bab 2 dasar teori 2.1 hidrogeologi · litologi batuan dan struktur dari material simpanan geologi....

5

BAB 2

DASAR TEORI

2.1 Hidrogeologi

Ilmu yang mempelajari interaksi antar struktur batuan dan air tanah adalah

hidrogeologi. Dalam prosesnya ilmu ini juga berkaitan dengan disiplin ilmu fisika

dan kimia yang terjadi di bawah tanah. Proses yang berhubungan adalah aliran air,

gerakan aliran air dalam tanah, unsur kimia yang ada dalam air tanah, serta

dampakk lingkungan dari aliran dalam tanah. Gerakan air di dalam tanah melalui

pori – pori batuan dikenal dengan istilah aliran air tanah.

Sisklus hidrogeologi/siklus air tanah erat kaitanya dengan siklus air

meteorik (air yang berasl dari curah hujan). Siklus ini dapat terjadi akibat panas

dari radiasi sinar matahari. Air tanah adalah sejumlah air dibawah permukaan

bumi. Pada kedalaman tertentu dibagian bawah permukaan tanah akan dijumpai

kandungan air (akuifer) dalam keadaan jenuh. Air yang berada dalam jenuh

tersebut dikenal sebagai air tanah. Bagian yang jenuh ini disetiap tempat tidak

sama tergantung dari jenis material yang ada dalam daerah tersebut.

Gambar 2.1 Interaksi antara air tanah dengan struktur geologi

Suatu formasi geologi yang mempunyai kemampuan untuk menyimpan dan

membawa air tanah dalam jumlah yang banyak ataupun sedikit ke sumur atau

Universitas Sumatera Utara

6

mata air disebut akuifer. Lapisan pasir atau kerikil adalah salah satu formasi

geologi yang dapat bertindak sebagai akuifer. Akuifer yang dialasi oleh lapisan –

lapisan batuan ( misalnya lempung) dengan daya meluluskan air yang rendah

dikenal sebagai akuitard. Lapisan yang sama dapat juga menutupi akuifer yang

menjadikan air tanah dalam akuifer tersebut di bawah tekanan yang dikenal

dengan zona tertekan ( confined aqifera). Karena keragaman geologinya akuifer

juga beragam dalam sifat – sifat hidroliknya dan tandoannya ( ketebalan dan

sebaran geografinya). Berdasarkan sifat – sifat tersebut jumlah air tanah di akuifer

sangat besar dengan sebaran yang luas hingga ribuan kilometer kuadrat. Ditinjau

dari kedudukannya terhadap permukaan air tanah dapat dibagi kedalam 2 bagian

yaitu,

1. Air tanah dangkal

Air umumnya air tanah ini berasosiasi dengan akuifer tak tertekan, yakni

yang tersimpan dalam akuifer dekat permukaan hingga kedalaman 15

meter sampai 400 meter

2. Air tanah dangkal

Air tanah ini berasosiasi dengan akuifer tertekan, yakni tersimpan dalam

akuifer pada kedalaman lebih dari 40 meter.

Lapisan bumi yang dapat membawa atau menghantar air disebut lapisan pembawa

air, penghantar air atau akuifer yang biasanya merupakan penghantar yang baik

adalah lapisan pasir dan kerikil atau di daerah berupa lava dan bauu gamping.

(Kodoatie,R,J dan Roestam Sjarief.2010)

2.2 Penyebaran Vertikal Air Tanah

Pengisian kembali air yang ada di dalam tanah berlangsung akibat curah hujan

yang sebagian meresep kedalam tanah, bergantung pada jenis tanah dan batuan

yang mengalasi suatu daerah curah hujan meresap ke dalam bumi dalam jumlah

besar atau kecil, ada tanah yang berpori dan ada tanah yang kedap.

