IDENTIFIKASI DAN PEMODELAN KEDEPAN

TEROWONGAN KERETA API SASAKSAAT

DENGAN METODA GROUND PENETRATING RADAR

Diajukan sebagai syarat meraih gelar sarjana strata satu

di Departemen Teknik Geofisika, Institut Teknologi Bandung

oleh :

Nurhadi Bagus J

123 99 007

DEPARTEMEN TEKNIK GEOFISIKA

FAKULTAS ILMU KEBUMIAN DAN TEKNOLOGI MINERAL

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2006

1

HALAMAN PENGESAHAN

IDENTIFIKASI DAN PEMODELAN KEDEPAN

TEROWONGAN KERETA API SASAKSAAT

DENGAN METODA GROUND PENETRATING RADAR

Disusun oleh :

Nurhadi Bagus J NIM. 12399007

Menyetujui,

Dosen Pembimbing

Dosen Pembimbing I,

Dr. Agus Laesanpura NIP 132 243 858

Dosen Pembimbing II,

Dr. Rer. Nat. Wahyudi W. Parnadi, M.S NIP 131 923 765

2

ABSTRAK

Penelitian dilakukan di daerah Terowongan Kereta Api Sasaksaat,

Padalarang, Jawa Barat dengan menggunakan metode Ground Penetrating Radar

(GPR). Tujuan penelitian ini adalah untuk melihat kenampakan bangunan

terowongan dan kondisi geologi sekitarnya dibantu dengan pemodelan kedepan yang

diharapkan menghasilkan interpretasi yang lebih baik.

Pengukuran GPR di lapangan menggunakan peralatan sistem Zond dengan

frekuensi tengah 150 MHz dan 75 MHz. Konfigurasi radar yang digunakan yaitu

konfigurasi radar reflection profiling dengan orientasi antena PR-BD. Lintasan

pengukuran diambil secara tegak lurus terhadap terowongan pada ketinggian ± 8

meter diatas terowongan dengan jarak lintasan ± 30 meter.

Pada hasil pengukuran lapangan dan dari hasil pemodelan kedepan, difraksi

hiperbola dari terowongan teridentifikasi pada waktu 40 ns untuk frekuensi 150 MHz

dan pada waktu 45 ns untuk frekuensi 75 MHz, dimana difraksi dari terowongan ini

dapat dimigrasi secara optimum dengan kecepatan 0.3 m/ ns.

Dari interpretasi data lapangan dengan dibantu hasil pemodelan kedepan

dapat diketahui bahwa di sekitar terowongan terdapat struktur sesar.

3

ABSTRACT

The survey was done at sasaksaat train tunnel, Padalarang, West Java using

Ground Penetrating Radar (GPR) method. The purpose of survey is to recognizing

tunnel building all at once to mapping geological condition surroundings,

futhermore the data compared with result of forward modelling in order to give

better interpretation.

This GPR tool used for the survey is the Zond system. The center frequency

antenna 75 MHz and 150 MHz is used for measured profile. Antenna configuration

is using radar reflection profiling and PR-BD antenna orientation. The survey

profile which have 30 m distance is perpendicular to the tunnel.

The result of the survey and result forward modelling shows hyperbolic

diffraction from the tunnel detected at time 40 ns for antenna 150 MHz and at 45 ns

for antenna 75 MHz, where diffraction from the tunnel can be migrated optimumly

by velocity 0.3 m/ ns.

From field data and compare with model, fault structure is recognizing

surroundings the tunnel.

4

KATA PENGANTAR

Alhamdulilahirobbil’alamin, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah

SWT atas segala nikmat dan anugerah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan

penyusunan laporan tugas akhir yang berjudul “Identifikasi dan Pemodelan Kedepan

Terowongan Kereta Api Sasaksaat dengan Metoda Ground Penetrating Radar “.

Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih sebesar-

besarnya kepada pihak-pihak yang telah membantu dalam penyusunan tugas akhir

ini, antara lain :

1. Kedua orang tuaku Papah dan Mamah tercinta di Pangalengan yang tak lelah-

lelah memberikan kasih sayang, doa dan dukungan sampai saat ini, semoga

Papah dan Mamah bangga walaupun saat ini anakmu masih belum bisa

membalas budi. Kakak-kakakku tersayang Teh Evi dan Kang Irvan serta adikku

tercinta Eno yang senantiasa meberikan dukungan. Ponakanku tercinta Fadzla

dan Bimo.

2. Bpk.Dr. Agus Laesanpura, selaku pembimbing I dan Bpk. Dr. Rer. Nat. Wahyudi

W. Parnadi MS, selaku pembimbing II atas segala pengajaran dan kesabarannya

selama bimbingan, terima kasih pak.

3. Bpk. Prof. Djoko Santoso, Bpk. Prof. M.T Zen, Bpk. Prof. M. I. Tachyudin Taib,

Bpk. DR. Alfian Bahar, Bpk. DR. Sigit Sukmono, Bpk. DR. Wawan Gunawan,

Bpk. DR. T.A Sanny, Bpk. DR. Darharta Dahrin serta semua staf pengajar di

lingkungan Depatemen Teknik Geofisika.

4. Ibu Lili, Mbak Lili, Ibu Ning, Ibu Christin, Pak Dedi, Pak Udin, Pak Achmad

dan seluruh staf TU Teknik Geofisika atas kebaikan selama menjalankan kuliah

di jurusan Teknik Geofisika.

5. Acep “Chen-chen” yang telah memberikan bantuan dan mengajarkan prosesing

GPR serta sebagai teman seperjuangan selama masa kuliah.

6. Rully sebagai teman seperjuangan selama mengerjakan TA, akhirnya kita lulus

wan!!

5

7. Teman-teman seperjuangan di kampus : Indra, Agan, Muwi, Sofyan, Deni, Jaya,

Asrori, Made, Wahyudin. Teman-teman TERRA ’99: Awa, Rini, Ade, Beni,

Bastian, Hesti, Hendro, Rifki, Vickry, Jerry. Teman-teman di Al-Ardhy : Ifa,

Nissa, Egi, Salim, Asep dan teman-teman lainnya yang tidak bisa disebutkan satu

persatu.

8. Teman-teman satu Fakultas: Yedi Geologi, Fahmi Tambang, Ery Tambang,

Cecep GM.

9. Keluarga besar Gumuruh : Ua Bety, Om Harry, Om Budi, Bi Nung, Om Farid, Bi

Nining, Om Ali. Saudara-saudara di Gumuruh: Ferry, Yessi, Fahmi Lanx, Rindo,

Jasmine dan Kiki. Terima Kasih atas kebaikannya selama tinggal di Bandung.

10. Teman-teman di Pangalengan: Acep Karunx, Opik Miok, Indra, Gin-gin,

Waway, Adon, Mulya, Juhara, Abo.

11. For My Best : Zn

12. Serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah membantu

dalam penyelesaian tugas akhir ini. THANX 4 ALL!!

Akhir kata semoga Laporan Tugas Akhir yang sangat sederhana ini

sedikitnya memberikan manfaat bagi mahasiswa Teknik Geofisika , umumnya

bagi perkembangan Ilmu Pengetahuan. Terima Kasih.

Bandung, Juni 2006

Penyusun

Nurhadi Bagus J

6

DAFTAR ISI Hal

Abstrak iii

Abstract iv

KATA PENGANTAR v

DAFTAR ISI vii

DAFTAR GAMBAR x

DAFTAR TABEL xii

DAFTAR LAMPIRAN xiii

BAB 1 PENDAHULUAN 1

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Maksud dan Tujuan 1

1.3. Batasan Masalah 2

1.4. Waktu dan Tempat Penelitian 2

1.5. Metodologi Penelitian 3

1.6. Sistematika Pembahasan 3

BAB 2 GEOLOGI 4

2.1 Fisiografi dan Morfologi 4

2.2 Stratigrafi dan Struktur Geologi 5

BAB 3 DASAR TEORI 9

3.1 Prinsip Dasar Ground Penetrating Radar (GPR) 9

3.2 Persamaan Maxwell 10

3.3 Persamaan Material 11

3.3.1 Permitivitas Listrik 11

3.3.2 Konduktivitas Listrik 11

3.3.3 Permeabilitas Magnetik 12

3.4 Sifat Dielektrik Material Bumi 12

3.5 Perambatan Gelombang Radar 15

3.6 Kecepatan Gelombang Radar 15

7

3.7 Koefisien Refleksi dan Transmisi 16

3.8 Skin Depth (δ) 18

3.9 Pengurangan Energi dan Atenuasi 18

3.10 Resolusi 19

3.11 Noise 20

3.12 Pemodelan Finite Difference Time Domain (FDTD) 21

3.12.1 Teori Dasar FDTD 21

3.12.2 Metoda TM-FDTD 2 Dimensi 25

3.12.3 Pendekatan Numerik 27

3.12.4 Diskritisasi 27

3.12.5 Syarat Batas Serap (Absorbing Boundary Conditions) 28

3.12.6 Stabilitas Numerik 28

BAB 4 PENGOLAHAN DATA 29

4.1 Pengolahan Data Lapangan 30

4.1.1 Input Data 31

4.1.2 Editing 31

4.1.3 Gain 31

4.1.4 Dewow 32

4.1.5 DC-Shift 33

4.1.6 Move Starttime 33

4.1.7 Koreksi Statik 34

4.1.8 Bandpass Butterworth Filter 34

4.1.9 Dekonvolusi 34

4.1.10 Background Removal 35

4.1.11 F-K Filter 35

4.1.12 Migrasi 35

4.1.13 Konversi Kedalaman 36

4.2 Pemodelan Kedepan 38

4.2.1 Parameter Pemodelan 39

8

BAB 5 ANALISA DAN PEMBAHASAN 42

5.1 Interpretasi Data Lapangan 42

5.2 Hasil Pemodelan Kedepan 49

BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN

6.1. Kesimpulan 60

6.2. Saran 60

DAFTAR PUSTAKA 61

LAMPIRAN 63

9

DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

1.1 Peta Indeks ………………………………………………………….. 2

2.1 Geologi Permukaan dan Letak Terowongan…………......................... 5

2.2 Geologi Penelitian……………………………………………………. 7

3.1 Vektor gelombang pada batas lapisan................................................... 17

3.2 Resolusi GPR ………………………………………………………… 19

3.3 Wilayah analisa ...................................................................................... 22

3.4 Peletakan Medan EM diatas satuan sel................................................... 22

3.5 Wilayah Analisa..................................................................................... 25

3.6 Peletakan Medan EM............................................................................. 25

4.1 Skema Pengukuran Profil…………………………………………….. 29

4.2 Konsep gain…………………………………………………………… 32

4.3 Proses Dewow dan DC-shift …………………………………………. 33

4.4 Diagram Alir Pengolahan data …. …………………………………… 37

4.5 Diagram Alir Pemodelan GPR ……………………………………….. 38

4.6 Flowchart Pemodelan Metoda FDTD ………………………………... 39

4.7 Geometri Pemodelan …………………………………………………. 40

5.1 Radargram profil 150 MHz tahap background removal…………........ 44

5.2 Radargram profil 150 MHz yang telah dimigrasi…………………….. 45

5.3 Radargram profil 75 MHz tahap background removal……………….. 47

5.4 Radargram profil 75 MHz yang telah dimigrasi……………………… 48

5.5 Raw data model sintetik 150 MHz…………………………………… 50

5.6 Model sintetik 150 MHz yang telah dimigrasi………………………... 51

5.7 Perambatan gelombang radar f =150 MHz dari 10 ns s.d 60 ns…….. 53

5.8 Perambatan gelombang radar f = 150 MHz dari 70 ns s.d 100 ns……. 54

5.9 Raw data model sintetik 75 MHz……………………………………… 56

5.10 Model sintetik 75 MHz yang telah dimigrasi…………………………. 57

5.11 Perambatan gelombang radar f =75 MHz dari 10 ns s.d 60 ns……... 58

5.12 Perambatan gelombang radar f =75 MHz dari 70 ns s.d 100 ns……… 59

10

DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

3.1 Konstanta dielektrik, konduktivitas listrik, kecepatan,

dan atenuasi dalam berbagai medium untuk frekuensi

Tengah 100 MHz ……………………………………………………. 13

4.1 Parameter pengambilan data …………………………………………. 30

4.2 Permitivitas relatif, permeabilitas relatif dan konduktivitas

material dalam pemodelan …………………………………………… 40

11

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran Halaman

1. Fungsi Sumber Sinyal ………………………………………….. 64

2. Sinyal Ricker 75 MHz …………………………………………. 65

3. Sinyal Ricker 150 MHz ………………………………………… 66

4. Data Bor……………………………………………………….... 67

12

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan teknik pengukuran yang

menggunakan gelombang elektromagnet yang bersifat non-destruktif dan

mempunyai resolusi yang tinggi dari kontras dielektrik material dan formasi geologi.

