METODE ELEKTROMAGNETIK DALAM SURVEY GEOFISIKA

Cinantya Nirmala Dewi, Dwi Ajeng E., Elwin Purwanto, Kuni Azizah, Rizka Rahmatie

A.P., Siti Hidayatunnisak

Jurusan Fisika Universitas Brawijaya

Jalan Veteran 2 Malang 65145

ABSTRAK

Salah satu cara atau metode untuk memperoleh informasi bawah permukaan bumi

(subsurface) dengan menggunakan metode survei geofisika. Metode Elektromagnetik

merupakan salah satu metode yang banyak digunakan dalam prospeksi geofisika dengan

mengukur respon tanah terhadap perambatan gelombang elektromagnetik untuk eksplorasi

benda-benda konduktif. Instrumen untuk survei elektromagnetik terdiri dari bagian pemancar

dan penerima Perubahan komponen-komponen medan akibat variasi konduktivitas

dimanfaatkan untuk menentukan struktur bawah permukaan. Metode elektromagnetik

meliputi metode VLF (Very Low Frequency), Turam, dan TEM

PENDAHULUAN

Geofisika eksplorasi adalah pemakaian

metoda - metoda seismik, gravitasi,

kemagnetan, kelistrikan, dan

elektromagnetik untuk pencarian minyak,

gas, mineral, air tanah dan sebagainya,

untuk eksplorasi dan eksploitasi dalam arti

ekonomis. Salah satu metode yang banyak

digunakan dalam prospeksi geofisika

adalah metode elektromagnetik. Metode

Elektromagnetik, yaitu membuat medan

elektromagnetik (dengan sirkuit di

permukaan) serta kita ukur kuat medannya,

maka akan ada anomali bilaman di bawah

terdapat cebakan urat bijih/ benda metal.

Gelombang elektromagnetik

mempunyai prinsip dasar dari persamaan

Maxwell. Metode elektromagnetik

biasanya digunakan untuk eksplorasi

benda-benda konduktif. Perubahan

komponen-komponen medan akibat variasi

konduktivitas inilah yang dimanfaatkan

untuk menentukan struktur bawah

permukaan.

PEMBAHASAN

Teori medan elektromagnetik

merupakan suatu teori yang menjelaskan

hubungan antara medan magnet yang

menimbulkan rambatan gelombang

elektromagnetik. Menurut Maxwell,

medan listrik yang berubah akan

menimbulkan medan magnet, sementara

itu Faraday berpendapat bahwa perubahan

medan magnet menimbulkan medan

listrik.

Persamaan Maxwell merupakan

persamaan yang melatarbelakangi

gelombang elektromagnetik dimana

terdapat medan listrik E dan medan

magnet B.

Pada medium konduktif,

persamaan Maxwell dinyatakan dengan:

Solusi medan listrik maupun medan

magnet untuk medium homogen dapat

menghitung besar amplitudo pada

kedalaman tertentu atau dikenal dengan

skin depth atau kedalaman penetrasi.

Kedalaman penetrasi pada

gelombang elektromagnetik dinyatakan

dengan seberapa dalam gelombang

terpenetrasi sehingga intensitasnya

menjadi nol. Dalam hal ini gelombang

medan magnet dan medan listrik akan

sebanding dengan invers kedalaman

penetrasi gelombang (Syamsuddin,2009).

Medan elektromagnetik yang

digunakan dapat diperoleh dengan sengaja

membangkitkan medan elektromagnetik di

sekitar daerah observasi, pengukuran

semacam ini disebut teknik pengukuran

aktif. Contoh metode ini adalah metode

turam. Daerah observasi dari metode ini

dibatasi oleh besarnya sumber yang dibuat.

Teknik pengukuran lain adalah teknik

pengukuran pasif, teknik ini

memanfaatkan medan elektromagnetik

yang berasal dari sumber yang tidak secara

sengaja dibangkitkan di sekitar daerah

pengamatan. Gelombang elektromagnetik

seperti ini berasal dari alam

(magnetotellurik) dan dari pemancar

frekuensi rendah (15-30 kHz), yaitu VLF

(Very Low Frequency) yang digunakan

untuk kepentingan navigasi kapal selam di

seluruh dunia. Teknik ini mempunyai

jangkauan daerah pengamatan yang luas.