Umumnya air bawah tanah terjadi di ruang/berpori yang kecil pada batuan

aluvial. Unsaturated zone merupakan daerah subsurface dari permukaan tanah

hingga water table (muka air tanah). permukaan yang membatasi antara

unsaturated zone pada akuifer yang tidak terperangkap (unconfined aquifer)


7

disebut water table. Sedangkan daerah diatas muka air tanah yang memiliki gaya

kapiler mendorong air ke atas melalui ruang – ruang pori dikenal sabagai

capillary friange. Pengertian lain dari Water table adalah batas daerah yang

memiliki tekanan air yang sama dengan tekanan atmosfer. (Waller,Roger M)

Gambar 2.2 proses terjadinya air tanah

Penyebaran air tanah secara vertikal dibagi menjadi dua zona besar yaitu

zona aerosion (zona tidak jenuh) dan zona saturasi (jenuh). Kondisi alami

distribusi air tanah di lapisan akuifer dalam sistem geologi dikendalikan oleh

litologi batuan dan struktur dari material simpanan geologi. Litologi merupakan

formasi fisik dari geologi. Formasi ini termasuk di dalamnya komposisi mineral,

ukiran butiran dan kumpulan butiran yang terbentuk dari sedimentasi atau batuan

yang menampilkan sistem geologi.

2.3 Muka Air Tanah

Keadaan muka air tanah dapat dianalogikan dengan mengambil sebuah

baskom yang setengahnya berisi pasir, kemudian baskom tersebut dituangkan

dengan air. Air akan meresap melalui pasir dan merembes ke dalam dasar baskom

yang kedap air/impermeabel. Pada saat bersamaan pasir akan basah, semakin

banyak air yang ditambahkan, air akan sampai ke permukaan pasir. Pada saat air

di dalam baskom sudah banyak, setengah dari dasar isi baskom akan dalam

keadaan jenuh ( saturasi ).( Leopold,1974).

Kemudian pasir yang berada di baskom dibagi dua dengan membuat

saluran/seperti selokan sehingga akan terdapat saluran yang memisahkan pasir di


8

dalam baskom g membentuk suatu saluran kemudian air dituangkan lagi sehingga

air akan mengisi kekosongan saluran pemisah. Tinggi air yang berada di saluran

pemisah akan sama dengan tinggi pasir yang terkena air dan tingkat tinggi atau

permukaan ini disebut dengan muka air tanah ( water table ).

Gambar 2.3 Muka air tanah

Pada kondisi nyata ketika hujan turun air hujan akan jatuh ke permukaan

tanah. Air yang berhasil meresap ke bawah tanah akan terus bergerak ke bawah

sampai air mencapai lapisan tanah atau batuan yang jarak antar butirannya sangat

sempit yang tidak memungkinkan air untuk melewatinya. Lapisan ini disebut

lapisan aquitard dan bersifat impermeabel. Air yang datang kemudian akan

menambah volume air yang mengisi rongga – rongga antar butiran dan akan

tersimpan disana. Penambahan volume air akan berhenti seiring dengan

berhentinya hujan. Air yang tersimpan di bawah tanah itu disebut air tanah.

Sementara air yang tidak bisa diserap dan berada di permukaan tanah disebut air

permukaan.

2.4 Litologi Batuan

Batuan adalah bahan alamiah yang terbentuk dari satu mineral maupun

sekelompok mineral. Batuan mempunyai pori – pori dan mempunyai sifat

menyerap, dimana fluida dapat tersimpan didalamnya. Batuan juga dapat bersifat

sebagai konduktor yang baik maupun yang buruk hal ini tergantung dengan

komposisi fluida yang terkandung didalamnya. Ada interaksi yang penting antara


9

air dan batuan, keberadaan keduanya saling mempengaruhi dalam skala ruang dan

waktu.

2.4.1 Batu Sebagai Media Penghantar Listrik di Dalam Tanah

Pada umumnya cairan dengan komposisi kimia tertentu yang mengisi

pori–pori dari batuan dan sifat penyerapannya merupakan suatu yang penting

dalam menentukan sifat resistivitas dan konduktivitas batuan yang membentuk

batuan itu. Aliran listrik di dalam batuan dan mineral dapat terjadi jika batuan atau

mineral mempunyai banyak elektron bebas sehingga arus listrik dialirkan dalam

batuan atau mineral oleh elektron bebas tersebut. Aliran listrik ini juga

dipengaruhi oleh sifat karakteristik masing – masing batuan yang dilewatinya.

