Metode Seismik Refraksi

2014 January 30

by Vani Novita

Metode Seismik

Metode seismik merupakan salah satu metode yang sangat penting dan banyak

dipakai di dalam teknik geofisika. Hal ini disebabkan metode seismik mempunyai

ketepatan serta resolusi yang tinggi di dalam memodelkan struktur geologi di bawah

permukaan bumi. Dalam menentukan struktur geologi, metode seismik dikategorikan

ke dalam dua bagian yang besar yaitu seismik bias dangkal (head wave or refrected

seismic) dan seismik refleksi (reflected seismic). Seismik refraksi efektif digunakan

untuk penentuan struktur geologi yang dangkal sedang seismik refleksi untuk struktur

geologi yang dalam. (Nurdiyanto dkk, 2011)

Eksperimen seismik aktif pertama kali dilakukan pada tahun 1845 oleh Robert Mallet,

yang oleh kebanyakan orang dikenal sebagai bapak seismologi instrumentasi. Mallet

mengukur waktu transmisi gelombang seismik, yang dikenal sebagai gelombang

permukaan, yang dibangkitkan oleh sebuah ledakan. Mallet meletakkan sebuah wadah

kecil berisi merkuri pada beberapa jarak dari sumber ledakan dan mencatat waktu

yang diperlukan oleh merkuri untuk be-riak. Pada tahun 1909, Andrija Mohorovicic

menggunakan waktu jalar dari sumber gempa bumi untuk eksperimennya dan

menemukan keberadaan bidang batas antara mantel dan kerak bumi yang sekarang

disebut sebagai Moho. Pemakaian awal observasi seismik untuk eksplorasi minyak

dan mineral dimulai pada tahun 1920an. Teknik seismik refraksi digunakan secara

intemsif di Iran untuk membatasi struktur yang mengandung minyak. Tetapi, sekarang

seismik refleksi merupakan metode terbaik yang digunakan di dalam eksplorasi

minyak bumi. Metode ini pertama kali didemonstrasikan di Oklahoma pada tahun

1921.

Dasar teknik seismik dapat digambarkan sebagai berikut. Suatu sumber gelombang

dibangkitkan di permukaan bumi. Karena material bumi bersifat elastik maka

gelombang seismik yang terjadi akan dijalarkan ke dalam bumi dalam berbagai arah.

Pada bidang batas antar lapisan, gelombang ini sebagian dipantulkan dan sebagian

lain dibiaskan untuk diteruskan ke permukaan bumi. Dipermukaan bumi gelombang

tersebut diterima oleh serangkaian detektor (geophone) yang umumnya disusun

membentuk garis lurus dengan sumber ledakan (profil line), kemudian dicatat/direkam

oleh suatu alat seismogram. Dengan mengetahui waktu tempuh gelombang dan jarak

antar geophone dan sumber ledakan, struktur lapisan geologi di bawah permukaan

bumi dapat diperkirakan berdasarkan besar kecepatannya. (Susilawati, 2004)

Asumsi Dasar

Berbagai anggapan yang dipakai untuk medium bawah permukaan bumi antara lain

medium bumi dianggap berlapis-lapis dan tiap lapisan menjalarkan gelombang

seismik dengan kecepatan yang berbeda, makin bertambahnya kedalaman batuan

lapisan bumi makin kompak. Sedangkan anggapan yang dipakai untuk penjalaran

gelombang seismik antara lain panjang gelombang seismik sangan kecil dibandingkan

ketebalan lapisan bumi. Hal ini memungkinkan setiap lapisan bumi akan terdeteksi.

Gelombang seismik dipandang sebagai sinar seismik yang memenuhi hukum Snellius

dan perinsip Huygens.  Pada bidang batas antar lapisan, gelombang seismik menjalar

dengan kecepatan gelombang pada lapisan dibawahnya. Kecepatan gelombang

bertambah dengan bertambahnya kedalaman.

Seismik refraksi dihitung berdasarkan waktu jalar gelombang pada tanah/batuan dari

posisi sumber ke penerima pada berbagai jarak tertentu. Pada metode ini, gelombang

yang terjadi setelah gangguan pertama (first break) diabaikan, sehingga sebenarnya

hanya datafirst break saja yang dibutuhkan. Parameter jarak (offset) dan waktu jalar

dihubungkan oleh cepat rambat gelombang dalam medium. Kecepatan tersebut

dikontrol oleh sekelompok konstanta fisis yang ada di dalam material dan dikenal

sebagai parameter elastisitas batuan.