Penggunaan GPR antara lain untuk eksplorasi mineral, eksplorasi air tanah,

penyelidikan geologi, geoteknik dan arkeologi. Aplikasi yang lebih khusus lagi yaitu

untuk pemetaan kedalaman batuan dasar, rekahan pada batuan, memetakan fitur

dibawah timbunan seperti pipa dan terowongan, serta untuk pemetaan struktur dan

stratigrafi (Annan dan Davis, 1989).

Pada penelitian ini metode GPR diterapkan untuk melihat kenampakan

bangunan terowongan dengan cara melakukan pemodelan kedepan. Pemodelan

kedepan dapat memberikan suatu respon GPR berdasarkan parameter lapangan dan

objek geologi yang diberikan. Dengan pemodelan kedepan dapat dilakukan suatu

analisa karakteristik respon GPR yang bersusunan antara data real pengukuran

dengan data sintetik model yang diyakini. Hal ini tentunya akan membantu dalam

proses interpretasi lebih lanjut.

1.2 Maksud dan Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai dalam penulisan tugas akhir ini adalah

mengaplikasikan Ground Penetrating Radar dalam menyediakan informasi bawah

permukaan untuk melihat kenampakan bangunan terowongan dan kondisi geologi di

sekitar terowongan.

Dalam rangka tujuan umum tersebut terdapat tujuan khusus sebagai berikut :

1. Megidentifikasi fitur terowongan dengan frekuensi tengah 75 MHz dan 150

MHz.

2. Membuat model sintetik meliputi bangunan terowongan dan kondisi geologi

yang diyakini mewakili keadaan sesungguhnya berdasarkan kontrol data yang

ada.

13

1.3 Batasan Masalah

Peneliti hanya membatasi masalah pada profil yang memotong bangunan

terowongan. Data diambil menggunakan frekuensi tengah 75 MHz dan 150 MHz,

dengan panjang lintasan pengukuran sejauh 30 meter. Sedangkan model sintetik

dibuat dengan pendekatan Finite Difference Time Domain (FDTD) 2 Dimensi

melalui modul modeling pada paket perangkat lunak GPRMax-2D.

1.4 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilakukan di kampus Institut Teknologi Bandung dari bulan

Januari s.d. Juni 2006. Data yang dipakai dalam penelitian ini adalah data

pengukuran GPR di Terowongan Sasaksaat, Padalarang, Jawa Barat yang diambil

pada bulan Juni - Agustus 2004.

Terowongan Sasaksaat berada pada kilometer ke-142,939 dari arah Kota

Bandung. Secara geografis berada pada koordinat 6o47’ LS dan 107o26’ BT.

Gambar 1.1 Peta Indeks

14

1.5 Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini

adalah studi literatur, pemrosesan data, pemodelan kedepan dan interpretasi data.

Pemrosesan data dilakukan pada data pengukuran GPR di Terowongan Kereta Api

Sasaksaat, Padalarang, JawaBarat yang diambil pada bulan Juni – Agustus 2004.

Pemrosesan data dilakukan dengan menggunakan software ReflexwTM versi 1.0.2

serta untuk pemodelan kedepan menggunakan software GPRMax-2D versi 1.5 dan

Matlab versi 6.5.1 untuk visualisasi.

1.6 Sistematika Pembahasan

Tugas akhir ini terdiri dari Enam bab, yaitu Bab 1 Pendahuluan, Bab 2

Geologi, Bab 3 Teori Dasar , Bab 4 Data dan Pengolahan Data, Bab 5 Hasil dan

Pembahasan, Bab 6 Kesimpulan dan Saran.

Bab 1 berisi latar belakang penelitian, masud dan tujuan penelitian, waktu

dan tempat penelitian, pembatasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika

penulisan.

Bab 2 berisi pemaparan keadaan geologi regional daerah Terowongan

Sasaksaat yang meliputi fisiografi dan geomorfologi serta geologi lokal daerah

penelitian.

Bab 3 berisi pemaparan GPR secara teoritis, terutama hal-hal yang menjadi

landasan berfikir, pengolahan data maupun interpretasi data.

Bab 4 berisi pemaparan dari data dan tahapan pengolahan data,

Bab 5 berisi hasil dan pembahasan dari kenampakan karakter refleksi yang

terlihat pada radargram yang telah diproses, pemodelan kedepan, dan perbandingan

forward modeling dengan data lapangan yang telah di proses.

Bab 6 berisi kesimpulan yang diambil dari penulisan tugas akhir ini dan

saran-saran untuk pengembangan lebih lanjut.

15

BAB 2 GEOLOGI

2.1 Fisiografi dan Morfologi

Lokasi Terowongan Sasaksaat terdapat dibagian utara Kota Padalarang, Jawa

Barat, serta terletak diantara Stasiun Maswati dan Stasiun Sasaksaat pada jarak lintas

Jakarta - Cikampek Purwakarta - Bandung. Dari arah Bandung, terowongan ini

terletak pada kilometer ke-142, 939. Secara geografis, terowongan ini terletak pada

6o47’ LS dan 107o26’ BT.

Konstruksi dinding terowongan ini memiliki panjang ± 950 meter dan

ketebalan antara 1 sampai 1,5 meter, dimana bahan dinding terowongan terbuat dari

campuran batuan yaitu batuan andesit, batuan lempung, tufa breksi dan tufa dengan

tingkat pelapukan dari sedang sampai tinggi.

Pada bagian dalam terowongan secara kasat mata terlihat banyak terdapat

rembesan air melalui dinding atas terowongan, serta terdapat kristalisasi kalsit-

karbonatan, kristal ini berasal dari air yang mengalir melalui batuan yang

mengandung karbonat, dimana air tersebut melarutkan karbonat yang terdapat di

dalam batuan, kristalisasi ini juga terjadi pada bagian bawah ( dasar terowongan).

Lapisan tanah umumnya cukup tebal, karena berhubungan erat dengan sifat

batuan penyusunnya yang mudah mengalami disintegrasi sehingga berubah menjadi

tanah. Vegetasi dibagian utara terdiri dari pohon jati, karet, teh dan perkebunan jati

ini dimiliki oleh Perhutani, perkebunan karet bernama Maswati dan perkebunan teh

Ciledu, dibagian Barat Daya terdapat perkebunan teh Cigandrong.

Terowongan Sasaksaat berada pada ketinggian antara 400-700 m dari muka

laut pada daerah perbukitan dengan posisi terowongan yang menembus hampir

tegaklurus dengan arah memanjangnya bukit (Gambar 2.1). Bukit ini memiliki

punggungan yang memanjang arah Timur Laut - Barat Daya - Tenggara dan

beberapa puncak bukitnya antara lain Pasir Gadung, Pasir Lembang, Pasir Gombong

dan Pasir Kopi.

Erosi yang terjadi di daerah penelitian cukup intensif terutama didaerah yang

vegetasinya sedikit serta pada lereng yang miring karena sudut kemiringan lereng

bervariasi antara 50-200o.

16

Gambar 2.1 Geologi bawah permukaan dan letak terowongan

2.2 Stratigrafi dan Struktur Geologi

Berdasarkan studi literatur litologi daerah penelitian dapat dibagi menjadi

beberapa satuan batuan, yaitu

• Satuan Batuan Batupasir Serpih Lempungan

Pada satuan ini tersingkap batu pasir berwarna abu-abu kehitaman, kompak

berukuran butir halus sampai kasar, fragmen pembentuk silika, mineral batuan beku,

pemilahan sedang sampai baik, bentuk butir agak menyudut sampai agak membulat,

semen karbonat, batu pasir yang cukup tebal dengan sisipan tipis dari lempung dan

serpih, porositas kecil sampai sedang, permeabilitas air cukup baik, sehingga

diperkirakan bahwa batu pasir ini merupakan suatu lapisan pembawa air, batupasir

ini cukup resisten terhadap proses disintegrasi, namun jika ada kekar maka proses

disintegrasi dapat berlangsung yang akhirnya dapat membentuk relief yang cukup

tinggi.

Lempung berwarna hijau kehitaman, kompak, karbonatan, mempunyai sifat

mudah hancur, mudah menyerap air tapi sukar meloloskan air, akibatnya satuan ini

bisa menjadi bidang gelincir yang dapat membuat longsoran. Satuan batuan

tersingkap dengan jelas di hulu S. Cipicung bagian utara, S. Cisuma, S. Cimenteng

dan S. Ciburial

17

Serpih berwarna-abu-abu, agak kompak, karbonatan, batuan ini akan mudah

mengalami pelapukan jika tersingkap dan cepat berubah menjadi soil, karakteristik

permeabilitas batuan ini mirip lempung.

• Satuan Batu Lempung

Batuan ini terletak diatas satuan batuan serpihan secara selaras. Singkapan

terdapat di Cibangkonol, didekat Cidepong dan Ciasri. Lempung berwarna hitam

kehijuana, kompak, karbonatan. Terdapat sisipan batu pasir berwarna putih, fragmen

kwarsa, menyudut-agak menyudut, keras, karbonatan.

• Satuan Batuan Napal

Batuan ini tersingkap baik pada daerah sungai cipaku, berwarna abu-abu,

agak kompak, semen karbonat, batuan ini memliki porositas yang cukup tinggi,

permeabilitas rendah, lapisan ini bersifat dapat mengandung air tetapi lambat sekali

untuk meluluskan air (aquitard).

Pada satuan ini terdapat sisipan batupasir, berwarna putih keabu-abuan,

kompak berukuran butir sedang sampai kasar, fragmen pembentuk silika, mineral

batuan beku, bentuk butir agak menyudut sampai agak membulat, karbonatan

pemilahan sedang, porositas kecil samapai sedang, sisipan batupasir ini memiliki

ketebalan antara 2 - 46 cm. Batupasir ini lebih tahan terhadap pelapukan

dibandingkan dengan napal.

Satuan Endapan Vulkanik

Sebagian besar daerah penelitian ditutupi oleh satuan endapan vulkanik yang

memiliki ketebalan yang bervariasi dari beberapa meter hingga puluhan meter.

Berdasarkan material pembentuknya dapat dibedakan menjadi breksi vulkanik,

endapan lahar, dan tuf litik. Satuan ini besifat non-karbonatan. Endapan lahar

memiliki fragmen andesitan. Tuf litik berfragmen kursa dan pumice dengan ukuran

pasir kasar dan terlihat adanya perlapisan yang menunjukkan bahwa lapisan ini

terbentuk oleh perulangan pengendapan yang terjadi. Endapan lahar dan tuf litik

mempunyai porositas yang cukup tinggi dengan permeabilitas yang cukup tinggi

pula, sehingga satuan ini dapat menjadi media peresapan (infiltrasi) air.

Kontak antara endapan volkanik dengan batuan serpih lempungan merupakan

suatu zona yang lemah. Hal ini disebabkan banyaknya air yang terdapat pada kontak

ini. Air ini berasal dari lapisan pembawa air (akifer) yaitu pada lapisan batupasir dan

18

air peresapan (infiltrasi) dari endapan vulkanik. Banyaknya air yang terdapat

menyebabkan tekanan pori begitu besar sehingga seakan-akan masa dasar dari

batuan yang ada pada zona ini mengembang.

