Sejarah Perkembangan Eksplorasi Elektromagnetik Pada Metode Magnetotellurik [PDF]

Citation preview

Sejarah Perkembangan Eksplorasi Elektromagnetik Pada Metode Magnetotellurik (MT) Oleh Iwan Gunawan (140710150027) Mahasiswa Geofisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Padjadjaran



I.



Pendahuluan Survey geofisika dimaksudkan untuk memperoleh informasi mengenai distribusi parameter fisik bawah permukaan seperti kecepatan gelombang elastik, rapat massa, kemagnetan, kelistrikan dan lain-lain. Dalam survey geofisika menggunakan metoda elektromagnetik (EM) sifat fisik yang relevan adalah konduktivitas atau resistivitas (tahanan-jenis) batuan.Beberapa studi menunjukkan adanya kaitan erat antara tahanan-jenis dengan porositas, kandungan fluida (air atau gas) dan temperatur formasi batuan. Pengaruh masing-masingfaktor tersebut terhadap tahanan-jenis formasi batuan sangat kompleks karena dapat salingtumpangtindih (overlap). Metoda magnetotellurik (MT) merupakan salah satu metode eksplorasi geofisika yang memanfaatkan medan elektromagnetik alam. Medan EM tersebut ditimbulkan oleh berbagai proses fisik yang cukup kompleks sehingga spektrum frekuensinya sangat lebar (10-5 Hz – 104Hz). Kebergantungan fenomena listrik - magnet terhadap sifat kelistrikan terutama konduktivitas medium (bumi) dapat dimanfaatkan untuk keperluan eksplorasi menggunakan metoda MT. Hal ini dilakukan dengan mengukur secara simultan variasi medan listrik (E) dan medan magnet (H) sebagai fungsi waktu. Informasi mengenai konduktivitas medium yang terkandung dalam data MT dapat diperoleh dari penyelesaian persamaan Maxwell menggunakan model-model yang relatif sederhana. Pada dekade 50-an untuk pertama kali hal tersebut dilakukan dan dibahas secara terpisah oleh Tikhonov (1950), Rikitake (1946), Price (1950), Kato dan Kikuchi (1950), Cagniard (1953) dan Wait (1954) yang kemudian menjadi dasar metoda MT. Dengan demikian metoda ini masih relatif baru jika dibandingkan dengan metoda geofisika lainnya.



A. Sumber Medan Audio Magnetotelurik Gelombang elektromagnetik alam menyebar dalam arah vertikal di bumi karena perbedaan resistivitas antara udara dan bumi yang cukup besar. Sumber medan EM pada frekuensi yang cukup rendah (1 Hz) berasal dari aktivitas kilat (Garcia dan Jones, 2002). Pada permukaan matahari (korona) selalu terjadi letupan plasma yang sebagian besar partikel yang dikeluarkannya adalah partikel hidrogen. Proses ionisasi di permukaan matahari menyebabkan hidrogen berubah menjadi plasma yang mengandung proton dan elektron. Plasma ini memiliki kecepatan relative rendah bersifat acak dan berubah terhadap waktu yang dikenal sebagai angin matahari (solar wind). Apabila angin matahari berdekatan dengan medan magnet bumi, maka muatan positif dan muatan negatif yang terdapat dalam plasma akan terpisah dengan arah yang berlawanan, sehingga menimbulkan arus listrik dan medan EM. Medan tersebut bersifat melawan medan magnet bumi yang mengakibatkan medan magnet di tempat tersebut berkurang secara tajam sehingga membentuk batas medan magnet bumi di atmosfer yang disebut lapisan magnetopause yang merupakan batas terluar dari atmosfer bumi. Medan EM yang dibawa oleh angin matahari akan terus menjalar sampai ke lapisan ionosfer dan kemudian terjadi interaksi dengan lapisan ionosfer. Interaksi tersebut menyebabkan terjadinya gelombang EM yang mengalir di lapisan ionosfer tersebut. Gelombang EM tersebut kemudian menjalar sampai ke permukaan bumi dengan sifat berfluktuasi terhadap waktu. Apabila medan EM tersebut menembus permukaan bumi, maka akan berinteraksi dengan materialbumi yang dapat bersifat sebagai konduktor. Akibatnya akan timbul arus induksi seperti pada fenomena Biot-Savart. Arus induksi ini akan menginduksi kepermukaan bumi sehingga terjadi arus eddy yang dikenal sebagai arus tellurik.Arus tellurik inilah yang akan menjadi sumber medan listrik dipermukaan bumiyang akan digunakan pada metode MT. Skema terjadinya gelombang elektromagnetik frekuensi rendah terlihat pada gambar berikut ini.



