DasarGeofisik : Properti fisikal : Resistivitas listrik dari Material Geologi

Dalam sub-bab ini menjelaskan bahwa hubungan resistivitas (atau konduktivitas) listrik dengan perangkat-perangkat geologi dari bumi itu sangatlah penting. Elemen listrik dari material geologi ini akan dibahas terpisah antar mineral metalik, batuan, tanah, dan elektrolit (air tanah).

Restivitas / Konduktivitas sendiri adalah suatu bagian besar pada material yang mencerminkan seberapa baiknya material tersebut dalam mengalirkan arus listrikmelewatinya.Ada beberapa elemen yang memiliki hubungan dengan resistivitas/konduktivitas, yaitu : resistansi/tahanan yang merupakan hasil pembagian antara tegangan (V) dengan kuat arus (A), memiliki satuan Ohm, elemen ini merupakan elemen yang digunakan dalam perhitungan resistivitas, karena hasil perhitungan dari resistansi per satuan volume merupakan nilai resistivitas. Resitivtias sendiri dilambangkan dengan rho (ρ) dan memiliki satuan ohm-m/ ohm-m2. Elemen lain adalah konduktivitas, yang merupakan invers dari resistivitas, dilambangkan dengan sigma (σ) , sehingga nilai konduktivitas dapat dikatakan sebagai σ = 1/ ρ, memiliki satuan berupa siemens per meter (S/m).

Gambar 1. Skema perhitungan resistivitas

Konduktivitas listrik dari material-material bumi sangat bervariasi,banyak faktor yang mempengaruhinya, yaitu tipe batuan, porositas, hubungan antar butir, sifat fluidanya, dan kandungan logam dari matriknya. Berikut indikasi kasar dari kisaran konduktivitas pada batuan dan mineral:

Gambar 2. Kisaran kasar perbedaan nilai konduktivitas pada batuan dan mineral

Kondutivitas Listrik pada Mineral Metalik

Bijih mineral metalik memiliki sifat yang berbeda dengan material penyusun kerak lainnya.Kebanyakan bijih mineral metalik bersifat semikonduktor. Walaupun hanya dalam jumlah kecil, mereka dapat mempengaruhi pembacaan resistivitas dari material geologi secara signifikan, karena inklusi pada ion yang tidak murni yang terjadi dalam mineral metalik

memiliki efek yang besar pada resistivitas. Contoh : pyrite murni mempunyai resistivitas 3x10−5 Ohm-m tetapi apabila terjadi pencampuran dengan tembaga dalam jumlah kecil, resitivitasnya bisa menjadi 6 kali besarnya hingga 10 Ohm-m. Berikut beberapa mineral-mineral penting yang memiliki nilai konduktivitas tinggi, yaitu: phyrrotite (Fes), graphite (C), phyrite (Fe S2), galena

(PbS) dan magnetite (Fe3 O4). chalcocite (Cu¿¿2S)¿, covelite (CuS), ilmenite (FeTiO3),

molybdenite (Mo S2), mineral mangan holandite dan pyrolusite. Beberapa diantaranya memiliki nilai konduktivitas lebih kecil ketika berbentuk bijih, yang menjadi sebab terjadinya hal tersebut adalah jenis dari endapannya, contoh pada sulfida, pada tipe disseminated yang merupakan hasil penyusupan material halus ke dalam matrik, sedangkan pada tipe massif terbentuk secara homogen, sehingga pada tipe dessiminated dapat bersifat resistif dan konduktif, sedangkan pada tipe massif cenderung konduktif, contoh lain pada alterasi kimia dan termal, dimana mineral metalik dapat berubah menjadi oksida atau bentuk lain yang tidak lebih konduktif dari mineral aslinya.

Elemen listrik pada Batuan

Dibandingkan dengan sifat geofisik batuan lainnya, resistivitas adalah yang paling variatif, kisaran nilainya bisa mencapai 10 macam besaran, bahkan 1 jenis tipe batuan dapat bervariasi hingga beberapa jumlah resistivitas. Berikut bagan (adaptasi dari Palacky, 1987) mengilustrasikan tentang perbandingan nilai resistivitas antar beberapa grup batuan yang penting.