• Struktur

Berdasarkan literatur terdapat tiga unsur struktur yang dapat dikenali

dilapangan yaitu: perlapisan, antiklin dan kekar. Struktur perlapisan terdapat pada

semua batuan yang ada pada daerah penelitian, termasuk pada endapan vulkanik

yang menutupi sebagian besar daerah penelitian. Antiklinal dapat dikenali dengan

adanya perlawanan arah kemiringan lapisan pada batuan yang sama, sehingga dapat

direkonstruksikan kedudukan sumbu antiklinalnya.

Gambar 2.2 Peta Geologi daerah Terowongan Sasaksaat. (Peta

Geologi Jawa Barat)

Kekar dapat mudah dikenali pada batuan yang relatif kompak dan keras,

joint dapat kita temukan pada lapisan batupasir, sedangkan pada nafal, serpih

ataupun lempung pada struktur kekar ini memperlihatkan bidang belah yang tidak

beraturan, pembentukan joint ini dapat terjadi pada waktu deformasi berlangsung

pada saat pembentukan antilklin dan dapat juga terjadi sesudah proses deformasi

tersebut berhenti dimana gaya-gaya penyebab deformasi terhenti.

19

Ukuran intensitas kekar termasuk dalam mayor dan minor joint dimana mayor joint

dapat memotong beberapa lapisan dan panjangnya mencapai beberapa meter.

Sedangkan minor joint berukuran lebih kecil dari mayor joint.

20

BAB 3

DASAR TEORI

3.1 Prinsip Dasar Ground Penetrating Radar (GPR)

Sistem Ground Penetrating Radar (GPR) terdiri dari antena transmiter

sebagai pembangkit sinyal radio, antena receiver sebagai pendeteksi gelombang

radio yang direfleksikan, fasilitas perekam data, dan media tampilan grafik. Mulai

dari masukan pada antena transmisi dan berakhir dengan keluaran dari antena

penerima merupakan suatu sistem linier. Linearitas ini akan menjelaskan beberapa

fenomena dan peristiwa elektromagnetik yang terjadi antara dua antena (misalnya

penjalaran gelombang sepanjang antena pemancar, radiasi, atenuasi, transmisi, dan

refleksi dari suatu target).

Sistem radar ini mengakibatkan antena transmiter menghasilkan gelombang

periodik dari gelombang elektromagnet yang menyebar pada sudut yang sangat lebar.

Pulsa tersebut kemudian akan merambat ke bawah permukaan sebagai muka

gelombang (wave front) dan sebagian akan dipantulkan kembali karena ada

perubahan kontras kerapatan/ rapat massa dan kontras permitivitas listrik di bawah

permukaan tanah. Gelombang elektromagnetik menjalar pada cepat rambat tinggi ( di

udara mencapai 3 x 108 m/s atau 0,3 m/ns).

Trasmiter membangkitkan pulsa gelombang elektromagnet pada frekuensi

tertentu sesuai dengan karakteristik antena (berorde MHz). Antena receiver diset

untuk melakukan scan secara normal 32-315 scan per detik atau bergantung pada

sistem yang digunakan, setiap hasil scan akan ditampilkan pada layar monitor/ grafik

rekaman. Sinyal-sinyal yang diterima receiver selama antena digeserkan diatas tanah

ditampilkan sebagai fungsi two-way traveltime (berorde ns), yaitu waktu yang

dibutuhkan gelombang elektromagnetik menjalar dari transmiter-target-receiver,

kemudian diperkuat, didigitasi dan disimpan dalam suatu perekam digital magnet

untuk siap diolah dan ditampilkan. Tampilan ini disebut sebagi radargram.

Kemampuan penetrasi GPR bergantung pada frekuensi sinyal sumber,

efisiensi radiasi antena dan sifat dielektrik material. Sinyal radar dengan frekuensi

yang tinggi akan menghasilkan resolusi yang tinggi, tetapi kedalaman penetrasinya

lebih terbatas (Annan dan Davis, 1989).

21

3.2 Persamaan Maxwell

Untuk memahami pemanfaatan geombang elektromagnetik dalam apikasinya

terhadap struktur bumi serta menentukan sifat listrik dan magnetik, biasanya diawali

dengan persamaan Maxwel.

Persamaan Maxwell terdiri atas empat persamaan medan, masing –masing

dapat dipandang sebagai hubungan antara medan dengan distribusi sumber (muatan

atau arus) yang bersangkutan.

Untuk menyederhanakan masalah, sifat fisik medium diasumsikan tidak

bervariasi terhadap waktu dan posisi (homogen isotropis). Maka persamaan

Maxwell dapat ditulis sebagai berikut :

Persamaan Maxwell I, persamaan yang menyatakan bahwa medan listrik

dihasilkan dari perubahan medan induksi magnet:

tBEX

∂∂

−=∇ , (2 – 1)

Persamaan Maxwell II, persamaan yang menyatakan bahwa medan magnet

dihasilkan dari aliran arus: tDJHX

∂∂

+=∇ , (2 - 2)

Persamaan Maxwell III, persamaan yang menyatakan berlakunya sifat loop

tertutup perpindahan listrik pada suatu rapat muatan listrik:

qD =•∇ , (2 – 3)

Persamaan Maxwell IV, persamaan yang menyatakan berlakunya sifat loop

tertutup untuk flux magnet jika tidak terdapat arus magnet bebas:

0=•∇ B . (2 – 4 )

22

Dimana:

meter)(Volt / listrik medan kuat E =

)meter(Weber / magnet induksi B 2=

)meter / (Coulomblistrik n perpindaha D 2=

meter) / (Amperemagnet medan kuat H =

)meter / (Coulomblistrik muatan rapat q 3=

).meter / Ampere ( arusrapat J 2=

3.3 Persamaan Material

3.3.1 Permitivitas Listrik

Permitivitas listrik relatif berkaitan dengan kemampuan untuk

mempolarisasikan dan mengontrol kecepatan gelombang elektromagnetik dalam

medium tersebut.

Persamaan yang menunjukkan hubungan intensitas medan listrik dan

pergeseran adalah :

ED ε= , (2 – 5)

dengan ε permitivitas listrik.

Permitivitas listrik relatif berkaitan dengan kemampuan dari medium untuk

mempolarisasi medan listrik dan menentukan keceptan gelombang elektromagnetik

yang berjalan pada suatu medium.

Untuk medium yang berbeda, harga permitivitas relatif (εr) akan menentukan

harga kecepatan di media.

3.3.2 Konduktivitas Listrik

Persamaan Maxwell dapat menunjukkan karakteristik dan sifat

elektromagnetik, walaupun kenyataannya persamaan tersebut tidak memiliki

hubungan yang jelas antara sifat medan elektromagnetik dengan struktur atau sifat

bawah permukaan bumi.

Hubungan yang penting yang menunjukkan kaitan tersebut adalah hukum

Ohm, yang menghubungkan rapat arus dengan intensitas medan listrik sebagai

berikut :

23

EJ σ= . (2 –6 )

dengan σ adalah konduktifitas listrik medium.

Konduktifitas suatu mineral tidak harus konstan, bergantung pada waktu,

temperatur, tekanan dan faktor lingkungan.

3.3.3 Permeabilitas Magnetik

Persamaan yang sangat berperan dalam aplikasi persamaan Maxwel terhadap

bumi, yang menghubungkan kuat medan magnetik dan induksi magnetik :

HB μ= , (2 – 7)

dimana μ adalah permeabilitas magnetik medium. Berbeda dengan sifat permitivitas

dan konduktifitas listrik, dalam eksplorasi geofisika harga permeabilitas biasanya

tidak bergantung dari kuat medan listrik, tetapi pada medan magnetik.

Dimana:

ε == meter) / (Farad mediumlistrik aspermitivit r0 εε x

meter) / (Farad 10 x 8.85 vakumruang dalamlistrik aspermitivit -120 ==ε

medium relatif) dielektrik (konstanta relatif aspermitivit =rε

μ = meter)(Henry / mediummagnetik taspermeabili 0 =rμμ

meter)(Henry / 10 x 4 vakumruang dalammagnet taspermeabili 70 == −πμ

medium relatifmagnet aspermebilit =rμ

meter). / (Siemenslistrik taskonduktivi =σ

3.4 Sifat Dielektrik Material Bumi

Sifat dielektrik bumi dapat dijelaskan dengan permitivitas listrik (ε ) dan

konduktifitas listrik (σ) yang saling berhubungan (Reynold, 1997).

Konduktivitas dan permitivitas dielektrik dinyatakan dalam persamaan

kompleks (Fuller dan Ward op. cit. Schön, 1996):

)(")(')( ωσωσωσ j−= (2 – 8 )

)(")(')( ωεωεωε j+= (2 – 9 )

Batuan umumnya memiliki konduktivitas seperti halnya polarisasi. Untuk medan

listrik harmonik, konduktivitas efektif σ* didefinisikan:

24

ωεσσσσ jj +=+=∗ *"*' (2 – 10)

Sedangkan permitivitas efektif didefinisikan : ∗ε

ωσεεεε /"' jj +=+= ∗∗∗ (2 – 11)

dari persamaan (2 - 5) dan (2 - 6) didapat:

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +++=∗ )(")(')(")(')( ωε

ωωσ

ωωσωεωε j (2 – 12)

dengan melihat persamaan (2 - 8) dan (2 - 9) diatas jika frekuensi mendekati nol

maka σ * = nilai real konduktivitas, sedangkan jika frekuensi mendekati tak hingga

maka ε* = nilai real permitivitas.

Tabel 3.1 Konstanta dielektrik (K), Konduktifitas Listrik (σ), Kecepatan (v) dan

atenuasi (α) dalam berbagai medium untuk frekuensi tengah 100MHz (Annan, 2001).

Material

K

σ

(mS/m)

v

(m/ns)

α

(dB/m)

Udara 1 0 0.3 0

Air distilasi 80 0.01 0.033 2 x 10-3

Air Murni 80 0.5 0.033 0.1

Air laut 80 3 x 103 0.01 103

Pasir Kering 3-5 0.01 0.15 0.01

Pasir Tersaturasi 20-30 0.1-1 0.06 0.03-0.3

Gamping 4-8 0.5-2 0.12 0.4-1

Serpih 5-15 1-100 0.09 1-100

Lanau 5-30 1-100 0.07 1-100

Lempung 5-40 2-1000 0.06 1-300

Granit 4-6 0.01-1 0.13 0.01-1

Garam Kering 5-6 0.01-1 0.13 0.01-1

Es 3-4 0.01 0.16 0.01

3.5 Perambatan Gelombang Radar

Prinsip perambatan geombang radar merupakan prinsip gelombang

elektromagnetik. Persamaan Maxwell merupakan suatu perumusan dasar untuk

25

mengetahui perilaku penjalaran gelombang elektromagnetik di dalam suatu material.

Penjalaran gelombang dapat ditulis dengan persamaan gelombang satu dimensi

seperti berikut:

02

22 =

∂∂

−∇tEE με (2 –13 )

solusi persamaan diatas adalah: )(

0krtjeEE −−= ω (2 - 14)

Dengan k adalah parameter perambatan atau bilangan gelombang. Bagian riil dari k

berkaitan dengan faktor fasa (β, rad/m) dan bagian imajiner berkaitan dengan

konstanta atenuasi (α, db/m). Bagian riil dan imajiner bilangan gelombang k dapat

dituliskan kembali yang diungkapkan dalam bentuk faktor fasa dan konstanta

atenuasi :

αβ ik += (2 – 15)

2/12/1

22

2

112

2⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+==

εϖσεμϖπλβ (2 – 16)

dan 2/12/1

22

2

112

1

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+==

εϖσεμϖ

δα ( 2 – 17)

dimana fπϖ 2= , f adalah frekuensi (Hz), μ adalah permeabilitas magnetik (4πx10-7

H/m), σ konduktifitas bulk pada frekuensi yang diberikan (S/m) dan ε permitivitas

dielektrik dimana ε = εrx8.85x10-12 F/m dan εr merupakan konstanta dielektrik relatif

bulk.