Salah satu sifat atau karakteristik batuan tersebut adalah resistivitas (tahanan

jenis) yang menunjukkan kemampuan bahan tersebut untuk menghantarkan arus

listrik. Semakin besar nilai resistivitas suatu bahan maka semakin sulit bahan

tersebut menghantarkan arus listrik, begitu pula sebaliknya.

Resistivitas memiliki pengertian yang berbeda dengan resistansi

(hambatan), dimana resistansi tidak hanya bergantung pada bahan tetapi juga

bergantung pada faktor geometri atau bentuk bahan tersebut, sedangkan

resistivitas tidak bergantung pada faktor geometri.

A

L

i i

Gambar 2.4 Konduktor silinder

Jika ditinjau suatu silinder dengan panjang L (dalam meter), luas

penampang A(m2), dan resistansi R (Ω), maka dapat dirumuskan:

ρ = R . A/ L 2.1

dimana secara fisis rumus tersebut dapat diartikan jika panjang silinder konduktor

L dinaikkan, maka resistansi akan meningkat, dan apabila diameter silinder

konduktor diturunkan yang berarti luas penampang (A) dalam meter kuadrat (m2)

berkurang maka resistansi juga meningkat. Dimana ρ adalah reistivitas ( tahanan

jenis) dalam Ωm (Ohm.meter). Berdasarkan hukum ohm resistansi R (Ω)

dirumuskan dengan:


10

R= V/I 2.2

V (volt) adalahbeda potensial dan I (Ampere) adalah kuat arus. Sehingga

didapatkan nilai resistansi (ρ),

𝜌 =𝑉𝐴

𝐼𝐿 2.3

2.4.2 Nilai Resistivitas Batuan

Batuan dan mineral di bumi memiliki karakteristik fisika yang bervariasi,

dari sifat porositas, permeabilitas, kandungan fluida dan ion – ion di dalam pori –

porinya, sehingga materi bumi memiliki variasi harga resistivitas.

Menurut Telford (1990) aliran listrik di dalam batuan dapat

dikelompokkan menjadi 3 jenis, yaitu

1. Konduksi elektronik

Konduksi ini trjadi apabila batuan mempunyai elektron bebas sehingga arus

listrik di alirkan oleh elektron bebas.

2. Konduksi elektrolit

Konduksi terjadi jika batuan bersifat poros dan pori – pori terisi oleh cairan

elektrolit. Pada konduksi ini arus listrik dibawa oleh ion – ion elektrolit.

3. Konduksi dielektrik

Konduksi ini terjadi jika batuan bersifat dielektrik terhadap aliran arus listrik

yaitu terjadi polarisasi saat bahan dialiri arus listrik.

Faktor faktor yang menyebabkan resistivitas batuan menurun :

1. Pori pori terisi oleh fluida

2. Peningkatan salinitas fluida

3. Adanya rekahan pada batuan yang dapat memberikan jalan untuk

aliran arus

4. Terdapat mineral clay

5. Menjaga agar kandungan fluida tetap, tetapi meningkatkan hubungan

antar pori –pori.

Faktor – faktor yang menyebabkan resistivitas batuan meningkat :

1. Berkurangnya pori – pori fluida

2. Salinitas rendah

3. Kompaksi – jalan aliran arus berkurang


11

4. Litifikasi – pori-pori terblok dengan deposit mineral

5. Menjaga agar kandungan flida tetap, tetapi menurunkan hubungan antara

pori – pori.

Kebanyakan batuan dan material adalah penghantar yang buruk, dan

penghambat yang baik dengan nilai resistivitas yang besar. besar nilai

resistivitasnya dipengaruhi oleh porositas dan jumlah air yang diserap pori pori

batuan.

Bahan Penghantar atau konduktor biasanya memiliki resistivitas dibawah

105 Ωm, berlawanan dengan isolator yang nilai resistivitasnya diatas 107 Ωm.

Logam dan grafit adalah contoh bahan konduktor, mengandung elektron bebas

yang bergerak sangat cepat. Bahan Semikonduktor juga membawa arus dan

mengalirkan elektron tapi besarnya lebih kecil dibandingkan dengan bahan

konduktor. Isolator memiliki karakteristik yang memilki ikatan ion tetapi elektron

valensinya tidak bergerak secara bebas sehingga bahan isolator merupakan

resistor yang baik yang memiliki resistivitas diatas 107 Ωm. Tabel dibawah

menunjukan nilai resistivitas beberapa jenis material dan batuan yang ada di bumi.