Sedangkan dalam seismik refleksi, analisis dikonsentrasikan pada energi yang

diterima setelah getaran awal diterapkan. Secara umum, sinyal yang dicari adalah

gelombang-gelombang yang terpantulkan dari semua interface antar lapisan di bawah

permukaan. Analisis yang dipergunakan dapat disamakan dengan ‘echo sounding’

pada teknologi bawah air, kapal, dan sistem radar. Informasi tentang medium juga

dapat diekstrak dari bentuk dan amplitudo gelombang refleksi yang direkam. Struktur

bawah permukaan dapat cukup kompleks, tetapi analisis yang dilakukan masih sama

dengan seismik refraksi, yaitu analisis berdasar kontras parameter elastisitas medium

Berdasar perbedaan-perbedaan tersebut, teknik refleksi lebih mampu menghasilkan

data pengamatan yang dapat diinterpretasikan (interpretable). Seperti telah dinyatakan

sebelumnya, bagaimanapun juga teknik refleksi membutuhkan biaya yang lebih besar.

Biaya tersebut biasanya sangat signifikan secara ekonomis. Karena survey refleksi

membutuhkan biaya lebih besar daripada survey refraksi, maka sebagai

konsekuensinya survey refraksi lebih senang digunakan untuk lingkup sempit/kecil.

Misalnya digunakan dalam mendukung analisis lingkungan atau geologi teknik.

Sedangkan survey refleksi digunakan dalam eksplorasi minyak bumi.

Metode Seismik Refraksi

Metode seismik refraksi merupakan teknik umum yang digunakan dalam survai

geofisika untuk menentukan kedalaman batuan dasar, litologi batuan dasar (bed rock),

sesar, dan kekerasan batuan. Pada prinsipnya, metode seismik refraksi memanfaatkan

perambatan gelombang seismik yang merambat kedalam bumi. Pada dasarnya dalam

metoda ini diberikan suatu gangguan berupa gelombang seismik pada suatu sistem

kemudian gejala fisisnya diamati dengan menangkap gelombang tersebut melalui

geophone. Waktu tempuh gelombang antara sumber getaran dan penerima akan

menghasilkan gambaran tentang kecepatan dan kedalaman lapisan.

Hal tersebut akan menghasilkan gambaran tentang kecepatan dan kedalaman lapisan

berdasarkan penghitungan waktu tempuh gelombang antara sumber getaran (shot) dan

penerima (geophone). Waktu yang diperlukan oleh gelombang seismik untuk

merambat pada lapisan batuan bergantung pada besar kecepatan yang dimiliki oleh

medium yang dilaluinya tersebut. Data yang diperoleh berupa travel time dari

gelombang pada tiap-tiap geophone.Untuk mendapatkan kualitas rekaman seismik

refraksi yang tinggi dan mengandung bentukfirst breakyang tajam, dilakukan

teknikstacking,gain danfiltering.

Pada survai seismik refraksi hukum dasar yang digunakan yaitu dasar pemantulan dan

pembiasan diantaranya: hukum Snellius, azas Fermat, dan hukum Huygens. Menurut

hukum Snellius menjelaskan hubungan antara sinus sudut datang dan sudut bias

terhadap kecepatan gelombang dalam medium. Azas Fermat yang menyatakan dalam

penjalaran gelombang dari satu titik ke titik selanjutnya yang melewati suatu medium

tertentu akan mencari suatu lintasan dengan waktu tempuh yang paling sedikit.

Sedangkan untuk hukum Huygens menyatakan bahwa suatu gelombang yang

melewati suatu titik akan membuat titik tersebut menjadi sumber gelombang baru dan

akan begitu seterusnya. (Telford, 1976)

Seismik refraksi dihitung berdasarkan waktu yang dibutuhkan oleh gelombang untuk

menjalar pada batuan dari posisi sumber seismik menuju penerima pada berbagai

jarak tertentu. Pada metode ini, gelombang yang terjadi setelah sinyal pertama

(firstbreak) diabaikan, karena gelombang seismik refraksi merambat paling cepat

dibandingkan dengan gelombang lainnya kecuali pada jarak (offset) yang relatif dekat

sehingga yang dibutuhkan adalah waktu pertama kali gelombang diterima oleh

setiap geophone. Kecepatan gelombang P lebih besar dibandingkan dengan kecepatan

gelombang S sehingga waktu datang gelombang P yang digunakan dalam perhitungan

metode ini. Parameter jarak dan waktu penjalaran gelombang dihubungkan dengan

cepat rambat gelombang dalam medium. Besarnya kecepatan rambat gelombang

tersebut dikontrol oleh sekelompok konstanta fisis yang ada dalam material yang

dikenal sebagai parameter elastisitas.