Sedangkan besaran (ϖεσ ) ekivalen terhadap loss factor (P) dimana P =

ϖεσ = tan D

Dari persamaan (2-17) didefinisikan skin depth (δ) = α1 , saat tan D << 1, yang dapat

dituliskan : 2/1

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛=με

σδ (2 – 18)

dan secara numerik:

26

σε

δ r31.5= (2 – 19)

dimana σ dalam mS/m.

Bilangan gelombang k merupakan fungsi dari sifat fisis bumi dan tergantung pada

frekuensi, sedangkan panjang gelombang bergantung pada konstanta listrik, yaitu:

( ) 2/1

2μεϖ

πλ = (2 – 20)

medan elektromagnetik yang merambat tersebut dapat digunakan untuk mengukur

jarak dari antena transmisi ke suatu massa batuan (reflektor) dan ke antena penerima

atau kedalaman dan besar frekuensi yang digunakan akan sangat mempengaruhi

kedalaman penetrasi dan resolusi radargram. Kedalaman dapat dinyatakan sebagai

resolusi optimal yang telah dirumuskan secara empiris yaitu :

rfd

ελ 754

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= (2 – 21)

dengan f = frekuensi maksimum (Hz). Untuk kondisi ideal resolusi sama dengan ¼ λ,

tetapi pada kenyataannya adalah sekitar sepertiga sampai setengah panjang

gelombang.

3.6 Kecepatan Gelombang Radar

Kecepatan gelombang elektromagnet pada medium tergantung pada

frekuensi, konduktivitas listrik, konstanta dielektrik dan permeabilitas magnet, yang

secara matematis diturunkan sebagai berikut:

1tan12

2 ++==

D

cVrr

m μεβω (meter/ nanosekon) (2 –22 )

dimana c adalah kecepatan cahaya di udara, εr adalah konstanta dielektrik relatif dan

μr adalah permeabilitas magnetik relatif. Tan2 D merupakan loss factor dengan Tan2

D = εϖσ .

Sebagian besar medium bawah permukaan kurang bersifat magnet (μr=1) dan

merupakan material dengan kondukivitas yang kecil (σ ≈ 0), maka kecepatan

gelombang dapat dituliskan seperti dibawah ini (Reynolds, 1997):

27

rrm

cVεε3.0

== (meter/ nanosekon) (2 –23 )

dimana εr adalah konstanta dielektrik relatif.

3.7 Koefisien Refleksi dan Transmisi

Koefisien refleksi adalah perbandingan energi yang direfleksikan dengan

energi datang. Sedangkan koefisien transmisi adalah perbandingan energi yang

ditransmisikan dengan energi datang.

Radiasi elektromagnetik yang direfleksikan oleh suatu perlapisan tergantung

pada kontras konstanta dielektrik relatif perlapisan-perlapisan yang berdekatan. Jika

kontras tersebut lebih besar maka jumlah energi gelombang radar yang direfleksikan

juga akan lebih besar. Dalam semua kasus magnitudo R berada pada rentang ± 1.

Bagian energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R, sedangkan daya koefisien

refleksi sama dengan R2.

Untuk gelombang dengan polarisasi Transverse Electric (TE), vektor –

vektor medan listrik Er , Ei dan Et tegak lurus pada bidang datar sedangkan vektor –

vektor medan magnet magnet Hi , Hr dan Ht terletak pada bidang tersebut, Maka

koefisien refleksi dan transmisi diberikan oleh persamaan :

ii

ii

i

r

nnn

nnnEER

θμθμ

θμθμ22

122112

221

22112

sincos

sincos

−+

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⊥

⊥ (2 – 24)

dan

ii

i

i

t

nnnn

EET

θμθμθμ

221

22112

12

sincoscos2

−+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⊥

⊥ . (2 – 25)

28

rHiE rk

ik rEiH

n

Gambar 3.1 Vektor gelombang datang ki, refleksi kr dan transmisi kt

pada vektor bidang S. Sudut datang, refleksi dan transmisi berurut

θi, θr θt dan n merupakan unit normal terhadap permukaan S yang

memisahkan medan μ1, σ1, ε1 dan μ2, σ2 , ε2 (Nabighian, 1987)

Apabila gelombang mengalami polarisasi Transverse Magnetic (TM), vektor –

vektor medan magnet Hi , Hr dan Ht , tegak lurus pada bidang datar sedangkan vektor

– vektor Ei , Er dan Et terletak pada bidang tersebut. Maka koefisien refleksi dan

transmisi diberikan oleh persamaan :

ii

ii

IIi

rII

nnnn

nnnnEER

θμθμ

θμθμ22

12212

221

221

221

2212

sincos

cossin

−+

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (2 – 26)

dan

ii

i

IIi

tII

nnnnnn

EET

θμθμθμ

221

2212

221

212

sincoscos2

−+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= . (2 – 27)

tk

tE

tH

iθ rθ

tθ

)(masuk

)(keluar

)(keluar

111 ,,μ σ ε

222 ,,μ σ ε

29

3.8 Skin Depth (δ)

Skin depth adalah kedalaman dimana sinyal yang telah berkurang menjadi 1/e

(37%) dari nilai awal dan berbanding terbalik dengan faktor atenuasi (δ=1/α).

Definisi matematik dari faktor atenuasi dan skin depth diperlihatkan pada

persamaan-persamaan berikut:

1tan12

1

2 −+==

D

c

rrμεωα

δ (meter) (2– 28)

Untuk material non magnet berlaku (μr = 1) dan jika tan D = σ/ ωε <<1 atau untuk

konduktivitas sangat kecil (σ → 0) sedangkan frekuensi yang digunakan sangat besar

(ω → ~), maka persamaan (2 – 28) dapat dituliskan seperti pada persamaan dibawah

ini:

21

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

με

σδ r , (2 – 29)

( ) σε=δ /31,5 r , (meter). (2 – 30)

3.9 Pengurangan Energi dan Atenuasi

Pengurangan energi (damping) dan atenuasi energi muncul sebagai

konsekuensi dari reflection/ transmission losses sekitar batas lapisan dan disipasi di

lapisan itu sendiri, muncul sewaktu gelombang elektromagnet melalui sebuah batas,

akibatnya jika ada objek yang memiliki dimensi sama dengan panjang gelombang

dari sinyal gelombang elektromagnet, maka objek ini akan mengakibatkan

penyebaran energi secara acak.

Energi yang hilang juga disebabkan oleh absorpsi (konversi energi

elektromagnet menjadi energi panas), kehilangan energi lainnya disebabkan oleh

geometri penyebaran energi, pada saat sinyal gelombang elektromagnet menjalar dari

transmiter, mereka menyebar secara divergen mengakibatkan berkurangnya energi

perunit area yang besanya 1/r2, dimana r adalah jarak yang telah dilalui. Pengurangan

30

energi tersebut terjadi secara eksponensial. Secara matematis faktor damping dapat

ditulis seperti berikut :

( ) ( )rwer

wd β−=1 (2 – 31)

dengan β = konstanta atenuasi dan r = jarak rambatan (lintasan gelombang).

Penyebab yang mendasar hilangnya energi adalah atenuasi yang merupakan

fungsi kompleks dari sifat listrik dan dielektrik media yang telah dilalui oleh sinyal

radar. Faktor atenuasi (α ) bergantung dari konduktivitas, permeabilitas magnet serta

permitivitas magnet dari media yang dilalui oleh sinyal, juga frekuensi dari sinyal itu

sendiri (2πf), sifat bulk dari material ditentukan oleh sifat fisik dari unsur pokok

yang ada dan komposisinya. Persamaan matematis faktor atenuasi dituliskan pada

persamaan 2 - 17.

3.10 Resolusi

Resolusi menunjukan suatu kemampuan untuk memisahkan dua objek yang

berbeda pada jarak yang berdekatan. Hal ini berhubungan erat dengan target atribut

geometri termasuk bentuk, ukuran ketebalan dan lain-lain.

Ada dua komponen resolusi yang bekerja pada GPR, yaitu resolusi vertikal

dan resolusi lateral (Gambar 3.2). Resolusi vertikal adalah suatu kemampuan untuk

membedakan dua objek pada waktu yang berdekatan. Sedangkan resolusi lateral

adalah suatu kemampuan untuk membedakan dua objek yang berdekatan secara

lateral.

Gambar 3.2 Resolusi GPR dibagi menjadi 2 bagian:

Resolusi Vertikal (Δr) dan Resolusi Lateral (Δl) (Annan,

2001).

31

Resolusi vertikal (range resolution) dirumuskan sebagai (Annan, 2001):

4cr λ

=Δ (2 –32)

dimana:

Δr = resolusi vertikal (meter)

λc = panjang gelombang dari frekuensi tengah antena (meter).

Resolusi lateral (Lateral Resolution) dirumuskan sebagai (Annan, 2001):

2dL cλ

=Δ (2 – 33)

dimana:

ΔL = resolusi lateral (meter)

d = kedalaman (meter).

3.11 Noise

Noise pada sistem GPR lebih sering disebabkan oleh faktor kelistrikan seperti

kehadiran pembangkit listrik, pemancar FM dan komponen elektronika lainnya

disekitar area sistem dimana dapat memberikan interferensi sinyal.

Dalam prakteknya yang sering muncul adalah fenomena frekuensi rendah

(komponen DC) yang berinterferensi secara periodik, hal ini diakibatkan oleh

saturasi antara komponen instrumen penerima (receiver) dengan amplitudo tinggi

gelombang udara dan gelombang langsung sebagai konsekuensi interaksi antara

antena dengan tanah. Kondisi yang bersifat basah menyebabkan hal ini terjadi,

dimana sinyal tidak merambat melainkan terdifusi kedalam tanah.

Selain itu noise yang cukup kuat dan mengganggu adalah surface scattering

(Sun dan Young, 1995). Noise ini dapat berupa refleksi maupun difraksi yang cukup

kuat yang diakibatkan oleh scatering oleh objek permukaan diatas tanah atau lintasan

survey. Kondisi permukaan tanah tertentu yang mengatenuasi lebih banyak sinyal

mengakibatkan sinyal banyak merambat dipermukaan dan fenomena ini terjadi.

Noise yang juga cukup mengganggu adalah ring-down, dimana noise ini

diakibatkan oleh ketidakcocokan impedansi antara antena (transmiter dan receiver)

32

dengan ground (Radzevicius, dkk, 2000). Noise ini biasanya berupa garis lurus, dan

kadang bisa salah diinterpretasikan sebagai reflektor lapisan atau multipel.

3.12 Pemodelan Finite Difference Time Domain (FDTD)

Metoda pemodelan Finite Difference Time Domain (FDTD) adalah salah

satu teknik analisa medan elektromagnetik yang diperkenalkan oleh Yee (1966).

Metoda FDTD menggunakan aproksimasi persamaan Maxwell yang menghasilkan

suatu pemodelan dengan tingkat akurasi yang tinggi yang dapat menjelaskan

fenomena hamburan gelombang elektromagnetik. Sejak tahun 1980, seiring dengan

kemajuan teknologi komputer, metoda FDTD telah menjadi pelopor dalam

komputasi hamburan gelombang elektromagnetik. Metode Finite difference mampu

menampilkan semua fenomena gelombang (refleksi, refraksi, difraksi) baik dalam

dua maupun tiga dimensi tetapi memakan waktu yang lama.

Salah satu alasan pemilihan metoda ini adalah mudah dalam menganalisa

permasalahan yang didasarkan pada persamaan integral yang sangat sulit dilakukan

bila dipecahkan dengan metoda lainnya.

3.12.1 Teori Dasar Finite Difference Time Domain (FDTD)

Dasar dari penurunana rumus ini adalah algoritma Yee. Metoda FDTD seperti

ditunjukkan pada gambar 3.3, pertama-tama ditentukan wilayah analisa yang

membungkus sumber gelombang, benda hambur. Lalu wilayah analisa ini dicacah

menjadi banyak sel (cell) kecil. Setelah itu ditentukan persamaan turunan Maxwell :

(2 – 34)

(2 – 35)

33

Gambar 3.3 Wilayah Analisa (J.Tetuko, 1998)

Penurunan rumus metoda FDTD menurut algoritma Yee :

1. Penurunan seluruh unsur medan elektromagnet menurut waktu dan ruang.

(2 – 36)

(2 – 37)

2. Menurut waktunya, medan listrik dan medan magnet diletakkan bergantian seperti

ditunjukkan gambar 3.4.

