geofisika (MT dan CSAMT)

Metode Elektromagnetik

Jika di permukaan bumi timbul medan elektromagnetik akan timbul arus listrik yang melewati berbagai macam lapisan konduktor di bawah perukaan bumi sesuai dengan hukum induksi elektromagnetik. Arus ini akan mengganggu medan elektromagnetik di perukaan bumi dengan timbulnya medan elektromagnetik yang baru.

Gelombang Elektromagnetik

Gelombang Elekromagnet yaitu Rambatan perubahan (getaran) medan magnet dan medan listrik yang saling tegask lurus ke segala arah .

§ Spektrum Gelombang Elekromagnet

   Spektrum Gelombang Elekromagnet yaitu susunan gelombang elektromagnet berdasarkan urutan frekuensi atau panjang gelombang .

       Tabel Spektrum

Spektrum	Frekuensi (Hz)	Panjang Gelombang (m)
Sinar Gamma Sinar – X Ultraviolet Cahaya tampak Inframerah Radar dan Tv Gelombang radio	10²² 10¹⁹ 10¹⁷ 10¹⁵ 10¹³ 10¹⁰ 10³	10-¹⁴ 10-¹⁰ 10-⁸ 10-⁶ 10-⁵ 10-² 10⁵

§ Postulat / Dalil

            Teori relativitas Albert Einstein adalah sebutan untuk kumpulan dua teori fisika: relativitas umum dan relativitas khusus. Kedua teori ini diciptakan untuk menjelaskan bahwa gelombang elektromagnetik tidak sesuai dengan teori gerakan Newton.

            Gelombang elektromagnetik dibuktikan bergerak pada kecepatan yang konstan, tanpa dipengaruhi gerakan sang pengamat. Inti pemikiran dari kedua teori ini adalah bahwa dua pengamat yang bergerak relatif terhadap masing-masing akan mendapatkan waktu dan interval ruang yang berbeda untuk kejadian yang sama, namun isi hukum fisika akan terlihat sama oleh keduanya.

§ Sifat Gelombang Elektromagnet

a.       gelombang elektromagnet dapat mengalami refleksi, refraksi (pembelokan),difraksi,  Interferensi, dan polarisasi.

b.      Kecepatan gelombang elektromagnet di ruang hampa dirumuskan sebagai berikut :    

               V =  1/ √μ₀ε₀

       

        μ₀ = permeabilitas magnet diruang hampa

             = 12,6 X 10⁶ weber . ampere-¹ . m-¹

         ε₀  = permitivitas listrik diruang hampa

               = 8,85 X 10-¹² coulomb . newton-¹ . m-²

          v   = kecepatan gelombang elekromagnet

               = ± 3 X 10⁸ ms-¹                                                                                                            

§ Penerapan dalam kehidupan sehari – hari

    a. Sinar Gamma

         Sinar Gamma mempunyai daya tembus sangat tinggi, maka sinar gamma digunakan dalam berbagai bidang . antara lain :

1.      Industri, untuk mengetahui struktur logam

2.      Pertanian, untuk membuat bibit unggul

3.      kedokteran, untuk terapi dan diagnosa ,dan

4.      Farmasi, untuk sterilisasi

b. Sinar - X 

 Sinar – X mempunyai daya tembus besar . dalam bidang kedokteran sinar ini digunakan    untuk membuat gambar organ tubuh bagian dalam.

    c. Sinar Ultraviolet

        Sinar Ultraviolet mempunyai daya kimia yang besar karena membentuk jasad renik . Sinar ultraviolet dipakai sebagai sterilisasi .

   d.  Sinar Tampak

         Sinar ini merupakan gelombang yang sangat penting bagi makhluk hidup . dengan gelombang ini orang bisa membuat alat-alat optik .

   e.  Sinar  Inframerah

         Sinar ini banyak digunakan untuk  penelitian struktur atom dan pemotretan rahasia .

    f.  Radar 

         sifat pantulan gelombang radar sangat baik, maka gelombang ini banyak digunakan untuk menetukan jarak suatu tempat dengan baik dan cepat .

    g.  Radio

gelombang radio digunakan sebagai pembawa informasi . gelombang ini dapat di pantulkan oleh lapisan ionosfer sehingga dapat mencapai daerah yang luas di bumi.