 

 

Gelombang seismik refraksi yang dapat terekam oleh penerima pada permukaan bumi

hanyalah gelombang seismik refraksi yang merambat pada batas antar lapisan batuan.

Hal ini hanya dapat terjadi jika sudut datang merupakan sudut kritis atau ketika sudut

bias tegak lurus dengan garis normal (r = 90° sehingga sin r = 1). Hal ini sesuai

dengan asumsi awal bahwa kecepatan lapisan dibawah interface lebih besar

dibandingkan dengan kecepatan diatas interface.

Gelombang seismik berasal dari sumber seismik merambat dengan kecepatan V1

menuju bidang batas (A), kemudian gelombang dibiaskan dengan sudut datang kritis

sepanjang interface dengan kecepatan V2. Dengan menggunakan prinsip Huygens

pada interface, gelombang ini kembali ke permukaan sehingga dapat diterima oleh

penerima yang ada di permukaan.

Tahapan akhir dalam metode seismik refraksi adalah membuat atau melakukan

interpretasi hasil dari survei menjadi data bawah permukaan yang akurat. Data-data

waktu dan jarak dari kurva travel time diterjemahkan menjadi suatu penampang

seismik, dan akhirnya dijadikan menjadi penampang geologi. Survey geofisika

dengan metode seismik refraksi adalah bertujuan untuk mendeteksi struktur geologi di

bawah permukaan dangkal, misalnya patahan. Untuk menentukan kedalaman di

bawah sumber pada medium dua lapis atau lebih yang horizontal maupun miring serta

menentukan jenis batuan berdasarkan kecepatan gelombang yang merambat dalam

batuan tersebut.

Akuisisi pada Metode Seismik Refraksi

Tujuan utama akuisisi data seismik adalah untuk memperoleh pengukuran travel time

dari sumber energi ke penerima. Keberhasilan akusisi data bisa bergantung pada jenis

sumber energi yang dipilih. Sumber energi seismik dapat dibagi menjadi dua yaitu

sumber impulsif dan vibrator. Sumber impulsif adalah sumber energi seismik dengan

transfer energinya terjadi secara sangat cepat dan suara yang dihasilkan sangat kuat,

singkat dan tajam. Sumber energi impulsif untuk akuisisi data seismik yang digunakan

untuk akusisi data seismik di laut adalah air gun. Sumber energi vibrator merupakan

sumber energi dengan durasi beberapa detik. Panjang  sinyal input dapat bervariasi.

Gelombang outputnya berupa gelombang sinusoidal. Seismik refleksi resolusi tinggi

menggunakan vibrator dengan frekuensi 125 Hz atau lebih.

Perekaman data seismik melibatkan detektor dan amplifier yang sangat sensistif

serta magnetic tape recorder. Alat untuk menerima gelombang-gelombang refleksi

untuk survei seismik di laut adalah hidropon. Hidropon merespon perubahan tekanan.

Hidropon terdiri atas kristal piezoelektrik yang terdeformasi oleh perubahan tekanan

air. Hal ini akan menghasilkan beda potensial output. Elemen piezoelektrik

ditempatkan dalam suatu kabel streamer yang terisi oleh kerosin untuk mengapungkan

dan insulasi.

Hampir semua data seismik direkam secara digital. Karena output dari hidropon

sangat lemah dan output amplitude decay dalam waktu yang sangat singkat, maka

sinyal ini harus diperkuat. Amplifier bisa juga dilengkapi dengan filter untuk

meredam frekuensi yang tidakdiinginkan.

 

 

Dalam survei seismik refraksi dilakukan desain survei konfigurasi peralatan yang

disusun seperti pada Gambar 2. Geophone dan sumber gelombang ditempatkan pada

suatu garis lurus (line seismik). Near offset, far offset, dan jarak antar geophone

ditentukan berdasarkan kondisi lapangan tempat melakukan survei. Pengambilan data

dilakukan dengan memberikan sumber getar yang dalam penelitian ini menggunakan

weightdrop seberat 50 kg untuk jarak 10 meter dari geophone yang pertama. Sistem

perekaman dilakukan oleh 12 geophone dalam satu garis lurus dengan sumber getar.