1. Metode Turam

Metode ini merupakan metode

elektromagnetik mengukur respon tanah

terhadap perambatan gelombang

elektromagnetik. Metode ini menggunakan

dua koil yakni koil pemancar dan

penerima. Koil pemancar digunakan untuk

menghasilkan sebuah medan

elektromagnetik primer (P) yang kemudian

dipancarkan ke bawah permukaan (sub-

surface) bumi. Medan ini akan

menginduksi konduktor di sub-surface

sehingga konduktor tersebut menghasilkan

arus induksi yang dinamakan dengan arus

eddy).

Gambar 1. Prinsip umum survei

elektromagnetik

Metode elektromagnetik mengukur

konduktivitas material. Hasil pengukuran

dari instrumen pada survei

elektromagnetik berupa konduktivitas

semu.

(

)

: Konduktivitas semu (Siemen/m)

Hs :Medan mgnet sekunder yang

diukur penerima (nT)

Hp :Medan magnet primer yang diukur

oleh koil penerima (nT)

:2f, f adalah frekuensi dari

gelombang elektromagnetik (Hz)

0 : Permeabilitas ruang hampa

s :Jarak antara koil pemancar dengan

koil penerima (m)

Instrumen yang diperlukan dalam metode

ini adalah:

Catu daya

Osilator yang berperan sebagai

penghasil sumber arus bolakbalik pada

konduktivitas meter.

Koil pemancar berfungsi sebagai

penghasil gelombang elektromagnetik.

Antena berfungsi sebagai alat yang

dapat meradiasikan gelombang radio.

Koil penerima terdiri atas dua koil

yang mempunyai nilai induktansi yang

sama (identik) dan berfungsi sebagai

medan primer dan sekunder.

Perekam data : Sebuah mikrokontroler

dapat digunakan untuk mengendalikan

proses perekaman data tersebut.

Cara kerja :

Instrumen yang digunakan untuk

survei elektromagnetik terdiri atas dua koil

yang terpisah dengan jarak tertentu. Medan

magnet dari koil pemancar menginduksi

arus di dalam tanah, sehingga

menghasilkan medan magnet yang

dideteksi oleh koil penerima.

Gambar 2. Skema survei elektromagnetik

Instrumen ini dapat digunakan

dalam dua mode, yaitu: vertikal dan

horizontal. Sumbu koil tegak lurus dengan

tanah jika dalam mode vertikal dan sumbu

koil sejajar dengan tanah jika dalam mode

horizontal. Penggunaan masing-masing

mode memiliki penetrasi kedalaman yang

berbeda-beda.

Instrumen untuk survei

elektromagnetik terdiri atas bagian

pemancar dan penerima. Bagian pemancar

berfungsi sebagai sumber energi

elektromagnetik. Sumber arus bolak-balik

dihasilkan oleh sebuah osilator dan jika

dilewatkan ke sebuah kumparan, maka

akan dihasilkan medan magnet bolak-

balik. Medan magnet bolak-balik ini

kemudian dipancarkan ke tanah dan udara

(sejajar tanah) menggunakan sebuah

antena. Bagian penerima berfungsi sebagai

pengukur dan perekam medan magnet

primer dan sekunder. Medan magnet

tersebut diukur menggunakan dua koil

yang didesain khusus sehingga diperoleh

resultan dari kedua medan magnet

tersebut. Hasil pengukuran yang

diinginkan dari instrumen ini adalah beda

fasa antara medan primer dengan medan

sekunder. Pengukuran beda fasa ini

dilakukan dengan mengukur resistansi

potensiometer pada rangkaian penerima.

Supaya dapat direkam pada suatu memori,

maka arus tersebut harus dikonversi

menjadi tegangan kemudian didigitalisasi

menggunakan ADC (Analog to Digital

Converter).

Survei lapangan menggunakan

metode elektromagnetik dilakukan dengan

tracking pada daerah yang diinginkan. Di

setiap titik tracking, nilai resistansi dari

potensiometer diukur dan dicatat (mode

manual) ataupun disimpan ke memori

(mode semi-otomatis). Resistansi yang

dimaksud adalah ketika medan primer (P)

dengan medan sekunder (S) dalam

keadaan berlawanan fasa yang ditandai

oleh indicator nol yang bernilai nol. (I = 0

mA atau tidak terdengat suara berisik pada

headset). Amperemeter digunakan sebagai

indikator nol.