Gambar 3. Kisaran Resistivitas pada beberapa kelompok batuan

Tanah dan batuan kebanyakan tersusun oleh mineral silicaan, dimana menjadikannya bersifat isolator. Ada beberapa pengecualian pada beberapa mineral, namun konduktivitas dari tanah dan

batuan tersebut dipengaruhi beberapa factor, yaitu : Porositas, permeabilitas hidrolik, kandungan kelembapan, konsentrasi elektrolit yang terlarut, temperature dan fase dari fluida porinya, dan jumlah serta komposisi dari koloid (komponen lempung). Faktor yang paling dominan adalah geometri pori serta jarak antar porinya. Porositas dapat berupa kekar, retakan, vug (jejak lubang pelarutan pada batugamping dan dolomit) serta jarak antar butir pada batuan sedimen.

Gambar 4. Tipe-tipe porositas pada batuan

Resistivitas bisa bersifat anisotropik pada batuan berlapis, khususnya pada shale dimana nilai koefisien dari anisotropic (rasio dari resistivitas transversal ke resistivitas longitudinal) dapat mencapai 4.

Tabel 5 &6 .Representatif kisaran porosita pada material sedimen& Porositas dari tanah dan batuan.

Elektrolit di dalam tanah

Konduktivitas dari fluida tergantung oleh jumlah dan mobilitas (kecepatan) dari bebanangkutnya.Mobilitas tergantung pada viscositas fluidanya (dikarenakan temperature) dan diameter dari beban angkutnya. Ketergantungan pada temperature sangat signifikan, Contoh pada sodium chloride, perubahan kasar konduktivitasnya adalah 2.2% per ᵒC, sehingga pada 40 ᵒC konduktivitasnya menjadi 2 kali lipat. Pada table konduktivitas di Great Lakes berikut dapat dilihat perubahan konduktivitas berdasarkan penaikan temperature pada bulan tertentu, baik pada daerah batuan beku maupun sedimen.

Natural source mS/m

Meteoric waters (from precipitation)

1 to 30

Surface waters (lakes & rivers)

0.3 for very pure waters  10,000 for salt lakes  2 to 30 in igneous regions  10 to 100 in sedimentary regions

Soil waters Up to 10,000  average around 10

Ground water  6 to 30 in igneous regions  1,000 in sedimentary regions

Mine waters (copper, zinc etc. i.e. sulphates)

not usually less than 3,000

Note that Lake Superior is the westernmost

lake and therefore in an igneous region,

while Lake Ontario is the easternmost or

sedimentary region. This may contribute to

the generally more conductive waters of the

eastern lakes.

Gambar 5.Konduktivitas dari elektrolit pada umumnya, contoh The Great Lakes.

Hubungan antara kondukstivitas fluida dengan salinitasnya pada beberapa variasi elektrolit diilustrasikan pada gambar dibawah. Pada saluran air biasanya berada pada posisi minimum sekitar 0.01 S/m (100 Ohm-m) dengan salinitas berkisar 40 ppm, dan air laut sekitar 3,3 S/m dengan salinitas 30.000 ppm.

Konduktivitas fluida juga bergantung dengan temperature dikarenakan mobilitas dari ion pada larutan meningkat sejalan dengan temperature.Hal ini bertentangan dengan konduktor metalik dimana melibatkan konduksi elektron daripada konduksi ion, dan memperilhatkan kenaikan resistivitas sejalan dengan temperatur.

Gambar 6.Adaptasi dari Keller dan Frischknecht, 1996, tentang hubungan antara konduktivitas dengan salinitas pada elektrolit.

Rumus dari Resistivitas hubungannya dengan temperatur adalah sebagai berikut:

R (t )=R18 C

1+a(t−18)

R= Resitivitas, t= temperatur, a = konstanta 0,025,R18 C= nilai resistivitas pada suhu ruangan (18ᵒC). perlu diingat bahwa Resistivitas = 1/ Konduktivas.