Pasangan geophone ditempatkan dengan masing-masing spasi geophone yang telah

ditentukan yaitu 2 meter.

Pengukuran dilakukan dengan memberikan impuls vertikal pada permukaan tanah dan

merekam sinyal yang terjadi, sensor diletakkan sepanjang garis lurus dari sumber

impuls. Sensor yang  digunakan adalah seismometer darat yaitu geophone. Akuisisi

dalam pengambilan data seismik menggunakan cara end-on (Common Shot). Dari

akusisi data ini akan didapatkan data mentah seismik, berupa trace-trace seismik dari

geophone yang merekam waktu tempuh gelombang seismik.

Peralatan yang digunakan dalam survei seismik refraksi antara lain geophone,

seismograph, baterai, kabel, radio dan portabel drill. Sumber energi yang biasa

digunakan dalam survei ini antara lain Buffalo gun(energi lebih banyak), Sledge

hammer (mudah digunakan dan murah), bahan peledak (lebih banyak energi yang

dihasilkan), drop weight (membutuhkan daerah yang datar), serta air gun yang

biasanya digunakan untuk survei di danau atau laut.  Dinamit yang digunakan

bermerk Power Gel ini terbungkus dalam tabung plastik dan dapat disambung-

sambung sesuai dengan berat yang diinginkan untuk ditanam. Di dalam tabung ini

dinamit diisi dengan detenator atau ‘cap’ sebagai sumber ledakan pertama, serta

dipasang pula anchor agar dinamit tertancap kuat di dalam tanah.

Pemasangan dinamit (preloading) dilakukan langsung setelah pemboran selesai,

dengan tujuan untuk menghindari efek pendangkalan dan runtuhan di dalam lubang.

Pengisian dinamit dilakukan oleh regu loader yang dipimpin oleh seorang shooter

yang telah mempunyai pengetahuan keamanan yang berhubungan dengan bahan

peledak dan telah memiliki lisensi tertulis dari migas.

Dalam membuat desain survei seismik terdapat beberapa parameter lapangan yang

harus diperhatikan. Trace adalah point untuk data seismic yang terekam oleh satu

perekam (geophone), sedangkan trace interval sendiri adalah jarak antar trace. Station

unit adalah alat yang di gunakan sebagai pengubah sinyal yang di terima yaitu sinyal

analog ke dalam sinyal digital. Far Offset adalah jarak antara sumber seismik dengan

trace terjauh terjauh. Near Offset adalah jarak antara sumber seismik dengan trace

terdekat. Jumlah shot point adalah banyaknya SP yang digunakan dalam satu lintasan.

Jumlah Trace banyaknya trace yang digunakan dalam satu SP. Record length dalah

lamanya merekam gelombang seismic. Fold coverage adalah Jumlah atau seringnya

suatu titik di subsurfece terekam oleh geophone di permukaan.

Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam akuisisi yaitu:

1. Mencari informasi literatur mengenai daerah tersebut, diantaranya apakah

sudah pernah dilakukan penelitian dengan metode geofisika tertentu. Agar

diperoleh point survey.

2. Mencari informasi mengenai kondisi/struktur geologi area, misalnya peta

geologi.

3. Tentukan tujuan/main goal dari akuisisi

4. Dibuat design survey dengan menyesuaikan kondisi lapangan.design survey

dibuat serapat/seideal  mungkin agar didapat data yang diinginkan.

5. Ditentukan konfigurasi yang akan diterapkan di lapangan, serta Source yang

akan digunakan

6. Chek list kelengkapan sebagai berikut :

Kalibrasi alat

Akomodasi transportasi

Job description masing-masing peserta survei

Form data akuisisi

Dalam survey seismik refraksi pada umumnya dilakukan prosedur sebagai Berikut :

1. Menyusun konfigurasi peralatan (sesuai kondisi lapangan), pada umumnya

geophone dan sumber gelombang dipasang dalam satu garis lurus (line

seismic). Jarak pisah antara geophone adalah jarak horizontal dan ditentukan

oleh kondisi lapangan.

2. Penempatan sumber gelombang dilakukan untuk mendapatkan sumber

imformasi struktur bawah permukaan bumi secara detail. Sumber gelombang

yang berada di tengah spread (satu rangkaian geophone) diharapkan dapat

mendeteksi lapisan paling atas, dan sumber gelombang yang berada di luar

spread diharapkan dapat mendeteksi lapisan paling bawah yang dapat dicapai

(lapisan bed rock).