E(n-1)

H(n-1/2)

E(n+1)E(n)

H(n+1/2)

Gambar 3.4 Peletakan Waktu Medan Elektromagnet (J.Tetuko, 1998)

34

Dengan mengubah rumus (2 - 34 ) dan (2 - 35) menggunakan medan listrik

dan medan magnet, maka akan diperoleh persamaan :

(2 – 38)

(2 – 39)

dmana :

(2 – 40)

(2 – 41)

lalu mensubtitusikan persamaan (2 - 40), (2 - 41) ke persamaan (2 - 38), (2 - 39)

maka akan diperoleh :

(2 – 42)

(2 – 43)

Tetapi untuk mengubah medan listrik bagian kanan persamaan (2 - 42) menjadi nilai

pada t = (n-1/2)Δt, dengan cara yang sama tidak dapat dilakukan penurunan rumus

menggunakan FDTD. Metoda untuk menghindari permasalahan ini perlu dilakukan

pengubahan nilai σE(n-1/2) dengan cara seperti dibawah ini :

(2 – 44a)

(2 – 44b)

(2 – 44c)

persamaan (2 – 44a) adalah cara penggantian pada grid interval waktu setengah step

di depan, kelemahannya berupa konvergensi yang lambat dan sering divergen,

35

sehingga jarang dipakai. Persamaan (2 – 44b) merupakan penggantian menggunakan

nilai rata-rata, hasilnya yang paling bagus, sama akurasinya dengan pesamaan (2 –

44c).

Pada saat menggunakan persamaan (2 – 44b), persamaan (2 - 42) akan menjadi :

(2 – 45)

oleh karena itu En menjadi :

(2 – 46)

pada saat menggunakan persamaan (2 – 44c), dengan menggunakan :

(2 – 47)

maka akan diperoleh :

(2 – 48)

koefisien sebelah kanan persamaan (2 - 46) dan (2 - 48) adalah berlainan.

Dalam medium yang berkonduktifitas σ sangat tinggi, medan elektromagnet akan

meluruh secara eksponensial sesuai dengan bertambahnya waktu, lalu pada dinding

sempurna (perfectly medium) yang mempunyai nilai limit tersebut harus bernilai 0.

tetapi pada (2 - 52), σΔt/ε >> 1 oleh karena itu akan diperoleh:

selain E0=0, hanya bergetar saja seiring dengan pertambahan waktu dan tidak

konvergen ke 0. terhadap hal ini persamaan (2 - 48) menjadi :

36

dimana berkonvergen terhadap waktu menuju nilai nol. Inilah alasan menggunakan

persamaan (2 - 48). Ditambah lagi, pada saat tidak ada peluruhan kedua persamaan

tersebut mempunyai nilai hasil hitungan yang sama.

Disamping itu, medan magnet akan menjadi :

(2 – 49)

3.12.2 Metoda TM-FDTD 2 Dimensi

Medan listrik mempunyai unsur hanya pada sumbu z, sedangkan medan

magnet mempunyai unsur di sumbu x dan y, ini disebut mode TM. Pertama-tama

dilakukan pencacahan wilayah analisa menjadi beberapa sel kecil berjumlah (NX-1)

X (NY-1), seperti ditunjukkan pada gambar 3.5. Lalu seperti pada gambar 3.6

diletakkan medan listrik dan magnet ke masing-masing sel tersebut. Pada titik (i, j)

diletakkan medan listrik.

Karena medan listrik hanya mempunyai unsur sumbu z saja, maka persamaan

(2 - 48) menjadi :

(2 – 50)

Ez (i+1,j)

Ez (i+1, j+1) Ez (i, j+1)

Ez (i,j) Hy (i-1/2,j)

Hx (i,j-1/2)

Δy Hx (i,j+1/2)

Δx

Gambar 3.5 Wilayah Analisa (J.Tetuko, 1998) Gambar 3.6 Peletakan Medan EM

diatas satuan sel (J.Tetuko, 1998)

37

Seperti ditunjukkan pada gambar 3.6, Ez diletakkan pada (i, j), oleh karena

itu penurunan bagian kanan persamaan (2 - 50) perlu dilakukan pula pada titik (i, j).

Brdasarkan gambar 3.6 maka akan diperoleh persamaan-persamaan berikut :

(2 – 51)

subtitusi persamaan (2-51) ke persamaan (2-50) akan menjadi :

(2 – 52)

Selanjutnya unsur sumbu x dan y dari medan magnet adalah Hx dan Hy, berdasarkan

persamaan (2 - 49) maka akan diperoleh persamaan:

(2 – 53a)

(2 – 53b)

Letak Hx dan Hy adalah titik yang paling dekat dengan (i, j) dalam sel, oleh karena

itu masing-masing medan magnet adalah Hx(i, j+½) dan Hy(i+½, j), lalu penurunan

medan listrik di bagian kanan persamaan (2 - 53a, b) adalah :

(2 – 54a)

(2 – 54b)

38

Dengan mensubstitusikan persamaan (2 - 54a, b) ke (2 - 53 a, b) maka medan magnet

akan menjadi persamaan seperti di bawah ini:

(2 – 55)

(2 – 56)

3.12.3 Pendekatan Numerik

Model FDTD direkonstruksi dengan cara mendiskritisasikan masalah

kedalam grid-grid sel yang berbentuk kubus-kubus kecil untuk model 3-D dan

berbentuk kotak-kotak kecil untuk model 2-D. Vektor medan listrik dan vektor

medan magnet ditempatkan di setiap sel grid sebagaimana diilustrasikan oleh gambar

3.9. Dimensi dari grid sel umumnya dipilih lebih kecil daripada 1/10 panjang

gelombang elektromagnet di dalam grid Grid-grid sel yang semakin kecil akan

mengurangi dispersi numerik, akan tetapi akan meningkatkan dalam komputasi/

penghitungan, sehingga komputasi akan semakin lama.

3.12.4 Diskritisasi

Secara umum pemilihan diskritisasi tergantung kepada akurasi yang akan

dicapai, frekuensi dari sumber pulsa serta ukuran dari target. Pada saat diskritisasi

dilakukan besarnya step diskritisasi harus memenuhi kaidah rule of thumb untuk

meminimalisasi error akibat dispersi numerik, dimana step diskritisasi setidaknya

harus satu sepersepuluh dari panjang gelombang terkecil gelombang

elektromagnetik. Kaidah rule of thumb tersebut didefinisikan :

(2 – 57)

(2 – 58)

(2 –59)

39

dimana :

fm= frekuensi tertinggi (Hz)

f = frekuensi tengah (Hz)

∆l =∆x=∆y = step diskritisasi

λ = panjang gelombang (m)

εr= permitivitas dielekrik relatif

c= kecepatan cahaya (2.9979245 x 108 m/s)

3.12.5 Syarat Batas Serap (Absorbing Bondary Conditions)

Saat kita mengaplikasikan metoda FDTD untuk memecahkan persoalan

wilayah terbuka, wilayah analisa ini perlu dibatasi dengan menggunakan wilayah

batas khayal. Apabila wilayah batas khayal (syarat batas serap) ini tidak sempurna

maka hal tersebut akan menyebabkan pantulan gelombang ke wilayah analisa yang

dapat mempengaruhi nilai analisa di dalamnya. Hal ini disebabkan oleh batas sel

kehilangan komponen medan dari sel tetangganya dan membuatnya tidak bisa untuk

menghitung dengan benar komponen medannya sendiri. Untuk menghindari refleksi,

syarat batas serap ditetapkan untuk menyerap medan terhambur saat medan tersebut

sampai pada batas dari FDTD kita.

3.12.6 Stabilitas Numerik

FDTD merupakan proses numerik dengan kondisi stabil. Nilai-nilai

diskritisasi ∆x, ∆y dan ∆t harus bergantung satu sama lainnya supaya mencapai

kestabilan dalam numerik. Kondisi kestabilan ini dinamakan kondisi CFL, yamg

diambil dari inisial Courant, Freidrichs dan Lews, didefinisikan :

(2 –60)

dimana c adalah kecepatan cahaya, ∆t dibatasi oleh nilai ∆x dan ∆y.

40

BAB 4

PENGOLAHAN DATA

Data yang diolah adalah data lapangan yang diambil pada bulan Juli –

Agustus 2004 yang diambil secara melintang tegak lurus di atas Terowongan

Sasaksaat dengan jarak pengukuran ± 30 meter.

Pengukuran GPR untuk penelitian ini menggunakan konfigurasi radar

reflection profiling dimana antara transmiter dan receiver bergerak bersama dalam

satu arah sepanjang permukaan dimana hasil tampilan pada radargram merupakan

kumpulan tiap titik pengamatan. Frekuensi tengah antena GPR yang digunakan yaitu

75 MHz dan 150 MHz. Sedangkan arah antena menggunakan orientasi PR-BD

(Perpendicular – Broadside).

8 m

30 m

6 m

Arah Pengukuran GPR

Orientasi antena

Gambar 4.1 Skema pengukuran profil

41

Parameter pengambilan data GPR untuk kedua antena tersebut, disajikan pada tabel

dibawah ini:

Tabel 4.1 Parameter pengambilan data

Parameter lapangan Frekuensi 75 MHz Frekuensi 150 MHz

Time windows (ns) 500 200

Station spacing (m) 0.1 0.04

Antena separation (m) 1 1

Sampling interval (ns) 0.390 0.976

Sampling number 512 512

Antena orientation PR-BD PR-BD

Parameter tersebut kita perhitungkan sebelum dilakukan pengukuran, hal ini

bertujuan untuk menghasilkan radargram yang baik, sehingga pada saat pengolahan

data tidak terlalu rumit dan siap diinterpretasi..

4.1 Pengolahan Data Lapangan

Pengolahandata GPR dilakukan dengan perangkat lunak ReflexwTM versi

1.02. Pengolahan data GPR mirip dengan pengolahan pada data sesimik hanya

beberapa parameter yang membedakannya.

Tujuan dari pengolahan data GPR adalah untuk menghasilkan peta-peta

penampang GPR dengan perbandingan signal to noise ratio yang tinggi, sehingga

berdasarkan penampang GPR tersebut dapat ditafsirkan keadaan dan bentuk dari

lapisan-lapisan (reflector) batuan sesuai dengan target yang diinginkan.

Tahap pengolahan data GPR yang telah dilakukan terdiri dari Input data,

Editing, Gain, Dewow, DC-Shift, Move Starttime, Static Correction, Bandpass

Butterworth Filter, Deconvolution, Background Removal, f-k Filter, Migration dan

Depth Conversion.

Pada setiap tahapan proses pengolahan data terdapat pemilihan metoda dan

parameter-parameter pengolahan data tertentu. Masing-masing proses tersebut akan

dijelaskan di bawah ini.

42

4.1.1 Input Data

Input data merupakan proses pemasukan data dari raw data hasil perekaman

(recording). Program Reflexw dapat menerima input file dalam format : pulse

EKKO (.dt1 file), RAMAC (.rd3 file), GSSI (.dzt file), SEG-Y, SEG2, RADAN,

EMR ataupum userdefined format. Instrumen yang digunakan dalam perekaman

data di dalam penelitian ini adalah GPR sistem Zond sehingga file inputnya dalam

format segy. Input data dilakukan dengan cara mengimport file segy dengan input

format SEGY dan output format 16-bit integer. Setelah itu secara otomatis raw data

dikonversi ke dalam Reflexw mengahasilkan penampang GPR.

4.1.2 Editing

Setelah dilakukan input data, kemudian data tersebut ditampilkan (viewing)

dalam bentuk tampilan penampang GPR. Dalam proses viewing tersebut

dimungkinkan untuk dilakukan proses editing.

