BAB I
PENDAHULUAN
I. Latar Belakang Masalah
Metode Geolistrik tahanan jenis atau resistivity adalah salah satu metode
dalam geofisika yang memanfaatkan sifat kelistrikan batuan. Metode ini digunakan
untuk ekplorasi mineral (bijih sulfida), sumber air (akuiver), penentuan kedalaman
lapisan overburden batubara, penelitian panas bumi.
Metode ini dilakukan dengan cara mengirim arus dan mengukur tegangan atau
potensial yang terbaca dipermukaan, sehingga diperoleh resistivitas atau tahanan jenis
antar lapisan batuan dibawah permukaan bumi, dan juga ketebalan masing-masing
lapisan batuan tersebut. Dari harga tahanan jenisnya dipakai sebagai dasar penafsiran
litologi batuan yang terdapat pada lapisan tersebut.
Prinsip dasar metode geolistrik tahanan jenis adalah Hukum Ohm. Dimana
hambatan diperoleh dengan mengukur beda potensial dan arus yang dilewatkan
dalam suatu penghantar.
Ketiga sifat aliran listrrik tersebut tidak dapat dibedakan satu terhadap yang
lainnya hanya dari pengukuran geolistrik saja, tetapi harus dilakukan penelitian lebih
lanjut terhadap sample batuannya.
II. Maksud dan Tujuan
Dalam Pratikum Geolistrik kali ini kita memiliki tujuan untuk mengetahui
formasi yang bersifat konduktif dalam bumi, sehingga dapat dimanfaatkan untuk
pencarian mineral, geothermal, keairan (air tanah) yang diperkirakan prospek. Tujuan
dari praktikum ini adalah untuk mengetahui nilai resistivitas tiap satuan batuan dan
kondisi geologi di bawah permukaan yang bersifat konduktif maupun resistif pada
daerah yang diperkirakan potensial dengan mendeteksi perbedaan resistivitas batuan
daerah tersebut.
BAB II
TEORI DASAR
Metode geofisika yang secara luas banyak dilakukan dalam eksplorasi adalah
metode seismik, magnetik, gaya berat, tahanan jenis listrik dan elektromagnetik.
Metode geolistrik merupakan salah satu metode eksplorasi geofisika yang dapat
diterapkan untuk mempelajari penentuan lithologi lapisan batuan di bawah
permukaan bumi. Metode ini merupakan metode yang menggunakan prinsip aliran
arus listrik dalam menyelidiki struktur bawah permukaan bumi. Penggunaan
geolistrik pertama kali dilakukan oleh Conrad Schlumberger pada tahun 1912.
Geolistrik merupakan salah satu metoda geofisika untuk mengetahui perubahan
tahanan jenis lapisan batuan di bawah permukaan tanah dengan cara mengalirkan
arus listrik DC (Direct Current) yang mempunyai tegangan tinggi ke dalam tanah.
Injeksi arus listrik ini menggunakan dua buah elektroda arus A dan B yang
ditancapkan ke dalam tanah dengan jarak tertentu.
Berdasarkan asal sumber arus listrik yang digunakan, metode resistivitas
dapat dikelompokan kedalam dua kelompok yaitu:
1. Metode pasif
Metode ini menggunakan arus listrik alami yang terjadi di dalam tanah
(batuan) yang timbul akibat adanya aktivitas elektrokimia dan elektromekanik
dalam materi-materi penyusun batuan. Metode yang termasuk dalam
kelompok ini diantaranya Potensial Diri/Self Potensial (SP) dan Magneto
Teluric (MT).
2. Metode aktif
Yaitu bila arus listrik yang diinjeksikan (dialirkan) didalam batuan, kemudian
efek potensial yang ditimbulkan arus buatan tersebut diukur di permukaan.
Metode yang termasuk kedalam kelompok ini diantaranya metode resistivity
dan Induced Polarization (IP).
Aliran listrik pada suatu formasi batuan terjadi terutama karena adanya fluida
elektrolit pada pori-pori atau rekahan batuan. Oleh karena itu resistivitas suatu
formasi batuan bergantung pada porositas batuan serta jenis fluida pengisi pori-pori
batuan tersebut. Batuan porous yang berisi air atau air asin tentu lebih konduktif
(resistivitasnya rendah) dibanding batuan yang sama yang pori-porinya hanya berisi
udara (kosong).
Metoda geolistrik ada banyak macamnya, antara lain, metode:
1. Metode Resistivitas.
2. Metode Polarisasi Terimbas/Induce Polarization.
3. Metode Potensial Diri/Self Potential.
Prinsip fisika yang digunakan pada metoda geolistrik secara sederhana dapat
dianalogikan dengan rangkaian listrik. Jika arus dari suatu sumber dialirkan ke suatu
beban listrik maka besarnya resistansi R dapat diperkirakan berdasarkan besarnya
potensial sumber dan besarnya arus yg mengalir.