Interpretasi Data :

Hasil pengukuran dari metode ini

adalah resistansi dari potensiometer

kemudian diplot pada kurva perbedaan

fasa dimana R sebagai sebagai sumbu-y

dan jarak dari titik acuan (x) sebagai

sumbu-x.

Pada grafik di bawah ini terdapat

anomali yakni, jarak antara titik potong

dengan medan elektromagnetik normal.

Anomali melebar terhadap kedalaman,

tetapi amplitudonya berkurang. Amplitudo

anomaly juga berkurang terhadap

keberadaan lubang pada benda konduktif.

Gambar 3. Interpretasi Data

Elektromagnetik

2. TEM

TDEM (Time Domain

Electomagnetic) atau kadang disebut juga

TEM (transient electromagnetic)

merupakan metoda elektromagnetik yang

mengukur peluruhan tegangan transien

sebagai fungsi dari waktu.

Gambar 4. TDEM dengan sumber dipole

listrik yang ujungnya ditancapkan kedalam

tanah.

Metode Transient Electromagnetic

(TEM) merupakan salah satu metode

geofisika yang biasa digunakan dalam

investigasi air (hidrogeofisika), dan juga

untuk memetakan kondisi bawah

permukaan. Metode ini mempunyai

resolusi yang cukup baik untuk

menganalisis kondisi bawah permukaan

dan menentukan bidang batas (interface)

serta jumlah lapisan berdasarkan variasi

resistivitas listriknya.

Pada metode ini arus tidak secara

langsung diinjeksikan, tetapi dilakukan

induksi pada saat arus dalam loop

transmiter dimatikan (dalam posisi off).

Arus induksi pada tanah didifusikan ke

bawah dan akan menjalar ke bawah

permukaan (subsurface) sehingga akan

menghasilkan medan magnetik sekunder

yang diukur di permukaan dengan sebuah

koil induksi kecil. Sifat resistivitas listrik

batuannya sangat dipengaruhi oleh jumlah

air, kadar garam, dan bagaimana cara air

didistribusikan ke dalam batuan. Jika

garam terlarut dalam air maka ion-ion

pembawanya akan terpisah dan bergerak

bebas dalam air. Batuan yang pori-porinya

terisi air, nilai resistivitas listriknya

berkurang dengan bertambahnya

kandungan air

Arus transmitter yang masih

periodik dan sinyal receiver ditunjukkan

pada gambar 5.

Gambar 5. (a) arus transmitter. (b) sinyal

receiver

3. VLF

Metode VLF-EM merupakan salah

satu dari berbagai macam metode

Geofisika yang memanfaatkan parameter

frequensi. Metode ini tergolong metode

geofisika pasif, karena pada kerjanya

metode ini hanya menangkap sinyal-sinyal

frequensi dari stasiun-stasiun yang ada

diseluruh dunia. seperti namanya, metode

ini memanfaatkan sinyal pemancar radio

berfrekuensi rendah. Medan

elektromagnetik yang dipancarkan antena

pemancar radio VLF-EM selanjutnya akan

diterima stasiun penerima dalam empat

macam perambatan gelombang, yaitu

gelombang langit, gelombang langsung,

gelombang pantul dan gelombang

terperangkap. Adapun yang paling sering

dimanfaatkan dan terukur sewaktu

pengukuran data VLF-EM di daerah

survey adalah gelombang langit.

Gambar 6. Jenis-jenis penjalaran

gelombang pada metode VLF

Metode VLF bertujuan untuk

mengukur harga daya konduktivitas batuan

berdasarkan pengukuran gelombang

elektormagnetik sekunder dengan

memanfaatkan gelombang hasil induksi

elektomagnetik yang berfrekuensi sangat

rendah sehingga memiliki penetrasi yang

cukup dalam. Gelombang ini juga menjalar

ke seluruh dunia dengan atenuasi yang

kecil dalam pandu gelombang antara

permukaan bumi dan ionosfer.