Tanah atau Batuan bersih ( tanpa lempung) yang tersaturasi

Dalam rumus empirik Archie yang menghubungkan porositas dengan konduktivitas air hingga konduktivitas massal baik untuk variasi dari batuan yang terkonsolidasi maupun material yang

tidak terkonsolidasi ada beberapa cara, yang pertama σ x

σ1

=nm dimana σ x = konduktivitas massal,

σ 1= Konduktivitas air, n= porositas, dan m = konstanta. Nilai dari m tergantung dari bentuk

partikelnya untuk membundar berkisar 1,2 sedangkan untuk yang memipih berkisar 1,85 , pada pasir parameter ini berkisar antara 1,4-1,6.

Cara kedua dalam biasanya digunakan dalam industri well-logging minyak dan gas, rumusnya :

F=1/∅m, = dimana F, “faktor formasi”, F=Ro/ Rw, Ro = Resistivitas massal apabila porinya

dipenuhi air asin, Rw = Resistivitas dari air asin tersebut, dan φ = porositas.

Tanah bersih ( tanpa lempung) yang tidak tersaturasi

Di dalam zona funicular tanah, uap lembab tidak memenuhi sepenuhnya pori yang ada, tetapi tetap terdapat jalur konduksi. Hukum yang mirip dengan Archie dapat digunakan dimana n= bagian dari volume pori yang diisi oleh elektrolit daripada porositas, dan m=2. Menggunakan ini, konduktivitas yang terjadi menjadi sangat kecil pada kondisi kelembapan yang rendah.

Walaupun begitu, “kebasahan” dari material sangat berperan dalam mempengaruhi konduktivitas, material yang cukup basah akan lebih konduktif dari material yang kering. Pada rumus dibawah ini untuk formasi bersih (tanpa lempung) memperlihatkan hubungan yang mirip dengan rumus Archie, Sw= saturasi air, φ= porositas, ρw= resistivitas air, ρt= resistivitas total, dan a serta m merupakan constant terhitung. Hubungan ini susah untuk digunakan, dan tidak dapat dipakai pada material kotor (berlempung).

Sw=Volume air pada poriTotal volume pori

=( a ρw∅m ρt )

(1 /n)

Jadi saturasi air (Sw) bisa di perkirakan jika

1. Metoda secara elektrik bisa digunakan untuk mencari resistivitas formasi2. Air connate bisa di uji3. Porositas bisa di perkirakan

Sama halnya ketika mencari nilai Sw jika porsi dari ruang pori terisi oleh minyak atau gas, seringkali kita menggunakan data well-logging dalam reservoir hidrokarbon.

Resistivitas TanahKonduktivitas listrik tanah agak rumit, hal ini merupakan efek dari sifat sebagian besar dari material tanah itu sendiri.Material tersebut biasanya tidak tercantum dalam kebanyakan text book pada Geofisika Terapan, tapi ini penting sebab tanah biasanya ( dengan pengecualian borehole work) merupakan material terdekat pada survey elektroda. Oleh karena itu tanah memiliki pengaruh yg penting pada akhirnya.Seperti di catat di atas, refrensi utama hal ini adalah Geonics TN5, 1980.

Untuk kebanyakan material tidak terkonsolidasi porositasnya berkisar 20% -70%.Namun, hal ini tidak umum kisaran porositas yang besar pada satu kondisi. Seperti yang di jelaskan di atas porositas merupakan properti utama yang berhubungan dengan resistivitas,sehingga sulit untuk membedakan antara pasir dan kerikil yang memilki porositas yang sama.

Efek Dari Pembekuan Pada Konduktivitas TanahPenurunan temperature mengurangi aktivitas elektrolitik dan juga mengurangi konduktivitasnya. Gambar di bawah ini menunjukkan efek pembekuan ini terhadap resistivitas.Pada saat membeku,

konduktivitas air menjadi seperti es, dimana nilainya sangat kecil. Akan tetapi pembekuan tidaklah sesimpel ini.Air tawar membeku pada temperature yang lebih tinggi daripada air asin. Oleh sebab itu

zat terlarut menjadi terkonsentrasi pada zona air asin yang tidak membeku yang berdekatan dengan partakel tanah. Dan juga medan listrik dari kation teradsorbsi ke partikel tanah yang secara local berorientasi dengan molekul air mendekati partikel, untuk mencegah terjadi pembekuan.