Metode geolistrik ini digunakan untuk mengetahui karakteristik lapisan
batuan bawah permukaan, untuk mengetahui kemungkinan adanya lapisan akifer
yaitu lapisan batuan yang merupakan lapisan pembawa air. Umumnya yang dicari
adalah confined aquifer yaitu lapisan akifer yang diapit oleh lapisan batuan kedap air
(misalnya lapisan lempung) pada bagian bawah dan bagian atas. Confined akifer ini
mempunyai recharge yang relatif jauh, sehingga ketersediaan air tanah di bawah titik
bor tidak terpengaruh oleh perubahan cuaca setempat.
Geolistrik ini bisa untuk mendeteksi adanya lapisan tambang yang
mempunyai kontras resistivitas dengan lapisan batuan pada bagian atas dan
bawahnya. Bisa juga untuk mengetahui perkiraan kedalaman bedrock untuk fondasi
bangunan. Metoda geolistrik juga bisa untuk menduga adanya panas bumi
(geothermal) di bawah permukaan. Hanya saja metoda ini merupakan salah satu
metoda bantu dari metoda geofisika yang lain untuk mengetahui secara pasti
keberadaan sumber panas bumi di bawah permukaan.
Potensial listrik batuan adalah potensial listrik alam atau potensial diri
disebabkan terjadinya kegiatan elektrokimia atau kegiatan alam. Faktor pengontrol
dari semua kejadian ini adalah air tanah. Potensial ini berasosiasi dengan pelapukan
mineral pada bodi sulfida, perbedaan sifat batuan (kandungan mineral) pada kontak
geologi, kegiatan bioelektrik, dan materi organik korosi, gradient termal, serta
gradient tekanan.
Macam-macam Potensial Listrik
1. Potensial elektrokinetik
Terjadi ketika cairan dengan tahanan jenis ρ dan viskositas η ‘tertekan’ pada
suatu medium berpori. ζ yaitu potensial zeta (absorpsi), ΔP yaitu beda
tekanan, dan k yaitu konstanta dielektrik.
2. Potensial Difusi (Liquid Junction)
Terjadi karena perbedaan pergerakan ion pada fluida berkonsentrasi beda.
3. Potensial Nerst
Terjadi saat 2 buah logam yang berkonsentrasi beda dibenamkan dalam cairan
elektrolit.
4. Potensial Mineralisasi
Terjadi saat 2 metal berbeda dimasukkan dalam cairan yang sama.
Cara arus mengalir di bumi:
Elektronik (Ohmik)
Arus mengalir lewat media padat (logam, batuan, dll). Jika arus dari suatu
sumber dialirkan ke suatu beban listrik (misalkan kawat seperti terlihat pada
gambar) maka besarnya resistansi R dapat diperkirakan berdasarkan besarnya
potensial sumber dan besarnya arus yang mengalir.
Gambar 1. Arus mengalir di dalam kawat
Elektrolitik
Arus mengalir lewat cairan yang mengisi pori-pori batuan. Hukum Archie:
Ф adalah porositas, Sw perbandingan pori berisi fluida, ρw adalah resistivitas
fluida, n, a, m adalah konstanta.
Konduksi Dielektrik
Arus terbentuk akibat gangguan osilasi medan magnet dari luar. Berkaitan
dengan medan luar yang berubah terhadap fungsi waktu (periodik). Parameter
terpenting adalah konstanta dielektrik (pada analisis DC = konduktivitas)
Metoda Geolistrik Tahanan Jenis
Metode resistivitas pada dasarnya adalah pengukuran harga resistifitas
(tahanan jenis) batuan. Prinsip kerja metode ini adalah dengan menginjeksikan arus
ke bawah permukaan bumi sehingga diperoleh beda potensial, yang kemudian akan
didapat informasi mengenai tahanan jenis batuan. Hal ini dapat dilakukan dengan
menggunakan keempat elektroda yang disusun sebaris, salah satu dari dua buah
elektroda yang berbeda muatan digunakan untuk mengalirkan arus ke dalam tanah,
dan dua elektroda lainnya digunakan untuk mengukur tegangan yang ditimbulkan
oleh aliran arus tadi, sehingga resistivitas bawah permukaan dapat diketahui.
Resistivitas batuan adalah fungsi dari konfigurasi elektroda dan parameter-parameter
listrik batuan. Arus yang dialirkan di dalam tanah dapat berupa arus searah (DC) atau
arus bolak-balik (AC) berfrekuensi rendah. Untuk menghindari potensial spontan,
efek polarisasi dan menghindarkan pengaruh kapasitansi tanah yaitu kecenderungan
tanah untuk menyimpan muatan maka biasanya digunakan arus bolak balik yang
berfrekuensi rendah.