Proses editing bertujuan untuk merubah atau memperbaiki trace atau record

dari hal-hal yang tidak diinginkan. Proses data editing antara lain reorganisasi data,

pengumpulan data file, data header, repositioning dan penambahan informasi elevasi

data.

Proses editing yang dilakukan pada penelitian ini antara lain mengatur trace

header, pengaturan skala dan jarak pengukuran, menormalisasi amplitude dari trace

sehingga tampilan penampang terlihat lebih baik.

4.1.3 Gain

Akibat adanya pelemahan energi sinyal pada batuan atau lapisan tanah,

dimana frekuensi tinggi diserap lebih cepat dibandingkan dengan frekuensi rendah.

Pada saat yang sama terjadi peyebaran bola (spherical divergence), yaitu energi

gelombang yang menjalar meluruh berbanding terbalik dengan kuadrat dari sumber.

Dari dua faktor di atas energi/ amplitudo gelombang yang terefleksikan akan

meluruh terhadap jarak dan waktu. Untuk menghilangkan pengaruh ini maka

dilakukan suatu penguatan kembali amplitudo yang hilang sedemikian rupa sehingga

seolah-olah pada setiap titik mempunyai energi yang sama. Penguatan (gain)

dilakukan sesuai dengan fungsi persamaan peluruhan energi.

43

Persamaan fungsi gain atau g(t) adalah sebagai berikut:

Gain ( dB ) = A . t + B 20 Log ( f ) + C

Dimana:

t = waktu

A = faktor atenuasi

B = faktor spherical divergence

C = faktor konstanta gain

Data asli

Data setelah gain

Gain vs waktu

Gambar 4.2 Gambaran konsep dari Gain (Annan, 2001)

Metoda yang digunakan dalam penelitian ini adalah metoda Automatic Gain

Control (AGC). AGC bertujuan untuk penyamaan amplitudo karena efek pelemahan

amplitudo yang disebabkan penyebaran bola dan gesekan antar partikel.

Fungsi gain AGC dihitung dengan menggunakan metode RMS (Root Mean

Square). Amplitudo dari masing – masing sampel dikuadratkan, kemudian dihitung

nilai RMS-nya pada suatu jendela waktu tertentu.

Pada penelitian ini nilai AGC yang dimasukan untuk ferkuensi tengah 75

MHz dan 150 MHz yaitu dengan operator window 25 ns karena menghasilkan

display yang terbaik.

4.1.4 Dewow

Wow adalah salah satu noise frekuensi rendah yang dapat terekam oleh

sistem radar. Terjadi akibat instrumen elektronik tersaturasi oleh nilai amplitudo

besar dari gelombang langsung dan gelombang udara. Wow merupakan fenomena

44

induksi atau akibat keterbatasan dari kisaran dinamis instrumen, adanya input energi

yang besar dari gelombang udara dan gelombang permukaan menyebabkan sinyal

yang tertangkap pada receiver mengalami saturasi dan receiver tidak mampu

mengatur perubahan yang besar pada saat stacking. Hal inilah yang menimbulkan

induksi frekuensi rendah yang kemudian mengalami peluruhan pada frekuensi tinggi

dari trace sinyal yang datang.

Filter dewow merupakan filter yang digunakan untuk memulihkan kembali

sinyal yang tersaturasi atau mengembalikan fenomena wow.

Operator window yang dimasukkan dalam proses dewow yaitu input time

window 200 ns untuk frekuensi tengah 150 MHz, dan input time window 450 ns

untuk frekuensi tengah 75 MHz, hasil ini didapatkan dari trial and error.

4.1.5 DC-Sihft

DC- Shift bertujuan untuk mengembalikan posisi trace yang mengalami

pergeseran ke posisi normal. Nilai yang dimasukan dalam proses DC-Shift sama

dengan pada proses dewow yaitu dengan input time window 200 ns untuk frekuensi

tengah 150 MHz, input time window 450 ns untuk frekuensi tengah 75 MHz.

Gambar 4.3 Gambaran proses dewow dan dc-shift pada suatu trace (Fisher . et al., 1994)

4.1.6 Move Starttime

Move start time dipakai untuk mengetahui titik awal dari sinyal pertama yang

masuk. Proses ini berkaitan dengan konversi kedalaman (depth conversion) yang

selanjutnya akan menentukan posisi atau kedalaman dari target/ objek. Input yang

dimasukan yaitu move time = -1 ns.

45

4.1.7 Koreksi Statik

Koreksi statik dilakukan dengan tujuan agar radargram yang kita lihat sesuai

dengan topografi daerah survey, sehingga radargram yang kita lihat mendekati

keadaan sebenarnya.

4.1.8 Bandpass Butterworth Filter

Filtering adalah proses memisahkan/ menghilangkan frekuensi-frekuensi

yang tidak diinginkan (noise) dengan tujuan utuk melindungi sinyal primer. Dalam

pengolahan data GPR ada beberapa jenis filter yang biasa digunakan, yaitu :

Meanfilter, Medianfilter, Bandpassfrequency, Bandpass butterworth, dan Notchfilter.

Bandpass butterworth filter merupakan filter 1-D yang dikenal juga sebagai

flat filter yang secara maksimal dikarakterisasikan oleh flat bandpass, jenis filter ini

sering digunakan sebagai anti – alias filter.

Pada penelitian ini dipilih jenis Bandpass butterworth filter untuk

menghilangkan noise frekuensi rendah dan noise frekuensi tinggi dengan

menggunakan Low Cutoff 100 MHz dan High Cutoff 200 MHz untuk frekuensi

tengah 150 Hz, Low Cutoff 50 Hz dan High Cutoff 100 MHz untuk frekuensi tengah

75 Hz.

4.1.9 Dekonvolusi

Dekonvolusi merupakan proses invers filter kuadrat terkecil (least-square

inverse filter) yang diaplikasikan kepada data untuk menghasilkan sumber wavelet

terkompresi (compressed source wavelet).

Berdasarkan teorinya, pulsa radar yang ditransmisikan kebawah permukaan,

mengalami perubahan bentuk pada sebagian gelombang elektromagnet. Tujuan filter

ini adalah mengembalikan bentuk output “ideal” sehingga menyerupai deret

koefisien refleksi. Salah satu metode yang digunakan adalah spike dekonvolusi,

dimana proses ini mengasumsikan bahwa wavelet yang digunakan berupa spike,

sehingga output yang diharapkan adalah suatu trace yang mendekati deret koefisien

refleksi.

Pada penelitian ini, proses dekonvolusi menggunakan operator window 20

serta prewhitening 1% yang didapatkan dari hasil trial and error.

46

4.1.10 Background Removal

Konsep dari filter ini merupakan 2 – D filter yang berkerja dalam domain

jarak dan waktu. Background removal sangat berguna dalam menghilangkan

“ringing” dari antena, efektif untuk memunculkan sinyal yang lemah serta

meningkatkan energi koheren secara horizontal sehingga memperbesar energi sinyal

secara lateral. Input yang dimasukkan yaitu: start time = 0 , end time =500, start

distance =0 dan end distance = 723 untuk frekuensi tengah 75 Hz. Start time=0 end

time=200, strat distance=0 dan end distance=723 untuk frekuensi tengah 150 Hz.

4.1.11 F-K Filter

Proses pemisahan sinyal refleksi dari noise sangat sulit, sehingga diperlukan

suatu proses untuk mempermudah, dimana data yang kita olah tidak pada domain

jarak-waktu, tapi kita transformasikan pada domain yang lain.

F-K filter adalah filter dua dimensi yang akan memfilter frekuensi temporal

dan spasial. Filter ini didesain dalam fungsi bilangan gelombang. F-K filter

umumnya digunakan untuk menghilangkan noise koheren, yaitu noise yang terjadi

secara teratur dari trace ke trace sepanjang profil. Filter ini efektif untuk

menghilangkan noise koherent seperti ringing, multipel, gelombang udara, dan tanah

langsung (Young dan Sun, 1994 ).

Pada penelitian ini parameter yang dimasukan adalah input kecepatan – 0.3

m/ns dan 0.3 m/ns.

4.1.12 Migrasi

Migrasi bertujuan untuk mengoreksi letak titik refleksi pada posisi

sebenarnya. Proses migrasi mengembalikan bentuk-bentuk difraksi hiperbola,

reflektor-reflektor miring kepada posisi sebenarnya. Dalam program Reflexw proses

migrasi menggunakan metoda Migrasi Diffraction Stack. Migrasi Diffraction Stack

merupakan algoritma migrasi yang cepat dan efektif dalam perhitungan serta

memberikan hasil yang baik untuk data. Selain itu migrasi ini juga cukup baik dalam

menghilangkan difraksi. Kecepatan migrasi yang dipilih adalah sebesar 0.1, 0.15,

0.2, 0.25 dan 0.3 m/ns, hal ini dimaksudkan untuk mengetahui pada kecepatan

berapa migrasi yang paling optimum.

47

4.1.13 Konversi Kedalaman

Konversi kedalaman berfungsi untuk mengkonversikan dari satuan waktu

(ns) kedalam satuan kedalaman (m). Ada dua sumber kecepatan yang dapat

digunakan untuk konversi waktu ke kedalaman, yaitu profil kecepatan spesifik dan

kecepatan konstan skalar. Dalam proses konversi kedalaman ini digunakan kecepatan

rata-rata material geologi daerah penelitian sebesar 0.15 m/ns dengan tujuan untuk

mendapatkan nilai perkiraan kedalaman semu.

48

Gain

Dewow

Raw data

Bandpass Butterworth

Dekonvolusi

Background Removal

F-k Filter

Editing

Migrasi

DC-Shift

Move Starttime

Koreksi Statik

Gambar 4.4 Diagram alir pengolahan data

49

4.2 Pemodelan Kedepan

Pemodelan dilakukan dengan menggunakan software GPRMax 2D Versi

1.5.1 dan Matlab 6.5.1 untuk visualisasi. Tujuan dari pemodelan kedepan adalah

untuk melihat perilaku gelombang elektromagnetik pada struktur tertentu dan sebagai

pembanding dari data lapangan.

Asumsi yang digunakan adalah dalam pemodelan ini adaalah :

1. Semua medium dianggap linier dan isotropik.

2. Antena transmiter GPR diasumsikan sebagai sumber bidang (line sorce).

3. Parameter-parameter penyusun (constitutive parameters) diasumsikan tidak

berbeda jauh dari frekuensi. Asumsi ini mempermudah dalam menentukan

domain waktu dari model.

Data litologi

Lapangan

Asumsi

Permitivitas Batuan

Pemodelan Litologi dengan Menggunakan

asumsi Permitivitas relatif

Prosesing

Data

Membandingkan Profil GPR pemodelan

Dengan profil GPR

Tidak

Ya

Model GPR

Sebagai Pembanding

Data lapangan

Gambar 4.5 Diagram alir pemodelan ke depan GPR

50

Gambar 4.6 Flowchart Penghitungan Metoda FDTD

(J. Tetuko, 1998).

4.2.1 Parameter pemodelan

Parameter-parameter dalam pemodelan ini adalah:

Panjang lintasan dan kedalaman model

Ukuran model dibuat dengan ukuran 30 x 55 m (panjang lintasan 30 m dan

kedalaman 55 m). Panjang lintasan model diambil dari pendekatan jarak pengukuran

lapangan yang memiliki jarak ± 30 m sedangkan kedalaman model sebesar 55 m

didapat dari hasil trial and error yang menghasilkan model terbaik.

Diskritisasi model

Grid yang dipakai dalam pemodelan menggunakan interval grid 0.0125 m.

Pemilihan diskritisasi ini berdasarkan kaidah rule of thumb, dimana besarnya grid

setidaknya 1/10 dari panjang gelombang dengan tujuan untuk meminimalisasi error

akibat dispersi numerik .

Jenis medium dan sifat fisik medium

51

Dalam pemodelan ini digunakan 4 jenis medium yaitu: udara, beton, batupasir dan

batupasir tersaturasi air, harga sifat fisik keempat medium tersebut disajikan pada

tabel 4.2. Harga ε μr, r dan σ kelima medium tersebut diambil dari hasil trial and error

yang menghasilkan model terbaik yang

Tabel 4.2 Harga Permitivitas relatif, permeabilitas relatif dan konduktivitas material

yang digunakan dalam pemodelan.