Metode elektromagnetik VLF

memanfaatkan medan elektromagnetik

yang dibangkitkan pemancar-pemancar

gelombang radio VLF berdaya besar yang

dioperasikan untuk kepentingan militer.

Medan magnetik dan medan listrik yang

dibangkitkannya disebut sebagai medan

primer. Medan primer membangkitkan

medan sekunder sebagai akibat adanya

arus induksi yang mengalir pada benda-

benda konduktor di dalam tanah. Medan

sekunder yang timbul bergantung pada

sifat-sifat medan primer, sifat listrik

benda-benda di dalam tanah dan medium

sekitarnya, serta bentuk dan posisi benda-

benda tersebut.

Adapun parameter elektromagnet

VLF yang penting adalah :

1. Pemancar

Pemancar ini mulai dibangun sejak Perang

Dunia I, digunakan untuk komunikasi

jarak jauh karena kemampuannya untuk

komunikasi gelombang dengan pelemahan

yang sangat kecil pada gelombang bumi

ionesfer.Penetrasinya cukup efektif hingga

dapat menembus laut dalam.

2. Pengaruh Atmosfer

Sumber nois yang utama adalah radiasi

medan elektromagnetik akibat kilat

atmosfer baik di tempat dekat atau jauh

dari lokasi pengukuran. Pada frekwensi

VLF radiasi medan ini cukup dapat

melemahkan sinyal yang dipancarkan oleh

pemancar. Daerah yang cukup banyak

badai tersebut adalah Afrika tengah dan

Asia tenggara termasuk Indonesia. Noise

kedua adalah variasi diurnal medan

elektromagnetik bumi di mana terjadi

pergerakan badai dari arah timur ke barat

yang terjadi mulai siang hingga sore

hampir malam.

3. Rambatan Gelombang Elektromagnetik

Pada elektromagnetik VLF dengan

frekuensi 10-2

S/m. Hal ini menunjukkan

efek medan akibat arus konduksi

memegang peranan penting ketika terjadi

perubahan konduktivitas batuan.

4. Pelemahan (Atenuasi) Medan

Pelemahan medan ini mempengaruhi

kedalaman. Kedalaman pada saat

amplitudo menjadi 1/e (kira-kira 37%)

dikenal sebagai skin depth atau kedalaman

kulit. Kedalaman ini dalam metode

elektromagnetik disebut sebagai

kedalaman penetrasi gelombang,

Dalam metoda Very Low sinyal

yang dibangkitkan oleh antena pemancar

terdiri atas medan magnet dan medan

listrik yang berosilasi dalam frekuensi

yang dipilih antena Akibat interaksi

dengan benda konduktif di dalam bumi

maka komponen horisontal magnetik

medan primer membangkitkan komponen

horisontal medan listrik dalam arah

penjalarannya. Pada suatu daerah tak

homogen, komponen vertikal magnetik

dibangkitkan untuk beberapa variasi

konduktivitas. Medan elektromagnetik

primer akan menginduksi benda konduktif

ketika melewatinya sehingga akan

terbentuk arus listrik dan terbentuk medan

magnetik sekunder (Hs), medan yang

terekam adalah medan resultan yang

disebut polarisasi ellip.

Pengukuran VLF dengan mode tilt

angle digunakan untuk mengetahui

struktur konduktif dan kontak geologi

seperti zona alterasi, patahan, dan dike

konduktif. Dalam mode ini, arah strike

target memiliki sudut 45 dengan lokasi

pemancar. Pada konfigurasi pengukuran

semacam ini, medan primer akan

memberikan fluks yang maksimum jika

memotong struktur, sehingga memberikan

kemungkinan anomali yang paling besar.

Medan magnet yang memiliki

komponen horisontal dan vertikal

membentuk sebuah elips yang dapat

ditunjukkan dengan sudut tilt dari sumbu

mayor dan sumbu horisontalnya, dan

eliptisitasnya (perbandingan sumbu

minor/sumbu mayor). Alat akan mengukur

dua besaran tersebut dari pengukuran

komponen in-phase dan out-of-phase

medan magnetik vertikal dari medan

horisontalnya. Data tilt biasanya disajikan

dalam derivative Fraser.