Hukum Maxwell (persamaan)

      Investigasi dengan elektromagnetik didasarkan kepada persamaan Maxwell 1 sampai dengan 4 yang disajikan sebagai berikut :

Ñ ´ H = j + ¶D/¶t , (1) 

Ñ ´ E = - ¶B/¶t , (2)

Ñ · B = 0, dan (3) 

Ñ · D = q . (4)

Persamaan Maxwell 1 merupakan hukum Ampere dimana keberadaan arus listrik j membangkitan rotasi medan magnet H. Kipas angin merupakan aplikasi hukum ini yang sehari-hari kita jumpai. Hukum Maxwell 2 merupakan hukum Faraday, dimana variasi medan magnet B terhadap waktu membangkitkan medan elektrik E. Generator di lapangan panasbumi Kamojang merupakan aplikasi dari hukum Maxwell kedua ini. Hukum Maxwell 3 menyatakan bahwa medan magnet tidak mempunyai source, sedangkan Hukum Maxwell 4 menunjukkan bahwa keberadaan muatan listrik q merupakan sumber dari displacement current D. Kapasitor merupakan pemanfaatan dari Hukum Maxwell 4.

Magnetotelurik

Magnetotellurik adalah suatu metoda geofisika yang bertujuan memetakan struktur bawah permukaan (imaging) dengan prinsip sounding, yang tergolong baru yang sifatnya pasif, memanfaatkan medan elektromagnetik (EM) alam. interaksi medan magnet bumi yang menginduksi arus listrik dibawah permukaan bumi ditangkap oleh sensor yang berupa koil magnetik dimana struktur penyusunannya disusun sedemikian rupa.

Dari respon yang berupa tensor impedansi (fungsi transfer antara medan magnet dan medan listrik) kita bisa memperkirakan nilai resistivitas semu sebagai properti fisik dari tiap batuan dalam bumi.

Medan EM tersebut ditimbulkan oleh berbagai proses yg cukup kompleks dengan spektrum frekuensi sangat lebar (0.00001 Hz – 100 kHz), pada frekuensi rendah di bawah 1 Hz, medan EM yang dihasilkan berasal dari interaksi aktivitas partikel matahari yang berinteraksi dengan medan magnet bumi, sedangkan pada frekuensi tinggi >1Hz terjadi karena aktivitas alam, contohnya berupa petir yang menimbulkan gelombang EM yang terperangkap di dalam ionosfer bergerak mengitari bumi. Hal yang harus dicatat adalah bahwa pengukuran MT menggunakan sumber alam yang jaraknya sangat jauh dari tempat pengukuran, contoh misalnya kita mengukur di Bandung maka tidak boleh ada sumber petir dekat (cimahi) karena dikhawatirkan akan menimbulkan kerusakan pada data.

Metoda Magnetotellurik (MT) ini diperkenalkan oleh Tikhonov (1950) dan Cagniard (1953), merupakan metoda sounding yang mampu mencapai jarak sampai kedalaman 5 km, berasosiasi dengan densitas dan frekuensi. Saat ini aktif dikembangkan di berbagai penjuru dunia untuk keperluan eksplorasigeothermal dan dijadikan metoda standar untuk aplikasi ini, karena resistivitas batuan juga memiliki hubungan yang kuat dengan kondisi termalnya. dapat digunakan juga untuk eksplorasi migas karena ke-kurang efektif-an metoda seismik pada daerah tutupan vulkanik yang tebal dan kondisi strukturoverthrusting yang ekstrem. Tinggi rendah frekuensi akan berdampak pada kedalaman informasi yang didapat, pada frekuensi tinggi kita akan mendapatkan informasi dari bawah permukaan bumi yang lebih dangkal, sedangkan pada frekuensi rendah maka kita akan mendapatkan informasi pada kedalaman yang lebih dalam, ini dinamakan fenomena skin effect.