Material σ (S/m) ε μr r

Udara 1.0 1.0 0

Beton 6 1.0 0.01

Batupasir 5 1.0 0.01

Batupasir tersaturasi air 30 1.0 1.0

30 m

Gambar 4.7. Geometri Pemodelan

55 m

Batupasir

8 m

20 m

10 m

Beton tebal 1 m

6 m

Batupasir tersaturasi air tebal 3 m

0θ= 52

52

Pemodelan struktur

Pada pemodelan ini geometri terowongan diasumsikan berbentuk menyerupai

setengah lingkaran dengan diameter ± 6 m , bagian bawah datar, tebal dinding 1

meter dengan material beton. Kedalaman terowongan dari permukaan ± 8 m.

Sedangkan struktur sesar dengan tebal 3 m dan kemiringan sebesar 52o . (Gambar

4.7)

Jendela Waktu

Jendela waktu yang digunakan yaitu sebesar 200 nS.

Kondisi Batas Serap

Kondisi batas serap digunakan agar tidak terjadi fenomena difraksi pada batas

dinding khayal. Pada pemodelan ini digunakan kondisi batas serap tipe Higdon orde-

3 karena jenis batas serap ini paling sering digunakan, memiliki tingkat akurasi yang

baik serta relatif lebih stabil

Parameter pengukuran

Pengukuran dalam model sama seperti pengukuran dilapangan yaitu menggunakan

konfigurasi radar reflection profiling dimana antara transmiter dan receiver bergerak

bersama dalam satu arah sepanjang permukaan, jarak antar antena sebesar 0.5 m,

jarak perpindahan 0.66 m, jenis sumber sinyal yang digunakan yaitu sinyal ricker dan

jumlah trace yang ingin dihasilkan sebanyak 50 trace.

53

BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1 Interpretasi Data Lapangan

Profil georadar 150 MHz

Pada profil 150 MHz yang telah diproses sampai tahap background removal

(gambar 5.1) terlihat adanya dua anomali yang sangat kontras yaitu berupa pola

difraksi dan pola refeksi miring. Pola difraksi terlihat pada waktu 20 ns dan 40 ns,

dimana jika kedua pola difraksi tersebut dicocokan pada kurva kecepatan didapatkan

harga kecepatan dari kedua difraksi tersebut adalah 0.3 m/ ns. Bila dibandingkan

antara difraksi pada waktu 20 ns dengan difraksi pada waktu 40 ns, terlihat ekor

difraksi pada waktu 40 ns cenderung lebih lebar daripada difraksi pada waktu 20 ns.

Pola difraksi pada waktu 40 ns ini merupakan difraksi dari bangunan terowongan

sedangkan pola difraksi 20 ns diduga berasal dari efek lokal yang berupa efek

difraksi yang berasal dari adanya pipa atau kabel yang melintang diatas terowongan,

dan dugaan lainnya difraksi pada waktu 20 ns ini berasal dari bongkahan batuan

vulkanik karena daerah sasaksaat didominasi oleh batuan ini.

Sedangkan pola refleksi miring yang terlihat pada radargram

diinterpretasikan sebagai zona lemah dari sesar, hal ini didasarkan pada karakter

refleksi yang kuat dan terlihat memiliki kontinuitas yang tinggi dimana secara fisis

refleksi yang kuat ini dihasilkan oleh adanya kontras permitivitas yang tinggi antara

dua medium. Zona lemah dari sesar ini diduga merupakan lapisan batupasir yang

telah tersaturasi air, dimana lapisan batupasir yang tersaturasi air ini memiliki

permitivitas reatif yang tinggi menurut literatur harga permitivitas relatifnya berkisar

antara 20-30. Sedangkan harga permitivitas relatif untuk batupasir berkisar antara 3-

5, dimana lapisan batupasir ini merupakan struktur perlapisan di daerah penelitian.

Kontras permitivitas antara batupasir dengan batupasir tersaturasi air ini sangat besar

sehingga menghasilkan amplitudo negatif yang tercerminkan sebagai refleksi miring

yang terlihat pada radargram dimana kemiringan dari sesar ini sekitar 52o

54

55

Gambar 5.2 merupakan profil 150 MHz yang telah dimigrasi dengan metoda

migrasi diffraction stack. Proses migrasi ini menggunakan kecepatan yang bervariasi

yaitu dengan kecepatan 0.1 m/ ns, 0.15 m/ ns, 0.2 m/ ns, 0.25 m/ ns dan 0.3 m/ ns.

Tujuan dari migrasi dengan kecepatan yang bervariasi ini untuk mengetahui migrasi

dengan kecepatan berapa yang paling optimum untuk mengembalikan even difraksi

terowongan pada posisi sebenarnya.

Gambar 5.2 (a) merupakan hasil migrasi dengan kecepatan 0.1 m/ ns dimana

dengan kecepatan ini ekor diraksi terowongan masih sangat lebar dan kecepatan

difraksinya masih 0.3 m/ ns. Gambar 5.2 (b) merupakan migrasi dengan kecepatan

0.15 m/ ns dimana dengan kecepatan ini kecepatan dari difraksi lebih rendah menjadi

0.29 m/ ns. Ekor dari difraksinya sendiri masih lebar dan masih memiliki sudutyang

lebar pula. Gambar 5.2 (c) migrasi dengan kecepatan 0.2 m/ ns, kecepatan dari

difraksinya masih sama yaitu sebsesar 0.29 m/ ns akan tetapi ekor difraksinya

berubah lebih pendek daripada sebelumnya. Gambar 5.2 (d) merupakan migrasi

dengan kecepatan 0.25 m/ ns, terlihat sudut difraksi terowongan lebih rendah

daripada sebelumnya dan kecepatan difraksinya sebesar 0. 27 m/ ns. Gambar 5.2 (d)

adalah hasil migrasi dengan kecepatan 0.3 m/ ns, terlihat ekor difraksi dari

terowongan lebih pendek dibandingkan dengan gambar 5.2(d) dan harga kecepatan

difraksinya lebih rendah menjadi 0.19 m/ ns.

Dari tes kecepatan pada proses migrasi diffraction stack terlihat bahwa

semakin tinggi kecepatan migrasi maka semakin rendah kecepatan difraksinya dan

semakin pendek juga ekor difraksi hiperbolanya. Dapat disimpulkan bahwa migrasi

yang paling optimum untuk mengembalikan difraksi dari terowongan yaitu dengan

kecepatan sebesar 0. 3 m/ ns.

v = m/ ns v = m/ ns Terowongan Sesa

LapisanPasir Sesar

Gambar 5.1 Radargram profil 150 MHz yang telah diproses sampai tahap background removal. Difraksi terowongan teridentifikasi

pada twt 40 ns dengan kecepatan 0.3 m/ ns sedangkan, pola refleksi miring diinterpretasikan sebagai sesar.

56

57

Gambar 5.2 Radargram profil 150 MHz yang telah dimigrasi (a) v = 0.1 m/ns (b) v = 0.15 m/ns (c) v =0.2 m/ns (d) v = 0.25 m/ns (e) v = 0.3 m/ns. Terlihat proses migrasi yang paling optimum utuk mengembalikan difraksi pada posisi sebenarnya yaitu dengan kecepatan 0.3 m/ns.

(a) (b) (c)

(d) (e)

58

Profil georadar 75 MHz

Pada profl georadar 75 MHz yang telah diproses sampai tahap background

removal (gambar 5.3) terlihat adanya pola difraksi dan pola refleksi miring. Pada profil

75 MHz ini terlihat hanya ada satu pola difraksi yang berasal dari terowongan saja yang

teramati pada waktu 45 ns dan dari pencocokan terhadap kurva kecepatan didapatkan

kecepatan difraksinya sebesar 0.25 m/ ns. Sedangkan pola refleksi miring yang terlihat

diduga merupakan refleksi dari bidang sesar dimana sesar ini memiliki kemiringan

sebesar 52o .

Gambar 5.4 (a) merupakan profil 75 MHz yang telah dimigrasi dengan kecepatan

0.1 m/ ns, terlihat seteah proses migrasi ekor difraksi dari terowongan memendek akan

tetapi kecepatan dari difraksinya masih sebesar 0.25 m/ns

Gambar 5.4 (b) merupakan hasil migrasi diffraction stack dengan kecepatan 0.15

m/ ns, terlihat kecepatan difraksinya lebih rendah menjadi 0. 20 m/ns dan ekor

difraksinya lebih pendek dibandingkan migrasi 0.1 m/ns.

Gambar 5.4 (c) merupakan hasil migrasi dengan kecepatan 0.2 m/ns, terlihat

kecepatan difraksinya lebih rendah lagi menjadi 0.19 m/ ns dan ekor dari difraksinya

lebih pendek dibandingkan migrasi 0.15 m/ns.

Gambar 5.4 (d) merupakan hasil migrasi dengan kecepatan 0.25 m/ns, terlihat

kecepatan difraksinya menjadi 0.15 m/ns dan ekor difraksinya lebih pendek

dibandingkan dengan migrasi 0.2 m/ns.

Gambar 5.4 (e) merupakan migrasi dengan kecepatan 0.3 m/ns, terlihat kecepatan

difraksinya adalah 0.15 m/ns dan difraksi dari terowongan telah terlokalisir pada posisi

sebenarnya.

Dari tes kecepatan migrasi dapat disimpulkan bahwa kecepatan antara 0.25 – 0.3 m/ ns

meghasilkan migrasi yang optimum untuk mengembalikan difraksi terowongan kepada

posisi asalnya.

Gambar 5.3 Radargram profil 75 MHz yang telah diproses sampai tahap background removal. Difraksi terowongan teridentifikasi pada

twt 45 ns dengan kecepatan 0.25 m/ ns, pola refleksi miring diinterpretasikan sebagai sesar.

v = m/ ns

Terowongan Sesar

SesarLapisanPasir

59

60

(a) (b) (c) (d) (e) Gambar 5.4 Radargram profil 75 MHz yang telah dimigrasi (a) v = 0.1 m/ns (b) v = 0.15 m/ns (c) v =0.2 m/ns (d) v = 0.25 m/ns (e) v = 0.3 m/ns. Terlihat proses migrasi yang paling optimum utuk mengembalikan difraksi pada posisi sebenarnya yaitu dengan kecepatan 0.3

5.2 Hasil Pemodelan Kedepan

Model Sintetik 150 MHz

Pada model sintetik 150 MHz( gambar 5.5 (a)) yang belum diproses, terlihat sinyal

dari difraksi terlihat lemah dan refleksi dari sesar tidak terlihat. Hal ini disebabkan

oleh pemodelan yang mengasumsikan gelombang radar merambat dalam medium

meluruh bersamaan waktu, artinya kondisi yang berlaku pada pemodelan adalah

kondisi yang berlaku di lapangan/ tidak ideal dimana gelombang radar mengalami

atenuasi dan energinya meluruh seiring dengan bertambahnya waktu.

Gambar 5.5 (b) adalah model sintetik yang telah diproses sampai tahap background

removal. Energi dari difraksi dapat diperkuat pada tahap ini, begitu pula dengan

refleksi dari sesar terlihat sangat kuat dan memiliki kontinuitas yang tinggi. Difraksi

dari terowongan teramati pada waktu 40 ns sedangkan difraksi-difraksi sebelum dan

sesudah 40 ns merupakan multipel.

Gambar 5.6 adalah profil-profil model sintetik 150 MHz yang dimigrasi dengan

kecepatan yang berbeda-beda. Gambar 5.6 (a) model sintetik 150 MHz yamg

dimigrasi dengan kecepatan 0.1 m/ ns, hasil migrasi dengan kecepatan ini seperti

terihat pada gambar pola difraksinya menjadi kabur dan energi dari sinyalnya

seolah-olah tertarik keatas, hal ini terjadi karena kecepatan migrasinya terlalu

rendah sehingga undermigrated.