Tabel (2.1) dan (2.2) menunjukkan nilai resistivitas beberapa batuan dan material

di bumi.

Tabel 2.1 Resistivitas Beberapa Jenis Batuan

Rocks + Material Nilai resistivitas (Ωm)

Air laut 0,2

Top soil 5 - 100

Air dalam akuifer aluvial 10 - 30

Air tanah (groundwater fresh) 10 - 100

Pasir dan kerikil kering 1000 – 10.000

Pasir dan kerikil terendam air laut 0,5 - 5

Pasir dan kerikil terendam air tawar 50 - 500

Lempung 2 – 20

Sand and gravel 30 – 225

Marl 20 -100

Batu gamping 300 – 10.000

Batupasir lempung 50 – 300

Batu pasir berkwarsa 300 – 10.000

Alluvium 10 - 800

Silstone 20 - 150

(Sumber : Astier, 1971; Anthony,2006 ; Milson,2003; Loke,1999 )


12

Tabel 2.2 Resistivitas Beberapa Jenis Air yang Tersaturasi Maupun yang Tidak

Tersaturasi

Jenis Air Nilai Resistivitas

(Ω . meter)

Meteoric Water ( Air yang berasal dari curah hujan) 30 - 1000

Surface Water ( Air yang berada di Wilayah batuan

Sedimen) 10 – 100

Ground Water ( Air yang berada di Wilayah batuan

Beku) 30 – 150

Sea Water 0,2

Ground Water ( Air yang berada di Wilayah batuan

Sedimen) >1

Sumber : Telford 1990

2.5 Pendugaan Geolistrik

Geolistrik merupakan salah satu metoda geofisika yang mempelajari sifat

aliran listrik, pengukuran potensial, hingga pengukuran arus dan medan

elektromagnetik di dalam bumi. Teknik resistivitas merupakan survei metode

geolistrik yang paling banyak digunakan karena pada teknik resistivitas nilai

kuantitatif tahanan jenis dapat diperoleh dengan mengatur dimensi besaran yang

berkaitan. Teknik ini menggunakan arus sebagai elemen utamanya yang dialirkan

pada permukaan bumi dengan menggunakan titik elektroda ataupun sambungan

elektroda yang panjang.

Prinsip kerja resistivitas ialah mengalirkan arus DC (arus bolak balik)

yang besar ke dalam bumi melalui dua elektroda arus yang ditanamkan di dua titik

permukaan tanah kemudian respon beda potensial yang terjadi diukur pada

elektroda potensial yang terletak sejajar di antara elektroda – elektroda arus

tersebut. Empat titik elektroda – elektroda tersebut yaitu dua elektroda arus dan

dua elektroda potensial ditempatkan dalam suatu susunan tertentu. Hasil

pengukuran arus dan tegangan untuk setiap jarak elekroda yang berbeda kemudian

dapat diturunkan harga resistivitas semu variasi masing – masing berdasarkan

lapisan di bawah bumi untuk setiap spasi elektroda yang dibentang.

(Telford.1990).

Dalam pendugaan resistivitas digunakan asumsi – asumsi sebagai berikut.

1. Pada bawah permukaan bumi terdiri dari lapisan – lapisan dengan

ketebalan tertentu, kecuali pada lapisan terbawah yang mempunyai


13

ketebalan tidak berhingga

2. Bidang batas antar lapisan adalah horizontal

3. Setiap lapisan dianggap isotropis, homogen isotropis.

Apabila medium homogen isotropis dialiri arus listrik dengan medan listrik ()

yang melalui suatu medium elemen luas 𝜕𝐴 dengan rapat ( 𝐽 ) maka besarnya

arus pada elemen tersebut ialah 𝐽. 𝜕𝐴. Dengan demikian rapat arus ( 𝐽 ) di setiap

elemen luasan akibat medan listrik ( ), akan memenuhi syarat.

