat dituliskan sebagai berikut :

(2)

Keterangan :

R = konstanta gas (8,31 Joule/oC)

F = konstanta Faraday (9,65 x 104 Cal/mol)

= temperatur absolut (K)

n = valensi

Ia, Ic = mobilitas anion dan kation

C1, C2 = konsentrasi larutan (mol/m3)

3. Potensial Shale (Nernst)

Bila dua elektroda logam yang identik dicelupkan dalam larutan yang homogen, maka tidak terjadi beda potensial pada kedua elektroda tersebut. Jika konsentrasi pada kedua larutan diubah, maka akan timbul beda potensial, dituliskan sebagai berikut :

(3)

Kombinasi antara potensial difusi dengan potensial Nernst disebut potensial diri elektrokimia atau potensial diri statis.

4. Potensial Mineralisasi

Jika dua elektroda logam yang berbeda dicelupkan pada larutan yang homogen, maka akan timbul beda potensial diantara kedua elektroda tersebut. Potensial kontak

10

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

elektrolit ini searah dengan potensial diri statis, hal ini ada hubungannya antara penyebab utama potensial yang besar dengan daerah mineral tersebut dan dikenal dengan sebagai potensial mineralisasi.

Potensial ini mempunyai harga relatif negatif di atas deposit (pirit, kalsiopirit, pirotit, magnetit, dan grafit) dan cukup stabil menrut waktu. Kebenaran teori tersebut masih belum secara pasti. Teori awal menghubungkan potensial mineralisasi bagian teroksidasi dari tubuh mineral yang berada di bawah permukaan air, tetapi tidak dapat digunakan dalam oksidasi grafit karena menunjukkan harga anomali yang besar untuk potensial diri tetapi tidak berlaku terhadap proses oksidasinya. Polarisasi yang terjadi pada tanah disebabkan adanya perbedaan aktifitas kimia yang mineralnya berhubungan atau kontak dengan larutan dan menyebabkan terjadinya aliran arus yang mengakibatkan perubahan kuantitas ion pada mineral sehingga timbul potensial.

Pengukuran di lapangan menunjukkan beberapa mineral harus berada di zona oksidasi agar anomali potensial diri terlihat di permukaan. Hal ini dikarenakan zona penyebab anomali memiliki perbedaan potensial yang terbentuk di zona oksidasi dan posisi yang berada di bawahnya. Namun penjelasan ini memiliki kelemahan yaitu pada grafit yang sering kali merupakan sumber anomali yang besar, tetapi tidak terjadi oksidasi yang besar, begitu juga dengan sulfida metal yang terjadi sebaliknya.

Besar efek potensial diri ini sesuai dengan hipotesa Sato dan Mooney dengan melakukan percobaan meletakkan dua elektroda yang bersifat elektrokimia mengalami reaksi setengah yang berlawanan, satu bersifat katoda terletak di atas permukaan air tanah dan lainya anoda di bawah permukaan air tanah. Di katoda mengalami reaksi penambahan elektron dan sebaliknya di anoda mengalami pengurangan elektron . Besar seluruh efek potensial diri tersebut dapat diterangkan melalui adanya perbedaan dalam potensial oksidasi dengan larutan pada dua setengah sel elektroda.

2.2. Metode Potensial Diri

Metode ini perrtama kali digunakan oleh Robert Fox pada tahun 1830 untuk menemukan daerah yang mengandung sulfida di Corn Wall, Amerika Serikat (Febriyadi, 2000). Pengukuran yang dilakukan menggunakan lempeng tembaga sebagai elektroda dan galvanometer sebagai pengukur beda potensial yang timbul. Pengukuran pertama kali ini merupakan pengukuran yang sederhana, hanya mengukur beda potensial yang timbul di antara pasangan elektroda yang dihubungkan dengan milivoltmeter.

Jika digunakan logam yang diletakkan di tanah sebagai elektroda potensial diri hasil reaksi kimia pada daerah kontak akan menghasilkan potensial yang tidak murni. Selanjutnya potensial kontak tersebut terbawa pada pengukuran di titik yang berbeda dan waktu yang berbeda, sehingga untuk menghasilkan potensial yang sebenarnya adalah sangat sulit. Untuk itu, maka pada pengukuran potensial diri digunakan elektroda nonpolarisasi. Elektroda nonpolarisasi ini pertama kali dipergunakan oleh Carl Barus pada tahun 1882 dengan menggunakan batang tembaga yang dicelupkan dalam larutan CuSO4 yang diletakkan pada porous pot (pot berpori).