Gambar 7. Parameter Polarisasi Ellips

Karakteristik gelombang

elektromagnetik dalam metode VLF dapat

dijelaskan sebagai berikut. Pada saat

gelombang primer masuk kedalam

medium, gaya gerak listrik (ggl) induksi s

akan muncul dengan frekuensi yang sama,

tetapi fase tertinggal 90o. Gambar 8

menunjukkan diagram vektor antara

medan primer P dan ggl induksinya.

Kombinasi antara medan P dan

medan S (R cos ) disebut komponen real

(in phase) dan komponen yang tegak lurus

P (R sin ) disebut komponen imaginer

(out-of-phase, komponen kuadratur).

Gambar 8. Hubungan ampitudo dan fase

gelombang sekunder dan primer (P)

Jika medan magnet horizontal adalah Hx

dan medan magnet vertikalnya adalah Hz,

maka besar sudut tilt dapat ditunjukkan

seperti Gambar 9, yang besarnya adalah

dan eliptisitasnya diberikan sebagai

Gambar 9. Parameter Polarisasi Ellips

Tangen dari sudut tilt dan eliptisitas dapat

digunakan untuk membandingan

komponen medan magnetik sekunder S

vertikal dengan medan magnetik primer P

horizontal, serta membandingkan

komponen kuadrat dari medan sekunder S

vertikal terhadap medan primer P

horizontal

4. GPR (Ground Penetrating Radar)

Metode ground penetrating radar

atau georadar merupakan salah satu

metode geofisika yang mempelajari

kondisi bawah permukaan berdasarkan

sifat elektromagnetik dengan

menggunakan gelombang radio dengan

frekuensi antara 1-1000 MHz. Georadar

menggunakan gelombang elektromagnet

dan memanfaatkan sifat radiasinya yang

memperlihatkan refleksi seperti pada

metode seismik refleksi.

Pengukuran dengan menggunakan

GPR ini merupakan metode yang tepat

untuk mendeteksi benda benda kecil yang

berada di dekat permukaan bumi (0,1-3

meter) dengan resolusi yang tinggi yang

artinya konstanta dielektriknya menjadi

rendah. Ada tiga jenis pengukuran yaitu

refleksi, velocity sounding, dan

transiluminasi. Pengukuran refleksi biasa

disebut Continuous Reflection Profiling

(CRP). Pengukuran velocity Sounding

disebut Common Mid Point (CMP) untuk

menentukan kecepatan versus kedalaman,

dan transiluminasi disebut juga GPR

Tomografi.

GPR terdiri dari sebuah

pembangkit sinyal, antena transmitter dan

receiver sebagai pendeteksi gelombang

EM yang dipantulkan. Signal radar

ditransmisikan sebagai pulsa-pulsa yang

tidak terabsorbsi oleh bumi tetapi

dipantulkan dalam domain waktu tertentu.

Mode konfigurasi antena transmitter dan

receiver pada GPR terdiri dari mode

monostatik dan bistatik. Mode monostatik

yaitu bila transmitter dan receiver

digabung dalam satu antena. Sedangkan

moded bistatik bila kedua antena memiliki

jarak pemisah.

Transmitter membangkitkan pulsa

gelombang EM pada frekuensi tertentu

sesuai dengan karaketristik antena tersebut

(10 MHz 4 GHz). Receiver diset untuk

melakukan scan yang secara normal

mancapi 32-512 scan per detik. Setiap

hasil scan ditampilkan pada layar monitor

(real-time) sebagai fungsi waktu two-way

traveltime, yaitu waktu yang dibutuhkan

gelombang EM menjalar dari transmitter,

target dan ke receiver. Tampilan ini

disebut radargram.

STUDI KASUS

Judul :

Estimasi Aliran Sungai Bawah Tanah

dengan Menggunakan Metode Geofisika

VLF EM, Mode Sudut Tlit di Daerah

Dengok dan Ngrejok Wetan, Gunungkidul,

Yogyakarta

Metode Penelitian :

Beberapa peralatan utama yang

digunakan dalam penelitian ini terdiri dar

satu unit T-VLF Iris yang berfungsi

sebagai receiver, enam buah baterai 1.5

Volt (pemakaian 8 jam) sebagai sumber

daya untuk unit sensor dan sebuah baterai

9 volt sebagai daya internal monitor.