𝐽 = 𝜎 2.4

dalam volt per meter (V/m) dan 𝜎 ( 1/𝜌 ) adalah konduktivitas medium dalam

siemens per meter (S/m). Medan listrik merupaka gradien dari potensial skalar

sehingga dapat ditulis

= − ∇ 𝑉 2.5

Disubsitusikan persamaan 2.4 ke persamaan 2.5 sehingga diperoleh

𝐽 = −∇ 𝜎 𝑉 2.6

Lapisan bumi dianggap bersifat homogen isotropis merupakan pendekatan yang

sederhana dalam penentuan tahanan jenis lapisan – lapisan batuan bumi, sehingga

tahanan jenis 𝜌 dianggap tidak bergantung pada sumbu koordinat. Arus tunggal I

menyebabkan timbulnya distribusi potensial. Bila arus stasioner maka,

∇ 𝐽 = 0 2.7

Untuk medium homogen isotropis 𝜌 konstan, maka 𝜎 juga konstan sehingga

perubahan ∇ 𝜎 = 0, sehingga diperoleh persamaan laplace sebagai berikut,

∇2 𝑉 = 0 2.8

Untuk elektroda berarus tunggal di dalam bumi maka persamaan laplace pada

persamaan 2.8 menjadi,

∇2 𝑉 =𝑑2𝑉

𝑑𝑟2 +2

𝑟 𝑑𝑉

𝑑𝑟= 0 2.9

Sehingga akan di dapatkan potensial disetiap titik yang berhubungan dengan

sumber arus pada permukaan bumi yang homogen isotropis adalah

𝑉 =𝐼𝜌

2𝜋

1

𝑟 atau 𝜌 =

2𝜋 𝑉

𝑖

1

𝑟 2.10


14

daya

permukaan

Aliran arus ekwipotensial

C

Gambar 2.5 Elektroda tunggal pada permukaan bumi homogen

C2C1 P2

r2r1

r4r3

P1

V

A

Permukaan

bumi

daya

Gambar 2.6 Dua elektroda arus dan potensial pada permukaan bumi homogen

Persamaan 2.10 digunakan jika elektroda arus tunggal diletakkan pada

permukaan bumi. Dua elektroda arus di permukaan bumi akan mepengaruhi dua

elektroda potensial sehingga rumus potensial yang diakibatkan dua elektroda

berarus adalah,

∆𝑉 =𝐼𝜌

2𝜋[(

1

𝑟1−

1

𝑟2) − (

1

𝑟3−

1

𝑟4)] =

𝐼𝜌

𝐾 2.11

𝜌 = 𝑘∆𝑉

𝐼 2.12

𝐾 =2𝜋

(1

𝑟1−

1

𝑟2)− (

1

𝑟3−

1

𝑟4) 2.13


15

2.6 Tahanan Jenis Semu

Dari persamaan 2.11 akan diperoleh nilai resistivitas ρ dari pengukuran

∆V dan I yang terjadi pada permukaan bumi yang homogen. Dimana resistivitas

ρ adalah resistivitas sebenarnya yang tidak tergantung pada jarak elektroda –

elektrodanya. Bumi terdiri dari lapisan tanah yang tidak homogen sehingga

tahanan jenis ρ juga berbeda tiap lapisannya dan saat pengukuran potensial yang

terukur merupakan pengaruh dari lapisan – lapisan tersebut. Sehingga resistivitas

yang terukur bukan harga resistivitas untuk satu lapisan saja, terutama untuk spasi

elektroda yang besar. Sehingga resistivitas semu dapat dirumuskan dengan

𝜌𝑎 = 𝑘∆𝑉

𝐼 2.14

𝜌𝑎 adalah tahanan jenis semu ( Apperant resistivity) yang bergantung pada jarak

elektroda.

2.7 Konfigurasi Wenner – Schlumberger

V

A

Permukaan

bumi

daya

C2P2P1C1

na naa

Gambar 2.7 Susunan elektroda- elektroda pada konfigurasi Wenner–

Schlumberger

Konfigurasi adalah teknik geolistrik yang dipakai untuk

menancapkan/penyusunan elektroda – elektroda pada permukaan bumi. Ada

beberapa konfigurasi yang diterapkan dalam metode geolistrik seperti konfigurasi

Wenner, konfigurasi Schlumberger, konfigurasi dipole-dipole dan banyak lagi.