11

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

Metode potensial diri dapat digunakan untuk mendeteksi anomali yang terjadi dikarenakan oleh fluida yang dihasilkan oleh proses-proses yang terjadi di daerah pembuangan sampah yang meresap maupun yang mengalir dibawah permukaan tanah. Metode potensial diri ini merupakan metode yang sesuai untuk mendeteksi adanya potensial listrik yang dihasilkan oleh interaksi yang terjadi antara logam atau sampah cair dengan tanah maupun air tanah. Disamping itu, metode potensial diri dapat digunakan untuk mendeteksi adanya resapan air zat cair ini, didasarkan pada potensial listrik yang dihasilkan oleh aliran fluida yang melalui media porous dan proses ini dinamakan kopling elektrokinetik. Beda potensial yang terukur diakibatkan adanya aliran induksi medan potensial listrik yang dapat diamati pada permukaan di atas aliran fluida.

Variasi potensial diri yang nyata di atas dan di sepanjang resapan secara lengkap disebabkan oleh geoelektrik, koefisien elektrokinetik, kecepatan aliran, kedalaman dan geometri aliran. Berdasarkan survei yang telah dilakukan, anomali yang terjadi pada resapan zat cair mencapai beberapa ratus milivolt dan diamati dengan menggunakan elektroda nonpolarisasi (Butler, dkk., 1988).

BAB IIIMETODOLOGI PENELITIAN

3.1. PeralatanAlat yang digunakan dalam Self Potential adalah sebagai berikut :

1. ResistivimeterJenis resistivimeter yang digunakan adalah Resistivimeter Campus Tigre dengan mengeset alat dalam mode Self Potensial. Alat pengukur dalam metode SP harus mempunyai impedansi yang besar sehingga arus yang mengalir melelui peralatan tersebut sangat kecil dan penurunan potensialnya sangat kecil (mendekati nol)2. KabelBerfungsi untuk menghubungkan arus dari elektroda potensial diri di lapangan ke alat pengukur.3. Porous PotSuatu elektroda nonpolarisasi yang terdiri dari sustu logam tembaga yang direndam dalam suatu larutan elektrolit (CuSO4) dalam pot yagn bagian bawahnya berupa lapisan semi permiabel untuk menghindari terjadinya potensial kontak.Sebelum dilakukan pengambilan data, dilakukan pengukuran pada titik yang sama selama 7 jam untuk mencatat nilai beda potensial setiap sepuluh menit sekali. Hal tersebut dimaksudkan untuk mengetahui variasi naik turunnya beda potensial terhadap waktu dikaenakan adanya tren naik turunnya permukaan air tanah.4. Global Positioning System (GPS)GPS digunakan untuk mengetahui posisi lintang dan bujur atau posisi XY di setiap titik pengukuran.

5. Palu GeologiUntuk menggali lubang tempat menanam porous pot.6. Meteran, digunakan untuk mengkur jarak tiap titik porous pot yang diberikan.7. Profiling, digunakan untuk mengetahui arah lintasan apabila menggunakan metode leapfrog.

12

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

8. Pencatat waktu digunakan untuk mengetahui variasi beda potensial terhadap waktu.

3.2. Metodologi Dalam penelitian dengan menggunakan metode Self Potential ada dua metode

yang dapat dipakai yaitu :1. Metode gradient atau ‘leapfrog’ (lompat katak ) atau metode dipole.Metode ini mirip dengan memakai metode Wenner yang dipakai dalam pengukuran resistivitas. Metode ini menggunakan dua elektroda yang dipindahkan secara bergantian sesuai dengan arah lintasan yang dipakai. Lintasan yang dipakai sebaiknya berbeda-beda atau menggunakan variasi interval yang dipakai sebagai perbandingan untuk mendapat hasil yang diinginkan lebih baik

Keuntungan dari metode ini adalah dapat mengurangi kesalahan komulatif akibat polarisasi elektroda dan pengukurannya bias lebih cepat, hanya saja metode ini kurang dapat mengenali noise yang bervariasi terhadap waktu. Untuk mengatasi masalah noise ini, maka dapat dilakukan data monitoring yang berfungsi sebagai koreksi data lapangan.

2. Metode Fix-BaseMetode ini dilakukan dengan cara mengukur titik awal atau titik referensi yang telah ditentukan terlebih dahulu, kemudian mengukur titik yang lain dan kembali mengukur titik referensi kembali dengan dicatat waktu pengambilan data untuk setiap titik menurut suatu lintasan. Lintasan yang digunakan dalam metode ini dapat berupa garis ataupun lingkaran yang sering disebut dengan istilah ‘loop’, diusahakan pengambilan data dalam satu lintasan masih dalam satu tren kenaikan atau penurunan beda potensial berdasarkan waktu yang telah dicatat sebelum pengambilan data untuk menghindari potensial efek tidal. Dengan menggunakan metode ini, hasil yang didapatkan lebih baik karena mempertimbangkan faktor noise akibat naik turunnya beda potensial dalam satu hari sebagai akibat naik turunnya permukaan air tanah. Noise tersebut dapat berupa arus telluric akibat variasi waktu medan magnetik bumi.