Data yang berupa deret waktu diubah menjadi deret frekuensi, sehingga lebih mudah untuk berasosiasi dengan kedalaman. Lalu dengan metoda inversi, data melalui proses robust processing yaitu agar data bersih dari pencilan luar yang tidak diinginkan. Semua proses diatas memakai software SSMT2000 dari phoenix geophysics Canada, hasilnya akan keluar data resistivitas semu dan fasa yang berbanding dengan frekuensi. belum selesai, pemrosesan akan dilanjutkan menggunakan software MT editor dimana kita akan memperbaiki data MT yang masih tidak terlalu rapi.

Dengan cara manual kita akan menghaluskan (smoothing) data resistivitas semu. disini ada sebuah rule of thumb bahwa tidak mungkin kurva resistivitas semu berubah lebih dari 45 derajat dalam satu dekade nilai frekuensi yang digambarkan secara logaritmik, hal ini berarti terjadi perubahan properti fisik yang sangat-sangat ekstrim pada material dalam bumi, dan terjadi karena pengaruh efek near field.

Metode pengukuran MT (magnetotelluric) dan AMT (audio magnetotelluric) secara umum adalah sama, perbedaanya hanya pada cakupan frekuensi yang ditangkap, dimana semakin kecil frekuensi yang dihasilkan maka semakin dalam penyelidikan yang diperoleh. Metode MT memperoleh data dari frekuensi sekitar 400 Hz sampai 0.0000129 Hz (perioda sekitar 21.5 jam) sedangkan metode  AMT memperoleh data dari frekuensi 10 kHz sampai 0.1 Hz, dimana sumbernya berasal dari alam (arus telurik yang terjadi di sekitar ionosfer bumi).

Untuk memperbaiki kualitas data dari gangguan elektromagnet lokal (power line, aktivitas industri, aktivitas manusia, jalan, pohon-pohon besar yang dapat menghasilkan gangguan micro-vibrations dari akar-akarnya, dll) dapat dilakukan dengan cara mengkorelasikan data dari satu alat yang disimpan statis di suatu tempat yang jauh dari gangguan elektromagnetik lokal dengan alat lainnya yang berpindah-pindah (local, remote, far remote station) dan dilakukan dalam rentang waktu yang sama yang disinkronisasikan terhadap waktu UTC.

Penggunaan metode magnetotelurik ini secara umum adalah untuk penelitian panas bumi, minyak dan gas bumi, geohidrologi, geologi regional, dan penelitian-penelitian dalam lainnya. Peralatan magnetotelurik yang dimiliki Pusat Survei Geologi adalah : MTU-5A Phoenix.

Jika suatu medan magnet dengan frekuensi f(Hz), amplitude medan listrik dan medan magnet yang muncul disebut E dan B diukur secara serentak pada arah yang saling tegak lurus sebagai  , dalam suatu medan yang saling uniform tahanan jenisnya adalah :

Dimana : Ey =medan listrik ke arah y

                Bx= medan magnet kea rah x

Bila tidak homogeny yang diperoleh adalah tahanan jenis semu. Kisaran pengukuran dari MT adalah dari 1-1-4 Hz. Secara teoritik, jika frekuensinya sangat rendah, penetrasinya akan semakin dalam.

Seperti telah disebutkan diatas, struktur tahanan dibawah permukaan terhadap kedalaman (z) akan terjadi atenuasi sebesar :

At = exp(-( )^1/2

Dimana :

f = frekuensi

 μ= permeabilitas magnetic

 σ=konduktasi(1/p)

Kedalaman dimana medan H teretanuasi menjadi 1/e dari nilai asal. Jika μ.adalah permeabilitas maka μ₀ adalah permeabilitas dala ruang hampa T dalam detik dan ρa dalam Ohm. Kedalaman diatas adalah skin depth.