Gambar .1 Prinsip Kerja Metode Resistivitas
Penyelidikan geolistrik ini terdiri atas dua jenis kegiatan yaitu pemetaan
tahanan jenis (Mapping) dan pendugaan tahanan jenis (Sounding). Hasil pengukuran
mapping akan berupa peta-peta tahanan jenis semu untuk berbagai bentangan
elektroda arus, sedangkan pengukuran sounding akan berupa profil-profil nilai
tahanan jenis sebenarnya.
Secara umum, pendekatan sederhana pembahasan gejala kelistrikan bumi
adalah dengan menganggap bumi sebagai medium homogen (jenis lithologi sama)
dan bersifat isotropis (diukur dari berbagai arah akan memberikan harga yang sama).
Dengan perlakuan tersebut medan listrik dari sumber titik di dalam bumi merupakan
simetri bola.
Ekuipotensial di setiap titik di dalam bumi membentuk permukaan bola
dengan jari-jari r. Arus listrik yang diinjeksikan melalui elektroda arus sebagai fungsi
jarak dan kedalaman, mengalir keluar bola secara radial ke segala arah sebesar
Dimana A adalah luas permukaan bola dan J adalah rapat arus yang
menyatakan besarnya arus yang mengalir dalam suatu luasan yang dinyatakan dengan
persamaan
dimana σ adalah konduktivitas listrik dan E adalah medan listrik yang
dinyatakan dengan persamaan
Sehingga dengan dua persamaan di atas, jika disubstitusikan ke persamaan
pertama, akan didapat:
Kemudian beda potensial (tegangan) diberikan oleh persamaan
dengan
Disubstitusika ke persamaan diperoleh:
dengan
Ingat bahwa konduktivitas listrik σ merupakan kebalikan dari resistivitas
listrik ρ, sehingga:
Karena sumber arus terdapat di permukaan bumi, maka permukaan yang
dilalui arus adalah setengah bola sehingga
Apabila jarak antara dua elektroda arus tidak terlalu besar, potensial disetiap
titik dekat permukaan akan dipengaruhi oleh kedua elektroda arus. Adapun potensial
listrik yang dihasilkan dari kedua sumber arus ini adalah beda potensial yang terukur
pada dua titik pengukuran pengukuran potensial (P1 dan P2). Adapun beda potensial
terukur antara titik P1 dan P2 adalah,
dimana: r1 = jarak C1 ke P1
r2 = jarak C2 ke P1
r3 = jarak C1 ke P2
r4 = jarak C2 ke P2
Untuk lebih jelasnya lihat gambar berikut:
Gambar .2 Model dua elektroda arus dan dua elektroda potensial
Dengan mengatur persamaan beda potensial di atas, diperoleh persamaan
untuk resistivitas
Dimana K adalah factor koreksi geometri yang dinyatakan dengan
Factor koreksi ini berubah – ubah tergantung dari konfigurasi apa yang
digunakan. Factor koreksi ini dilakukan karena pada umumnya lapisan batuan tidak
mempunyai sifat homogen sempurna, seperti yang dipersyaratkan pada pengukuran
geolistrik. Untuk posisi lapisan batuan yang terletak dekat dengan permukaan tanah
akan sangat berpengaruh terhadap hasil pengukuran tegangan dan ini akan membuat
data geolistrik menjadi menyimpang dari nilai sebenarnya. Yang dapat
mempengaruhi homogenitas lapisan batuan adalah fragmen batuan lain yang
menyisip pada lapisan, faktor ketidak-seragaman dari pelapukan batuan induk,
material yang terkandung pada jalan, genangan air setempat, perpipaan dari bahan
logam yang bisa menghantar arus listrik, pagar kawat yang terhubung ke tanah dan
sebagainya. Tegangan listrik alami yang umumnya terdapat pada lapisan batuan
disebabkan oleh adanya larutan penghantar yang secara kimiawi menimbulkan
perbedaan tegangan pada mineral-mineral dari lapisan batuan yang berbeda juga akan
menyebabkan ketidak-homogenan lapisan batuan.
Sifat Kelistrikan Batuan
Aliran arus listrik didalam batuan/mineral dapat digolongkan menjadi tiga
macam, yaitu konduksi secara elektronik, konduksi secara elektrolitik dan konduksi
secara dielektrik. Konduksi secara elektronik terjadi jika batuan/mineral mempunyai
banyak elektron bebas sehingga arus listrik dialirkan dalam batuan/mineral tersebut
oleh elektron-elektron bebas itu. Konduksi elektrolitik terjadi jika batuan/mineral
bersifat porus dan pori-pori tersebut terisi oleh cairan-cairan elektrolitik. Pada
konduksi ini arus listrik dibawa oleh ion-ion elektrolit. Sedang konduksi dielektrik
terjadi jika batuan/mineral bersifat dielektrik terhadap aliran arus listrik yaitu terjadi
polarisasi saat bahan dialiri listrik.