BAB IV

INTERPRETASI DATA

Teori Interpretasi Bawah Permukaan Data Potensial Diri

Anomali potensial diri ditimbulkan oleh perbedaan temperatur, tekanan atau konsentrasi kimiawi di bumi. Amplitudo anomali besarnya tergantung dari nilai perbedaan tekanan dan koefisien cross coupling yang berhubungan dengan aliran air tanah, panas atau bahan-bahan yang dapat menimbulkan potensial dan resistivitas listrik dari struktur bumi. Potensial yang ditimbulkan oleh aliran fluida disebut elektrokinetik atau aliran potensial yang berhubungan dengan aliran ion yang berhubungan dengan aliran ion yang berasal dari termoelektrik dan potensial elektrokimia (Corwin, 1989). Data potensial diri dapat diinterpretasi secara kualitatif, geometric atau secara analitis. Prosedur interpretasi yang digunakan tergantung dari tujuan pengamatan yang hendak dicapai.

13

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

Permodelan Sumber Berupa Titik

Asumsi sumber arus titik dapat menggunakan permodelan geometri yang merupakan yang fleksibel untuk permodelan anomali potensial diri (Corwin, 1989). Bermacam-macam konfigurasi sumber dengan berbagai distribusi arus dapat dinyatakan memiliki distribusi ruang dari sumber titik ataupun miring. Penggunaan permodelan sumber titik untuk observasi data dapat secara cepat mengidikasikan kedalaman sumber maksimum.

Digunakan asumsi bahwa sumber terdiri dari bagian atas dan bagian bawah (Houchstein, 1979) dan menunjukkan besar potensial pada beberapa titik di permukaan yang berasal dari bagian atas sumber yang tersembunyi adalah :

……(1)

keterangan :

I = total arus mengalir (A)

r1 = jarak sumber titik bagian atas ke titik pengamatan di permukaan (m)

Juga potensial pada bagian bawah :

……(2)

I = total arus mengalir (A)

r2 = jarak sumber titik bagian atas ke titik pengamatan di permukaan (m)

Jumlah potensial V di tiap titik pengukuran yang ada di permukaan yaitu

……(3)

14

2 x1/2

0V 2

1

V

(0,0)

Z

sumber

X’

X

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

Gambar 1. Anomali potensial diri yang ditimbulkan oleh bipole arus vertikal.

Diandaikan kasus bipole arus vertikal sederhana (Houchstein, 1979) di bagian yang berada dekat permukaan dengan kedalaman Z dan asumsi bahwa sumber potensial pada bagian atas saja, maka akan didapatkan :

, pada x = 0 ……(4)

Pada jarak x1/2, dimana V adalah ½ Vmaks dapat ditentukan bahwa

……(5)

Perbandingan antara Vmaks dengan ½ Vmaks adalah

……(6)

atau

3Z2 = x1/22 ……(7)

sehingga Z = 0,577x1/2 ……(8)

Persamaan (8) membantu dalam perhitungan untuk mencari kedalaman sumber secara tepat.

Permodelan Sumber Berupa Bola

Interpretasi bawah permukaan dengan model bola yang tersembunyi di bawah permukaan, yaitu dengan menggunakan rapat arus yang proporsional untuk menurunkan kurva potensial yang nantinya akan dipakai untuk interpretasi suatu potongan melintang yang tetap (petrovsky, 1982 Op Cit Febriyadi, 2000).

15

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

Petrovsky juga mengasumsikan bahwa massa bawah permukaan merupakan boal yang terpolarisasi, yang diatas permukaan tersebut terdapat bayangan yang sama persis seperti bentuk bawah permukaannya dan dianggap tidak terjadi interaksi diantara keduanya. Asumsi lain yang dibuat yaitu medan luar normal adalah homogen. Pada bagian atas bawah permukaan adalah kutub positif, sedang bagian lainnya mempunyai kutub negatif.

Gambar 2. Benda yang terpolarisasi dan bayangannya

Untuk setiap titik P di permukaan (sumbu X), Petrovsky menghitung besarnya potensial di sekitar bola massa bawah permukaan yang terpolarisasi dan tersembunyi tersebut, dapat dituliskan dengan persamaan :

……(9)

keterangan :

V = besarnya potensial di titik P (volt)

x = jarak titik origin (0,0) ke titik P (m)

h = kedalaman pusat bola (m)

R0 = jari-jari bola (m)

E = emf hasil polarisasi dari bola (emf)

= sudut polarisasi

Titik-titik ekstrimnya dapat diperoleh dengan menurunkannya terhadap x, sehingga dV/dx = 0, maka

…..(10)

…..(11)

atau

16

P X

H

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

-3hx.cos + (h2 – 2x2) sin = 0

…..(12)

dengan menggunakan rumus ABC didapatkan akar-akar x, yaitu

…...(13)

sehingga didapat

……(14)

untuk selanjutnya

……(15)

sehingga

……(16)

Panjang 2A adalah jarak antara titik potensial maksimum dan titik potensial minimum pada sumbu X.