Gambar 1.1 Struktur Medan Magnet Bumi



Sumber medan EM frekuensi tinggi (>1 Hz) berasal dari aktivitas meteorologis berupa kilat. Kilat terjadi karena perbedaan potensial antara awan yang satu dengan awan yang lainnya atau antara awan dengan bumi. Proses terjadinya muatan pada awan disebabkan oleh pergerakan awan yang terus menerus dan teratur. Selama pergerakannya awan akan berinteraksi dengan awan yang lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi awan (atas atau bawah) sedangkan muatan positif akan berkumpul pada salah satu sisi lainnya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif dari awan ke bumi atau sebaliknyauntuk mencapai kesetimbangan. Kilat yang terjadi di suatu tempat akan menimbulkan gelombang EM yang terperangkap diantara lapisan ionosfer dan bumi (wave guide) dan kemudian menjalar mengitari bumi.



Gambar 1.2 Proses terjadinya kilat



B. Persamaan Maxwell Persamaan Maxwell merupakan sintesa hasil-hasil eksperimen (empiris) mengenai fenomena listrik - magnet yang didapatkan oleh Faraday, Ampere, Gauss, Coulomb disamping yang dilakukan oleh Maxwell sendiri. Penggunaan persamaan tersebut dalam metoda MT telah banyak diuraikan dalam buku-buku pengantar geofisika khususnya yang membahas metode EM (Keller & Frischknecht, 1966 ; Porstendorfer, 1975 ; Rokityansky, 1982 ; Kauffman & Keller, 1981 ; 1985). Dalam bentuk diferensial, persamaan Maxwell dalam domain frekuensi dapat dituliskansebagai berikut,



Hubungan antara intensitas medan dengan fluks yang terjadi pada medium dinyatakan oleh persamaan berikut,



Untuk menyederhanakan masalah, sifat fisik medium diasumsikan tidak bervariasi terhadap waktu dan posisi (homogen isotropik). Pada kondisi yang umum dijumpai dalam eksplorasi geofisika (frekuensi lebih rendah dari 104 Hz, medium bumi) suku yang mengandung ε (perpindahan listrik) dapat diabaikan terhadap suku yang mengandung σ (konduksi listrik) karena harga ωμσ >> ω2με untuk μ = μ0 = 4π . 10-7 H/m. Pendekatan tersebut adalah aproksimasi keadaan kuasi-stasioner dimana waktu tempuh gelombang diabaikan.



Eliminasi



kebergantungan



medan



terhadap



waktu



seperti



dilakukan



untuk



menyederhanakan persamaan, selain itu juga untuk lebih mengeksplisitkan aproksimasi keadaan kuasi-stasioner tersebut. Dengan demikian, didapatkan persamaan difusi, ∇2E= k 2E∇2H = k 2H dimana k = ± √(iω μ0σ) adalah bilangan gelombang.



C. Impedansi Bumi a. Impedansi Bumi Homogen Gelombang elektromagnetik yang merambat ke permukaan bumi diasumsikan bahwa permukaan bumi hanya mengabsorpsi gelombang elektromagnetik tersebut. Perambatan gelombang elektromagnetik di bawah permukaan bumi dapat diketahui dengan suatu model medium. Model bumi yang paling sederhana adalah medium homogen setengah ruang (half-space) dimana diskontinyuitas resistivitas hanya terdapat pada batas udara dengan bumi. Pada medium homogen tidak ada variasi lateral medan listrik dan medan magnet serta gelombang EM dianggap sebagai gelombang bidang (plane wave) yang merambat secara vertikal. Sehingga dalam hal ini, setiap komponen horisontal medan listrik dan medan magnet hanya bervariasi terhadap kedalaman.Impedansi yang didefinisikan sebagai perbandingan antara komponen medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus dapat diperoleh dari persamaan,