KONDUKTIVITAS KOLOID (KONDUKTIVITAS AKIBAT ADANYA LEMPUNG)Kompleksitas dan variasi pada jenis tanah digambarkan pada Diagram Ternary di bawah berikut.Tidak membutuhkan banyak lempung untuk mengubah sifat elektrik dari tanah. Segala mineral berukuran halus menunjukkan Pertukaran Kapasitas Kation / Cation Exchange Capacity (CEC).Yaitu, muatan (kation) dapat terserap (menempel ke permukaan) ke permukaan yang sedikit bermuatan, dan selanjutnya dapat tertukar atau dilarutkan.

Karena lempung memiliki permukaan yang luas dari rasio volume, hal ini menyebabkan kapasitas pertukaran yang lebih banyak, khususnya pada lempung vermiculite dan montmorilonite. Oleh sebab itu, Lempung secara dramatis dapat menaikkan konduktivitas air

connate, khususnya air tawar. Pada Air asin mungkin tidak memilki kapasitas yang lebih besar untuk menyerap elektrolit tambahan.

ANISOTROPIC TANAHAnisotropi bermakna 'bergantung pada arah'.Struktural anisotropi (misalnya perlapisan atau patahan) dapat menyebabkan sifat-sifat listrik tanah menjadi anisotropik. Ini berarti yang diukur resistivitas sebenarnya akan tergantung pada arah sistem pengukuran. Jika anisotropi ada namun diabaikan, maka resistivitas tanah sebenarnya yang ditafsirkan dari pengukuran resistivitas sebenarnya mungkin tidak benar.

VERTIKAL ANISOTROPIC TANAH

Anisotropic vertical tidak dapat terdeteksi di permukaan. Jika semacam anisotrophi ada, perkiraan , kedalaman akan menjadi error oleh karena factor dari  λ, koofesien dari anisotrophy, di rumuskan sebagai berikut λ=(Rv/Rh)1/2 , dimana Rv resistivitas vertikal dan Rh resistivitas horizontal.

HORIZONTAL ANISOTROPIC TANAH

Horizontal anisotropi bermakna resistivitas yang di hitung dengan elektroda yang berorientasi satu arah akan berbeda dengan pengukuran menggunakan susunan yang sama dalam arah yang tegak lurus. Secara umum, “resistivitas transversal” akan lebih besar “resistivitas longitudinal”

EFEK “KONTRA-INTUISI”

Pada kenyataannya, resistivitas diukur bagian yang tertinggi sepanjang strike karena peningkatan arus densitas paralel ke survei.Resistivitas sebenarnya perhitungannya dianggap seragam arus densitas dalam tiga dimensi. Ketika arus densitas lebih tinggi daripada itu akan menjadi tanah yang seragam, beda potensial yang terukur lebih tinggi untuk sumber arus tertentu, mengakibatkan resistivitas sebenarnya lebih tinggi. Oleh karena itu resistivitas diukur dengan susunan yang ditempatkan di sepanjang strike lebih dari yang diperkirakan dan pengukuran resistivitas tegak lurus strike di bawah diperkirakan.

MENGAPA ANISOTROPIK TERJADI:

Penjelasan tentang bagaimana struktur anisotropi (contoh pada sebuah lapisan atau rekahan) menyebabkan suatu persamaan sederhana dari hukum Ohm menjadi tidak memenuhi syarat perhitungan. Karena arus tidak selalu sejajar dengan medan listrik, bentuk sederhana dari hukum

Ohm,    , harus ditulis ulang sebagai  

 

dimana J adalah rapat arus vectoral, J i adalah i th komponen kerapatan arus, E adalah vektor medan listrik, V adalah tegangan dan ik adalah ik thkomponen dari tensor konduktivitas. Pada daerah homogen dengan elektroda dan potensi tunggal, ekspresi untuk tegangan akan terbaca dalam resistivitas dan jarak dari sumber yang ada. Di daerah yang anisotropik terdapat resistivitas horisontal dan vertikal. Ekspresi untuk tegangan dalam hal resistivitas yang berorientasi horizontal dan vertikal disebut koefisien anisotropi (diperkenalkan sebelumnya dalam "tanah vertikal anisotropik").Lihat tabel di sebelah kanan untuk beberapa nilai lambda yang kerap ditemui pada suatu material dan kondisi geologi yang umum.