Gambar 3. Potongan melintang dari kurva potensial diri sepanjang sumbu X

Pada gambar diatas merupakan potongan melintang potensial diri yang menunjukkan posisi relatif dari potensial maksimum dan minimum. Kemudian didefinisikan titik nilai tengah (mid value point) sebagai titik dengan potensial V1/2 sama dengan ½(Vmaks + Vmin) dan terletak diantara pusat maksimum dan pusat minimum disebut absisca atau x1/2.

17

Xmin

Pusat minimum

Pusat maximum

Xmax

Vmid

2A

Vmax

Jarak (m)

SP (mV)

Vmin

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

Dari persamaan (11) didefinisikan ER02 = A, maka

……(17)

dimana

……(18)

Untuk harga yang bervariasi, dapat dihitung F() dari persamaan (18), pertama dihitung xmaks/h dan xmin/h dari persamaan, disubstitusi ke persamaan akan menghasilkan Vmaks dan Vmin.

Untuk harga x1/2 dicari berdasar persamaan (17) dan (18), sehingga didapatkan

…..(19)

Data-data yang diperoleh dari pengamatan lapangan selanjutnya diplotkan pada kurva master, sehingga diketahui parameter-parameter anomalinya.

Permodelan Sumber Berupa Lempeng 2 Dimensi

Permodelan digunakan untuk mempermudah interpretasi data-data hasil pengukuran di lapangan secara kuantitatif. Model yang digunakan dalam permodelan berupa lempeng 2 dimensi ini berupa model lempeng dengan arah jurus, kemiringan dan kedalaman puncak maupun dasar diketahui dan ditunjukkan seperti pada gambar 4.

18

a

R2

R1Z1

Z2

l

O PX

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

Gambar 4. Model lempeng 2 dimensi yang miring

Ditinjau model lempeng panjang l dengan kemiringan , kedalaman puncak Z1 dan kedalaman dasar adalah Z2, maka potensial di P yang terletak di sumbu X adalah

…..(20)

dimana : r12 = x2 + Z1

2

r22 = (x – a)2 + Z2

2

V(x) adalah potensial terhadap tak hingga, adalah resistivitas dan I adalah rapat arus.

……(21)

V(x) = 0, dapat dipenuhi bila

2ax – (a2 + Z22 – Z1

2) = 0 ……(22)

atau V(x) = 0 pada

……(23)

Untuk memperoleh harga maksimum dan minimum diperoleh dengan menurunkan V(x), sehingga didapatkan

……(24)

xmaks dan x min diperoleh dari V(x) = 0, sehingga

ax2 – (a2 + Z22 – Z1

2)x – aZ12 = 0 ……(25)

maka

19

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

……(26)

……(27)

hasil perkalian dari persamaan (26) dan (27)

...(28)

Bila V(x) pada x = 0 adalah V(0), dan V(x) pada xmaks adalah Vmaks, serta V(x) pada xmin adalah Vmin, maka

……(29)

……(30)

Gradien horisontal dari V(x) adalah

…….(31)

Dipandang dua buah titik pada G(x) yang berjarak sama dari titik 0 sehingga berlaku : G(x) = -G(-x) …….(32)

Persamaan tersebut dapat dipenuhi bila

a(x2 – a2 – Z22) = 0 ……(33)

persamaan (32) mempunyai solusi yaitu a = 0 atau x2 = a2 + Z2

2, dimana a adalah panjang lempeng yang diproyeksikan ke permukaan, maka untuk lempeng yang miring besar a tidak sama dengan nol. Sehingga persamaan (32) mempunyai dua buah titik yang berjarak sama (simetri) tetapi berlawanan tanda, yaitu

xs = + ……(34)

berdasarkan persamaan-persamaan diatas, maka paralel model dapat diperoleh melalui persamaan berikut ini :

…..(35)

…..(36)

…..(37)

…..(38)

20

Integrated Geophysics Workshop 2007Bromo,6 – 9 Juli 2007Program Studi Geofisika ITS SURABAYA

Self Potential

…..(39)

Persamaan (35) sampai (39) digunakan untuk mengetahui parameter-parameter lempeng, sehingga kedalaman puncak, kedalaman dasar, panjang proyeksi lempeng ke permukaan dan sudut kemiringan model lempeng dapat diketahui.

21