Pada penelitian ini konfigurasi yang digunakan adalah konfigurasi Wenner -

Sclumberger.

Resistivitas semu merupakan resistivitas yang berbeda dari suatu medium

khayalan homogen yang ekivalen dengan medium berlapis yang ditinjau secara


16

teori pada permukaan bumi yang diakibatkan sumber arus titik di permukaan

adalah

∆𝑉 = (𝐼𝜌

2𝜋)

1

𝑟 2.15

Dengan menggunakan persamaan ini dapat dicari beda potensial yang terukur di

permukaan bumi homogen untuk konfigurasi Wenner – Schlumberger.

Selanjutnya dapat dicari nilai resistivitas ρ dalam beda potensial ∆V , dan arus I

dalam jarak antar alektroda. Jika bumi tidak homogen maka resistivitas ρ disebut

resistivitas semu 𝜌𝑎 . Maka beda potensial konfigurasi linear pada bumi homogen

oleh dua sumber arus

∆𝑉 =𝐼𝜌

2𝜋[(

1

𝑟1−

1

𝑟2) − (

1

𝑟3−

1

𝑟4)] 2.16

Sehingga resistivitas 𝜌𝑎 adalah

𝜌𝑎 =∆𝑉

𝐼[

2𝜋

(1

𝑟1−

1

𝑟2)− (

1

𝑟3−

1

𝑟4) ] 2.17

Kemudian untuk mendapatkan nilai resisitivitas semu 𝜌𝑎 untuk konfigurasi

Wenner – Schlumberger disubsitusikan nilai jarak elektroda pada gambar (2.5) ke

nilai r1, r2,r3, r4 dari persamaan (2.17)

𝐾 =2𝜋

(1

𝑛𝑎−

1

𝑎+𝑛𝑎)− (

1

𝑎+𝑛𝑎−

1

𝑛𝑎) 2.18

𝐾 = 𝜋𝑛(1 + 𝑛)𝑎 2.19

Sehingga nilai Geometri K untuk metode geolistrik Wenner – Schlumberger

ditunjukan pada persamaan 2.19.

𝜌𝑎 = 𝐾∆𝑉

𝐼 2.20

2.8 Sofware Res2dinv

Harga resistivitas pada persamaan 2.20 merupakan harga resistivitas semu

yang diperoleh dari hasil pengukuran dilapangan. Survey geofisika bertujuan

untuk memetakan atau dengan kata lain memberikan informasi fonemena. Hasil

akhir yang diharapkan akan mampu memberi informasi tentang lokasi atau letak

(letak latitude, nilai resistivitas batuan, dan besaran besaran fisika lainnya). Salah

satu perangkat lunak ( software ) yang digunakan untuk mengolah data geofisika

adalah RES2Dinv. Program RES2Dinv dapat menginversi data hasil pengukuran


17

resistivitas menjadi informasi nilai resistivitas suatu lapisan tanah. RES2Dinv

adalah program komputer yang secara otomatis bisa menggambar atau membuat

model 2D ( dua dimensi ) bawah permukaan tanah, dari data survei geolistrik.

Program ini menggunakan teknik forward modeling dari data RES2Dinv

resistivitas semu hasil pengukuran untuk mendapatkan hasil inversinya. Program

RES2Div menyediakan pilihan menggunakan teknik non – linier finite different

forward modeling dan finite element forward modeling. Forward modeling

digunakan untuk melakukan perhitungan persamaan matematika seperti

menghitung nilai resistivitas semu dari model geologi yang sudah dibuat.

RES2Dinv juga memiliki perangkat dukungan untuk memilih metedo geolistrik

yang ingin digunakan seperti IP (induzed polarization) dan metode resistivitas

konfigurasi elektroda Wenner, konfigurasi Wenner – Schlumberger, konfigurasi

dipole – dipole array.


bab 2 dasar teori 2.1 hidrogeologi · litologi batuan dan struktur dari material simpanan geologi....

Documents