Berdasarkan persamaan tersebut, impedansi bumi homogen adalah suatu bilanganskalar kompleks yang merupakan fungsi tahanan-jenis medium dan frekuensi gelombang EM.Impedansi yang diperoleh dari dua pasangan komponen medan listrik dan medan magnet yang berbeda berharga sama mengingat simetri radial medium homogen. Untuk selanjutnya impedansi bumi homogen disebut impedansi intrinsik (ZI = Zxy = - Zyx). b. Impedansi Bumi Berlapis Horizontal Pada umumnya bumi dianggap terdiri dari lapisan horisontal dengan tiaplapisannya memiliki resistivitas yang berbeda (Gambar 2.3.). Dalam hal ini,



parameter model adalah resistivitas dan ketebalan tiap lapisan, dengan lapisan terakhir berupa medium homogen. Perhitungan impedansi untuk medium berlapis sejajar diperoleh melalui rumus rekursif yang menghubungkan impedansi di permukaan dua lapisan yang berurutan. Impedansi lapisan ke-j dinyatakan oleh persamaan:



Impedansi bumi berlapis horisontal dapat dianggap sebagai impedansi medium homogen dengan tahanan-jenis ekuivalen atau tahanan-jenis semu sehingga berdasarkan analogi, impedansi tersebut dapat dinyatakan sebagai tahanan-jenis dan fasa,



Gambar 1.3 Model Lapisan Bumi dengan n Lapisan Horisontal



D. Tensor Impedansi Dalam pengukuran yang dilakukan pada metode MT, sensor yang diletakan berupa dua buah coil yang saling tegak lurus untuk mengukur medan magnet dan dua pasang porouspot yang saling tegak lurus untuk mengukur medan lisrik. Data MT berupa deret waktu (time series) komponen horizontal medan elektromagnetik (Ex, Ey, Hx, Hy) yang diukur pada permukaan bumi. Sinyal yang terekam mempunyai rentang frekuensi yang sangat lebar, yang berisi informasi mengenai variasi medan listrik dan magnetik terhadap waktu. Tujuan dari pengolahan data MT



yaitu untuk mendapatkan fungsi transfer MT yang dinyatakan oleh tensor impedansi. Tensor impedansi merupakan hubungan antara medan listrik dan medan magnet dalam domain frekuensi. Dengan asumsi bahwa gelombang bidang (plane wave) merambat tegak lurus ke permukaan bumi dan ditangkap oleh sensor, maka persamaan tensor impedansi (Z) dinyatakan dengan :



Atau jika dinyatakan dalam bentuk matriks:



Data pengukuran medan listrik dan magnetik selalu mengandung noise. Oleh karena itu, komponen medan listrik dan magnetik hasil pengukuran dapat dituliskan sebagai penjumlahan antara medan alami dan noise. Noise dapat dihilangkan dengan menerapkan metode remote reference. Metode ini melibatkan satu titik pengukuran tambahan yang letaknya relatif jauhdari titik pengukuran utama. Sensor yang digunakan pada titik ini hanya sensor magnetik. Metode ini didasarkan pada karakter medanmagnetik yang secara spasial tidak terlalu banyak bervariasi. Oleh karena itukarakter atau sinyal medan magnetik di titik pengukuran dan di titik referensirelatif identik, namun memiliki noise yang berbeda. Selain dengan metode ini penghilangan noise dapat dilakukan dengan analisis statistik robust processing yaitu teknik yang digunakan dengan mendeteksipencilan luar (outliers), data yang memiliki nilai yang jauh berbeda dengan datakeseluruhan, secara iteratif diberikan pembobotan yang lebih kecil.



II.



Daftar Pustaka Grandis,



Hendra.



2010.



Metode



Magnetotellurik



http://hendragrandis.files.wordpress.com/2010/01/mt_teks1.pdf. September 2017 Pukul 13.30 WIB.



(MT).



diakses pada tanggal 8



Ifal.



2005.



Diktat



Elektromagnetik



BAB



5



CSAMT.



http://www.scribd.com/doc/46797657/EMdiktat-bab5CSAMT-v16des05. diakses pada tanggal 8 September 2017 Pukul 14.35 WIB. Telford, W.M., Goldrat, L.P., dan Sheriff, R.P., 1976, Applied Geophysics 1nd ed, Cambridge University Pres, Cambridge Wait, 1962. Theory of magneto-telluric fields, Journal of Research of the National Bureau of Standards.



http://www.complete-mt-



solutions.com/mtnet/papers/ClassicPapers/Wait_1962_JResNatlBureauStandDRadioProp.pdf. Diakses pada 9 September 2017 Pukul 20.13 WIB.