Gb. 10

Aspek pembentukan tanah mempengaruhi sifat listrik dari tanah

Perlunya pembahasan mengenai pembentukan tanah adalah untuk mendapatkan pengetahuan yang lebih baik tentang apa saja hal yang terlibat ketika memprediksi sifat listrik dari suatu bahan dekat-permukaan, dan ketika menafsirkan survei geofisika dangkal. Diskusi ini tidak mengubah pemahaman tentang ilmu tanah, tetapi beberapa masalah yang mempengaruhi suatu resistivitas listrik harus menjadi lebih jelas. Umumnya, sifat listrik dipengaruhi oleh berbagai kandungan liat, jenis ion dan konsentrasi ion dalam air. Berikut ini adalah garis besar bagaimana faktor-faktor berkembang di tanah.

Pelapukan melibatkan proses mekanik, proses kimia dan biologi yang mengkonversi bahan surficial ke humus (materi organik berasal), tanah liat dan sedimen berbutir halus. Dengan adanya air dan CO 2 maka batu akan terurai menjadi ion (sering terlarut dan terbawa oleh drainase), mineral lempung terbentuk, air (menjadi bagian dari senyawa tanah liat), dan larutan menjadi lebih netral (yaitu kurang asam) . Proses ini terus berlanjut dan lapisan tipis tanah akan terbentuk. Kemudian pelapukan ini akan menyebabkan proses pelarutan terjadi lebih cepat di permukaan batu. Hal ini terjadi karena lapisan mempertahankan air dan CO 2 yang menghasilkan asam karbonat yang lemah, yang menggabungkan dengan komponen batu sampai tanah liat bentuk.

Kecepatan pelapukan merupakan fungsi dari temperatur, pertumbuhan vegetatif, dan

ketersediaan air. Oleh karena itu tanah tropis cenderung tebal. Tanah berdrainase baik cenderung stabil tanpa mineral (elektrolit yaitu), dan tanah kering cenderung saline (karena konduktif).

Gb. 11

Angka di sebelah kanan adalah profil tanah yang khas.

zona A  biasanya tingkat pelapukan, permeabel dan tanpa zat terlarut.

zona B  umumnya jauh lebih ketat (porose kurang), kaya di tanah liat (baik lokal maupun diangkut dari A ), dan kontrol berapa banyak air yang sampai ke C zona dan lapisan batuan yang mendasarinya.

zona C  umumnya permeabel, dan terdiri dari kurang-lapuk bahan induk.

zona D  sering diperlakukan sebagai non-berpori dan kedap air.

Kelembaban tanah dipengaruhi oleh beberapa faktor. Lihat Gambar 7 di atas:

Di zona pendular, air ada di sekitar tempat-tempat terisolasi berbentu cincin Gambar 12.

ketat. Dalam zona yang dapat bergerak, ada lapisan tipis air di atas luas permukaan. Ketebalan ini tergantung pada gaya kapiler.

Jika ada bahan yang berbutir lebih kasar melapisinya, wilayah berbutir halus mungkin digerakkan oleh air, sedangkan lapisan kasar memiliki air pendular, dan karena itu mungkin memiliki nilai konduktivitas yang lebih rendah.

Perilaku tabel air tergantung pada banyak hal, termasuk permeabilitas (yang berkisar dengan faktor 10 10 !), dan kelembaban daerah, seperti sketsa pada Gambar 12 ke kanan. Faktor-faktor ini dapat menyebabkan berbagai jenis konfigurasi tabel air, beberapa di antaranya mungkin agak kontra-intuitif.

CATATAN: proses yang dibahas di sini adalah alami. Dengan adanya materi buatan, layering surficial mungkin benar-benar berbeda.

Referensi

Palacky, GV (1987), karakteristik resistivitas target geologi , dalam Metode elektromagnetik di Terapan Geofisika, Vol 1, Teori, 1.351

Geonics Ltd Catatan Teknis 5 (1980), Konduktivitas Listrik Tanah dan Rocks , referensi teknis ( lihat halaman referensi ).

Keller, GV, dan Frischknecht, FC, (1996) metode Listrik di prospeksi geofisika, Pergamon, London.