Desain survei penelitian dengan metode

Very Low Frequency pada mode sudut tilt

adalah sebagai berikut:

1. Mode sudut tilt digunakan untuk

mengetahui struktur konduktifitas

kontak geologi seperti zona alterasi,

patahan, dan dike konduktif.

2. Arah strike target memiliki sudut

toleransi 45 derajat dengan lokasi

pemancar

3. Medan primer akan memberikan fluks

yang maksimum jika memotong struktur,

sehingga akan memberikan kemungkinan

anomali yang besar.

Tabel Parameter Akuisisi Survey VLF :

PARAMETER NILAI

PARAMETER

Jumlah lintasan 5 lintasan

Panjang tiap

lintasan

990 m

Spasi titik

pengukuran

10 m

Jumlah titik

pengukuran tiap

lintasan

100 titik

Frekuensi

pengukuran

19800 hz

Data terukur Tilt, elliptisitas

Hasil Dan Pembahasan :

Gambar 10. Gambar estimasi pola aliran

sungai bawah tanah dengan kerapatan arus

ekivalen

Gambar di atas merupakan

gabungan lima lintasan hasil pengolahan

data sudut tilt dengan filter liniear yang

dihitung pada berbagai kedalaman.

Sehingga didapatkan indikasi adanya

daerah konduktif dengan nilai rapat arus

ekivalen yang tinggi. Kelima lintasan

tersebut, bila dikorelasikan keberadaan

sungai bawah tanah, diperoleh hasil

interpretasi distribusi aliran sungai bawah

tanah.

Nilai resistivitas hasil pemodelan

kebelakang berkisar dari (0 hingga 15000

ohm-meter). Nilai resistivitas terendah

ditandai dengan warna biru dan resistivitas

tertinggi ditandai dengan warna merah.

Semakin rendah resistivitas batuan maka

konduktifitas batuan yang berada

disekitarnya semakin tinggi atau

berbanding terbalik.

Gambar 11. Hasil gabungan estimasi

sungai bawah tanah Bribin dari beberapa

penelitian

Dari gambar di atas dapat diketahui

bahwa estimasi aliran sungai bawah tanah

dari beberapa penelitian gabungan yang

telah dilakukan mengalir dari arah

Timurlaut menuju Baratdaya. Dari

penelitian yang telah dilakukan melalui

proses pengolahan dan interpretasi data

VLF di daerah Dengok dan Ngrejok

Wetan Gunungkidul Yogyakarat maka

dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1. Secara kualitatif sungai bawah tanah di

Dusun Dengok dan Ngrejok Wetan

terdiri dari dua sungai bawah tanah

2. Secara kuantitatif sungai bawah tanah

mengalir dari arah Timurlaut menuju

Baratdaya dan kedalaman sungai bawah

tanah berkisar 55-75 meter.

DAFTAR PUSTAKA

Anita, Febrina dan Sismanto.2009.

Estimasi Aliran Sungai Bawah

Tanah dengan Menggunakan

Metode Geofisika VLF EM, Mode

Sudut Tlit di Daerah Dengok dan

Ngrejok Wetan, Gunungkidul,

Yogyakarta. Prosiding Pertemuan

Ilmiah XXV HFI Jateng dan

DIY.Yogyakarta.

Astra I Made, dkk. 2011. Desain dan

Pembuatan Alat Ukur Geofisika

Berbasis Sensor Fluxgate dan

Sensor Medan Listrik. Jakarta.

Milsom, John. 2003. Field Geophysics.

John Willey & Sons Ltd. Chichester.

Siregar, Plato M. 2010. Instrumentasi

Meteorologi Bab 7: Metode

Elektromagnetik. Prodi Meteorologi,

ITB.

Syamsudin dan Lantu. 2009. Modul

Pembelajaran SCL Geolistrik dan

Geoelektromagnetik. Fisika FMIPA

Universitas Hasanudin. Makasar.

Syukri, Muhammad. 2009. Analysis of

Subsurface Characteristic by Using

Transient Electromagnteic Methode.

Jurnal Natural Vol 9 No.2 2009.

Telford, W.M. 1990. Applied Geophysics

Second Edition. Cambridge

University Press. Cambridge.