Gambar 5.6 (b), (c), (d) dan (e) berturut-turut merupkakan model sintetik 150 MHz

yang dimigrasi dengan kecepatan 0.15, 0.2, 0.25 dan 0.3 m/ ns. Dari hasil tes

kecepatan tersebut yang menghasilkan migrasi optimum yaitu migrasi dengan

kecepatan 0.3 m/ ns.

61

Gambar 5.7 dan 5.8 merupakan gambar yang memperlihatkan penjalaran gelombang

radar dalam model mulai waktu 10 ns sampai dengan 100 ns. Pada waktu 10 dan 20

ns gelombang radar mulai tertransmisikan kebawah, pada waktu 30 ns sinyal

transmisi tersebut mencapai terowongan dan sebagian energi sinyalnya terefleksikan

keatas, pada waktu 40 ns sinyal refleksi tersebut mencapai receiver sedangkan

sinyal transmisi semakin kebawah pada waktu 50, 60 dan 70 ns, kemudian pada

waktu 80, 90 dan 100 ns sinyal transmisi mencapai sesar dan sebagian sinyalnya

terefleksikan keatas

62

63

(a)

(b) Gambar 5.5 (a) Raw data model sintetik 150 MHz, difraksi terowongan lemah dan tidak

terlihat refleksi dari sesar (b) Model sintetik 150 Mhz yang telah diproses sampai tahap

background removal, energi difraksi dari terowongan menguat dan refleksi dari struktur

sesar terlihat jelas.

(a) (b) (c) (d) (e) Gambar 5.6 Model sintetik 75 MHz yang telah dimigrasi (a) v = 0.1 m/ns (b) v = 0.15 m/ns (c) v =0.2 m/ns (d) v = 0.25 m/ns (e) v = 0.3 m/ns. Terlihat proses migrasi yang paling optimum yaitu dengan kecepatan 0.3 m/ ns.

64

t= 10 ns t= 20 ns t= 30 ns

t= 40 ns t= 50 ns t= 60 ns

Gambar 5.7 Perambatan gelombang radar dalam model untuk f = 150 MHzdari waktu 10 ns sampai dengan 60 ns.

65

66

Gambar 5.8 Perambatan gelombang radar dalam model untuk f = 150 MHz dari waktu 70 ns sampai dengan 100 ns.

t= 70 ns t= 80 ns

t= 90 ns t= 100 ns

Model Sintetik 75 MHz

Sama halnya dengan model sintetik 150 MHz, pada model sintetik 75 MHz(

gambar 5.9 (a)) yang belum diproses, terlihat sinyal dari difraksi terlihat lemah dan

refleksi dari sesar tidak terlihat. Hal ini disebkan asumsi kondisi yang berlaku pada

pemodelan adalah sama dengan kondisi yang berlaku di lapangan/ tidak ideal dimana

gelombang radar mengalami atenuasi dan energinya meluruh seiring dengan

bertambahnya waktu. Sedangkan gambar 5.9 (b) merupakan model sintetik yang telah

diproses sampai tahap background removal. Energi dari difraksi dapat diperkuat pada

tahap ini, begitu pula dengan refleksi dari sesar terlihat sangat kuat dan memiliki

kontinuitas yang tinggi. Difraksi dari terowongan teramati pada waktu 45 ns sedangkan

difraksi-difraksi sebelum dan sesudah 45 ns merupakan multipel.

Gambar 6.0 adalah profil-profil model sintetik 75 MHz yang dimigrasi dengan

kecepatan yang berbeda-beda. Gambar 5.10 (a) model sintetik 75 MHz yamg dimigrasi

dengan kecepatan 0.1 m/ ns, hasil migrasi dengan kecepatan ini seperti terihat pada

gambar pola difraksinya menjadi kabur dan energi dari sinyalnya seolah-olah tertarik

keatas, hal ini terjadi karena kecepatan migrasinya terlalu rendah sehingga terjadi

undermigrated. Gambar 6.0 (b), (c), (d) dan (e) berturut-turut merupakan model sintetik

75 MHz yang dimigrasi dengan kecepatan 0.15, 0.2, 0.25 dan 0.3 m/ ns. Dari hasil tes

kecepatan tersebut yang menghasilkan migrasi optimum yaitu migrasi dengan kecepatan

0.3 m/ ns.

Gambar 5.11 da 5.12 merupakan gambar yang memperlihatkan penjalaran

gelombang radar dalam model mulai waktu 10 ns sampai dengan 100 ns. Pada waktu 10

ns sinyal dari source belum tertransmisikan, sinyal mulai bertransmisi dalam medium

pada waktu 20 ns, kemudian pada waktu 40 ns sinyal transmisi tersebut mencapai

67

terowongan dan sebagian energi sinyalnya terefleksikan keatas, pada waktu 50 ns sinyal

refleksi tersebut mencapai receiver sedangkan sinyal transmisi semakin kebawah pada

waktu 60 dan 70 ns dan 80, kemudian pada waktu 90 dan 100 ns sinyal transmisi

mencapai sesar dan sebagian sinyalnya terefleksikan kembali keatas.

68

69

(a)

Gambar 5.9 (a) Raw data model sintetik 75 MHz, difraksi terowongan lemah dan tidak

terlihat refleksi dari sesar (b) Model sintetik 75 Mhz yang telah diproses sampai tahap

background removal, difraksi dari terowongan menguat dan refleksi dari struktur sesar

terlihat jelas.

(b)

(a) (b) (c) (a) (b) Gambar 5.10 Model sintetik 75 MHz yang telah dimigrasi (a) v = 0.1 m/ns (b) v = 0.15 m/ns (c) v =0.2 m/ns (d) v = 0.25 m/ns (e) v = 0.3 m/ns. Terlihat proses migrasi yang paling optimum yaitu dengan kecepatan 0.25 - 0.3 m/ns.

70

t= 10 ns t= 20 ns t= 30 ns

t= 40 ns t= 50 ns t= 60 ns

Gambar 5.11 Perambatan gelombang radar dalam model dengan f =75 MHz dari waktu 10 ns sampai dengan 60 ns.

71

72

t= 70 ns t= 80 ns

t= 90ns t= 100ns

Gambar 5.12 Perambatan gelombang radar dalam model dengan f = 75 MHz dari waktu 70 ns sampai dengan 100 ns.

BAB 6

KESIMPULAN DAN SARAN

6.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang dapat diperoleh pada penelitian ini adalah:

1. Terowongan teridentifikasi pada twt 40 ns untuk frekuensi tengah 150 MHz

dan pada twt 45 ns untuk frekuensi tengah 75 MHz.

2. Difraksi dari terowongan dapat dimigrasi secara optimum dengan kecepatan

0.3 m/ ns.

3. Dari hasil perbandingan data lapangan dengan pemodelan kedepan dapat

diduga adanya struktur sesar disekitar terowongan

6.2 Saran

Kesuksesan penggambaran profil bawah permukaan sangat dipengaruhi

kesuksesan pada saat pengambilan data, pengolahan data dan data pendukung untuk

interpretasi data.

Saran yang dapat disampaikan penulis untuk memperoleh hasil yang lebih baik

adalah :

1. Pengambilan data dengan lintasan yang lebih jauh sehingga struktur yang

diinterpretasikan sebagai sesar lebih jelas terlihat.

2. Pengambilan data dengan metode geofisika lainnya sebagai data pembanding.

3. Pemodelan FDTD dengan grid yang lebih kecil untuk menghasilkan pemodelan

yang lebih akurat.

4. Pemodelan dengan metoda lainnya sebagai pembanding.

Daftar Pustaka Annan, A.P.; 2001: Ground - Penetrating Radar Workshop Notes, Sensors &

Software.

; 1999: Practical Processing of Ground - Penetrating Radar Data.

Annan, A.P; Davis, J. L. ; 1989 : Ground - Penetrating Radar for High Resolution

Mapping of Soil and Rock Stratigraphy, Geophysical Prospeting, Vol 37,

Hal 531-551.

Cagnoli, B.; Ulrych, T.; 2003: GPR Studies of Piroclastic Deposits, The Leading

Edge, Vol 20, Hal 242-248.

Erwin, Y.; 2004: Simulasi Perambatan Gelombang Elektromagnetik dengan Metoda

FDTD, Skripsi Departemen Fisika, Institut Teknologi Bandung.

Fagin, W. S.; 1996: Seismic Modelling of Geologic Structures. Society of

Exploration Geophysicists.

Fisher, S.C ; R.R Stewart ; H. M. Jol.; 1994 : Processing Ground - Penetrating

Radar Data, Waterloo, Canada., Hal 661 – 675.

Giannopoulos, A.; 2003: GPR Max 2D/ 3D User’s Manual, University of

Edinburgh.

Indragiri, N.M.; 2004: Identifikasi Retakan di Terowongan Sasaksaat dengan

Metoda Ground Penetrating Radar, Skripsi Departemen Teknik Geofisika,

Intitut Teknologi Bandung.

Jol, M.; Bristow, H.; Charlie, S.; 2003: Stratigraphic Imaging of The Navajo

Sandstone Using Ground Penetrating Radar, The Leading Edge, Vol 22, Hal

882-887.

Marshall, S.V., Skitek, G.G.; 1990: Electromagnetic Concepts and Applications,

Prentice-Hall International, Inc.

Nabighian M.N.; 1996: Electromagnetic Methods in Applied Geophysics, Vol 2,

Society Of Exploration Geophysicist.

Radzevicius, J. S ; Erich D. Guy ; Jeffrey J. Daniels. ; 2000 : Pittfalls in GPR Data

Interpretation, Differentiating Stratigraphy and Buried Objects from Periodic

74

Antenna and Target Effect. Geophysical Research Letters., Vol 27, Hal

3393-3396.

Reynolds, J. M. ; 1997 : An Introduction to Applied and Environmental Geophysics.

John Willey And Sons. Chicester, England., Chapter 12, Hal 682-749.

Roberts, L.R; Daniels, I. J; 1997: Modelling near-field GPR in three dimensions

using the FDTD method, Geophysics, Vol 62, Hal 1114-1126.

Ruchimat, A.; 2004: Studi Struktur Perlapisan Pada Daerah Batas Kontak Formasi

Panosogan – Waturanda DenganMenggunakan Metoda GPR, Skripsi

Departemen Teknik Geofisika, Institut Teknologi Bandung.

Sadiva, M.; 1999: Time Domain Electromagnetik, Finite-Difference Time Domain

Method, Academic Press, 151-234.

Sandmeier, K. J. ; 1998 : Reflexwtm 1.4 Reference Manual., www.ka.shuttle

de/software.

Schön, J. H., 1996, Physical properties of rock: Fundamentals and Principles of

Petrophysics: Vol. 18: England, Pergamon.

Sun, J.; R.A. Young. ; 1995 : Recognizing Surface Scattering in Ground-Penetrating

Radar Data. Geophysics, Vol 60, Hal 1378-1385.

Tetuko, J.; 1998: Analisa Hantaran Gelombang Listrik Magnet dengan Menggunakan

Metoda Finite Difference Time Domain (FDTD), Tutorial Unggulan Riset

Terpadu (RUT) IV, BPPT.

Tsili, W.; Alan, C.T; 1996: FDTD simulation of EM wave propagation in 3-D media,

Geophysics, Vol 61, Hal 110-120.

75

LAMPIRAN

76

LAMPIRAN 1

FUNGSI SUMBER SINYAL

• Fungsi Gaussian

2)( χξ −−= teI

• Fungsi Ricker

)(22)()2/(1 χξ χξξ −−= −− teeI t

dimana fungsi ini merupakan turunan pertama dari fungsi Gaussian.

diamana :

= amplitudo (m) 222 fπξ =

f1

=χ = perioda (s)

f = frekuensi (Hz)

t = waktu (s)

I = arus listrik (A)

77

LAMPIRAN 2

SINYAL RICKER 75 MHz

Waktu (ns)

Ricker Waveform 75 MHz

78

LAMPIRAN 3

SINYAL RICKER 150 MHz

Waktu (ns)

Ricker Waveform 150 MHz

79

LAMPIRAN 4

DATA BOR

80