3. Data yang diperoleh dari survey seismik refraksi adalah waktu tempuh jalar

gelombang dari sumber ke tiap geophone yang disebut travel time.

4. Untuk survei yang efisien, minimal harus ada 2 offset shots, 2 end shots, dan 2

center shot. (Jenny, 2013)

 

Atau bisa juga seperti metode berikut ini

1. Membuat bentangan berupa garis lurus

2. Menentukan jarak antar geophone dan menentukan titik tembak dengan

memperhatikan kondisi lingkungan

3. Memasang geophone dengan interval 3 meter

4. Menentukan arah bentangan dengan menggunakan kompas dan mengukur

posisi tiap geophone

5. Menghubungkan semua geophone dengan utama (seismograf) unit

menggunakan kabel konektor

6. Mengoperasikan alat Pasi

7. Memberi gangguan pada shoot point pada enset 1 dan enset 2. Dimana ensed 1

berada pada 1,5 meter sebelum geophone pertama dan ensed 2 berada 1,5 meter

setelah geophone 24

8. Merekam data berupa respon yang diperoleh berupa penjalaran gelombang di

bawah permukaan yang akan terekam otomatis pada alat pasif.

9. Selanjutnya lintasan pengukuran dipindahkan lagi ke lintasan berikutnya dan

mengikuti urutan kerja seperti pada point 1 – 8 (N.K. Adnyawati, et al. 2012)

Hal yang perlu diperhatikan pada saat pengukuran di lapangan adalah nois yang

sifatnya mengganggu. Ada beberapa hal penyebab nois antara lain adalah angin,

pohon, aliran sungai (parit), benda-benda lain yang bergerak dekat dengan geophone

(orang berjalan, sepeda motor, dan sebagainya). Untuk mendapatkan hasil yang

diharapkan, nois ini harus ditekan sekecil mungkin. Ada dua macam nois yang dapat

dibedakan,

1. Nois yang timbul sesaat kemudian lenyap. Nois ini diakibatkan oleh orang

berjalan, motor/mobil, dan sebagainya. Untuk menghindari nois semacam ini,

pada saat sumber gelombang (source) ditimbulkan, diusahakan agar tidak ada

sesuatu yang bergerak disekitar geophone.

2. Nois yang timbul terus menerus. Nois ini biasanya ditimbulkan oleh angin,

pohon (bergoyang), aliran air sungai, dan sebagainya. Untuk menghindari

keadaan semacam ini sebaiknya setiap kali mengadakan pengukuran seismik,

diadakan terlebih dahulu “nois tes”. Jika nois yang timbul cukup kecil

dibanding dengan sinyal yang dihasilkan maka pengukuran dapat dilaksanakan.

Tetapi jika nois cukup besar dibanding sinyal, pengukuran perlu ditunda

beberapa saat sampai nois menjadi kecil.

Untuk menghindari nois, signal yang masuk dapat ditumpuk (di-stack) beberapa kali,

sehingga data yang diperoleh lebih baik dan jelas. Dilakukan demikian karena dengan

stacking, sinyal dijumlahkan sedang nois ditiadakan (nois bersifat random dan acak).

Sebelum melakukan pengukuran ditentukan terlebih dahulu garis lintasan pengukuran,

lintasan pengukuran diusahakan datar dan mewakili daerah seismik penelitian atau

dengan kata lain penempatan lintasan penelitian didasarkan pada pertimbangan teknis

dan kaitannya dengan usaha untuk mendapatkan gambaran keadaan bawah permukaan

yang memadai.

 

 

DAFTAR PUSTAKA

 N. K. Adnyawati, et. Al. 2012. Analisis Struktur Bawah Permukaan dengan

Menggunakan Metode Seismik Refraksi di Universitas Tadulako.

Nurdiyanto, Boko dkk. 2011. Penentuan Tingkat Kekerasan Batuan Menggunakan

Metode Seismik Refraksi. Jurnal Meteorologi dan geofisika.

Priyantari, Nurul. 2009. Penentuan Kedalaman Bedrock Menggunakan Metode

Seismik Refraksi di Desa Kemuning Lor Kecamatan Arjasa Kabupaten Jember. Jurnal

Ilmu Alam.

Susilawati. 2004. Seismik Refraksi (Dasar Teori dan Akuisisi Data). Sumatera Utara :

USU Digital Library

Telford, M.W., Geldart, L.P., Sheriff, R.E, & Keys, D.A. 1976. Applied geophysics,

New York: Cambridge University Press.

from → Geofisika, Kuliah