Dalam medan magnet terpolarisasi pada arah y(By = μ₀ Hy) pada periode T, arus listrik menginduksi pada arah x (tegak lurus) mengakibatkan medan listrik Ex di permukaan. Bila Ex dan By diukur bersamaan :

            r a = (μ2πf)( ^2/ 2)

            =0,2 T( ^2/ 2)

Dimana :

 , μ = μ₀ =10^-3 V/10³ m dan =10^-9Tesla

Sesuai dengan orientasi mendatar medan H diukur dua komponen, missal Ex dan Eyserta By dan Bx. Penambahan T medan H akan enambah kedalaman penetyrasi, sehingga kita dapat berfikir secara analogi seperti sounding schlumberger.

Biasanya T berkisar antara 1- 1000 detik.

Dengan demikian kita akan memperoleh kurva MT (biasanya tidak seideal konfigurasi schlumberger), karena H sangat terpengaruh tahanan jenis di permukaan.

Untuk model berlapis, penafsiran dapat dilakukan dengan Curve Matching dengan master curve 2 atau 3 lapisan.

Dalam lapangan panas bumi untuk MT sounding didapat beberapa kendala, yaitu :

·     Perioda yang tercakup buruk (T< 3 sekon)

·     Anisotropi E dan J di daerah tersebut.

Beberapa penyelidikan MT di lapangan panas bumi menunjukkan bahwa tahanan jenis tinggi dijumpai pada perioda 1-1000 detik. Sehingga penafsiran untuk struktur dangkal diperoleh dengan baik. Seiring Ex, By cukup berbeda dengan, Ey, Bx karena :

·     Ansotropi medan E di permukaan, karena variasi tahanan jenis dangkal/menengah

·     Anisotropi densitas E akan berubah sampai dengan ₂ / ₁ di perbatasan, seakan searah akan menerus.

CSAMT (Controlled Audio Frequency Magnetotellurics)

Metode CSAMT (Controlled Source Audio-frequency Magneto-telluric) merupakan salah satu metode survai geofisika dengan menggunakan sistem induksi elektromagnetik. Metode CSAMT ini merupakan perluasan dari metode MT (Magneto-telluric) yang menggunakan sumber alami. Goldstein dan Strangway mengembangkan suatu metode yang menggunakan sumber medan buatan (CSAMT) . Sumber medan yang digunakan berasal dari dipol listrik yang diinjeksikan ke dalam bumi. Informasi tentang resistivitas batuan bawah permukaan sebagai fungsi kedalaman, diperoleh dengan mengukur besarnya medan listrik dan medan magnet untuk berbagai frekuensi. Resistivitas listrik merupakan parameter penting untuk mengkarakterisasikan keadaan fisis bawah permukaan, yang diasoasiasikan dengan

material dan kondisi bawah permukaan. Parameter tersebut bergantung pada lithologi, porositas, suhu, tekanan, dan fluida yang mengisi batuan.

Penurunan persamaan untuk metode MT maupun CSAMT dikembangkan mengikuti pendekatan Cagniard. Asumsi dasar yang digunakan adalah bumi dianggap lapisan horizontal dimana masing-masing lapisan mempunyai sifat homogen isotropis

dan, gelombang elektromagneik alam yang berinteraksi dengan bumi merupakan gelombang bidang. Dengan menganggap bahwa bumi bersifat homogen isotropis, sifat fisik medium tidak bervariasi terhadap waktu dan tidak ada suatu sumber muatan dalam medium yang ditinjau.

Untuk mendapatkan resistivitas yang sebenarnya dimana bumi mempunyai resistivitas yang heterogen diperoleh dengan cara membuat model dan diturunkan hubungan antara resistivitas semu dan resistivitas sebenarnya (metode inversi). Beberapa kelebihan CSAMT antara lain dapat memakai sumber buatan (aktif) dan mempunyai interfal frekuensi 0,1 – 10 KHz, sehingga metode ini sangat cocok untuk penelitian pada area panas bumi.