Berdasarkan harga resistivitas listriknya, batuan/mineral digolongkan menjadi
tiga yaitu:
Konduktor baik : 10 −8 < ρ < 1 Ω m
Konduktor pertengahan : 1 < ρ < 107 Ω m
Isolator : ρ > 10 7 Ω m
Bila tidak ada kandungan mineral lempung, maka resisivitas batuan
bergantung pada:
Porositas
Kandungan air dalam pori (saturasi)
Kandungan Mineral dalam fluida (salinitas) yang berada dalam pori
Temperatur
Mineral Lempung
Mineral lempung yang memiliki ion-ion negatif dan positif bebas
menyebabkan arus listrik mudah mengalir, sehingga resistivitas batuan mengecil/
berkurang.
Konfigurasi Elektrode
Terdapat banyak aturan penempatan elektrode (konfigurasi elektrode) yang
digunakan dalam metode resistivitas. Beberapa konfigurasi elektrode pada penerapan
metode resistivitas diantaranya adalah konfigurasi Wenner, konfigurasi Schlumberger
dan konfigurasi Dipole-dipole.
Konfigurasi Wenner
Pada konfigurasi Wenner, elektrode arus dan elektrode potensial diletakkan
seperti pada gambar
Gambar 5. Konfigurasi wenner
Dalam hal ini, elektrode arus dan elektrode potensial mempunyai jarak yang
sama yaitu C1P1= P1P2 = P2C2 = a. Jadi jarak antar elektrode arus adalah tiga kali
jarak antar elektrode potensial. Perlu diingat bahwa keempat elektrode dengan titik
datum harus membentuk satu garis.
Pada resistivitas mapping, jarak spasi elektrode tidak berubah-ubah untuk
setiap titik datum yang diamati (besarnya a tetap), sedang pada resistivitas sounding,
jarak spasi elektrode diperbesar secara bertahap, mulai dari harga a kecil sampai
harga a besar, untuk satu titik sounding. Batas pembesaran spasi elektrode ini
tergantung pada kemampuan alat yang dipakai. Makin sensitif dan makin besar arus
yang dihasilkan alat maka makin leluasa dalam memperbesar jarak spasi elektrode
tersebut, sehingga makin dalam lapisan yang terdeteksi atau teramati.
Dari gambar, dapat diperoleh besarnya Faktor Geometri untuk Konfigurasi
Wenner adalah
sehingga pada konfigurasi Wenner berlaku hubungan
Konfigurasi Wenner-Schlumberger
Konfigurasi ini merupakan perpaduan dari konfigurasi Wenner dan
konfigurasi Schlumberger. Pada pengukuran dengan faktor spasi (n) = 1, konfigurasi
Wenner-Schlumberger sama dengan pengukuran pada konfigurasi Wenner (jarak
antar elektrode = a), namun pada pengukuran dengan n = 2 dan seterusnya,
konfigurasi Wenner-Schlumberger sama dengan konfigurasi Schlumberger (jarak
antara elektrode arus dan elektrode potensial lebih besar daripada jarak antar
elektrode potensial).
Gambar 6. Konfigurasi wenner- schlumberger
Maka, berdasarkan gambar, faktor geometri pada konfigurasi Wenner-
Schlumberger adalah
Sehingga berlaku hubungan
Konfigurasi Dipole – Dipole
Konfigurasi dipole-dipole menggunakan empat buah elektroda yang terdiri
dari dua elektroda potensial dan dua elektroda arus. Elektroda arus ditempatkan di
urutan pertama kemudian dilanjutkan dengan elektroda potensial. Jarak AB dan MN
sebesar a sedangkan elektroda arus dan elektroda potensial dipisahkan oleh jarak na
dimana n merupakan faktor kali pemindahan elektroda potensial.
Dengan susunan konfigurasi tersebut maka didapatkan nilai faktor geometris
sebesar :
dan resistivitas semu:
Gambar 4. Konfigurasi dipole-dipole
Mempunyai dua bagian utama ‘Current Dipole’ (AB) dan ‘Potential Dipole’
(MN), yang letaknya tidak segaris dan simetris. Untuk menambah kedalaman
penetrasi, jarak CD dan PD diperpanjang, sedangkan jarak AB dan MN tetap.
Gambar. 3 Macam-macam Konfigurasi Dipole
Kelebihan dan kekurangannya:
1. Kemampuan penetrasi yang lebih dalam sehingga mampu medeteksi batuan
lebih dalam.
2. Tidak praktis dibandingkan konfigurasi Wenner atau Schlumberger.
Metodologi percobaan