BAB IV MAGNETIK I.2 TEORI DASAR
Metode magnetik adalah metode eksplorasi geofisika yang memanfaatkan sifat kemagnetan batuan (susceptibilitas), sehingga efektivitas metode ini bergantung kepada kontras magnetik yang ada di bawah permukaan. Sifat kemagnetan batuan dapat ditimbulkan akibat pengaruh kandungan mineral dan oksida besi yang terkandung di dalam suatu batuan dimana semakin tinggi kandungan mineral magnetit di dalam batuan maka akan semakin besar nilai susceptibilitas yang akan terekam di batuan tersebut. I.2.1 Prinsip Kemagnetan Bumi
Pada sebuah magnet sebenarnya merupakan kumpulan dari jutaan magnet dengan ukuran yang lebih kecil dan teratur satu sama la in. Kutub utara dan selatan magnet posisinya sudah teratur. Bumi merupakan magnet alam raksasa. Hal tersebut disebabkan karena faktor perputaran inti bumi yang bersifat cair. Inti cair bumi terdiri dari lelehan besi dan nikel yang bertemperatur sangat tinggi sekitar 5000 oC.
Gambar 1. Garis Gaya Magnet
Kuat medan magnet sebagian besar berasal dari dalam bumi sendiri (98%) atau medan magnet dalam (internal ( internal field ), ), sedangkan sisanya (2%) ditimbulkan oleh induksi magnetik batuan di kerak bumi maupun dari luar angkasa. Medan magnet internal berasal dari inti bumi (inner (inner core) core) dan kerak bumi (crustal ( crustal earth). earth). Beberapa alasan sehingga bumi memiliki medan magnetik, diantaranya:
1
1. Kecepatan rotasi Bumi yang tinggi 2. Proses konveksi mantel dengan inti luar bumi (bersifat kental) 3. Inti dalam (padat) yang konduktif, kandungan yang kaya besi. Lelehan
material
tersebut
mengandung
muatan
listrik
yang
berputar
mengelilingi sumbunya sehingga menimbulkan medan magnet yang arahnya teratur. Hal tersebut adalah penyebab timbulna medan magnet raksasa yang ada di bumi sampai sekarang ini. Medan magnet bumi secara sederhana dapat digambarkan sebagai medan magnet yang ditimbulkan oleh batang magnet raksasa yang terletak dalam inti bumi. Medan magnet dinyatakan sebagai besar dan arah (vektor), arahnya dinyatakan sebagai deklinasi (penyimpangan terhadap arah utara-selatan geografis) dan inklinasi (penyimpangan terhadap arah horisontal kutub utara magnet).
Gambar 2. Deklinasi dan Inklinasi
A. Gaya Magnet Menurut Charles Augustin de Coulomb (1785), gaya magnet berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak antara dua muatan magnet, yang persamaannya menyerupai dengan hukum gaya gravitasi Newton. Sehingga apabila ada dua buah kutub (P1 dan P2) dari monopole magnetik yang terpisah pada suatu jarak (r), maka persamaan gaya magnetik yang akan melewati suatu permeabilitas medium magnet (µ) dapat dituliskan menjadi: (4.1)
2
B. Kuat Medan Magnet Kekuatan magnet (H) adalah suatu gaya magnet per satuan muatan di satu kutub monopole P1. Sehingga dapat dituliskan persamaan kuat medan magnet adalah sebagai berikut:
(4.2)
C. Intensitas Magnet Intensitas magnet adalah ketika suatu batuan dengan nilai susceptibiltas tertentu (k) terinduksi oleh medan magnet (H). Susceptibilitas dinyatakan sebagai tingkat termagnetisasinya suatu batuan akibat pengaruh medan magnet utama. (4.3)
D. Medan Magnet Induksi dan Magnetik Total Medan magnet regional yang berasal dari bumi akan menyebabkan terjadinya induksi pada batuan di kerak bumi yang memiliki nilai susceptibilitas yang tinggi. Medan magnet yang dihasilkan pada batuan ini dinyatakan sebagai medan magnet induksi atau medan magnet sekunder.
Gambar 3. Ilustrasi Induksi Magnet di Medium
Ketika melakukan pengukuran, maka magnetometer akan merekam nilai medan magnet total yang merupakan gabungan antara medan magnet utama dan medan magnet induksi atau sekunder yang berbentuk sebagai besaran skalar sebagai berikut:
3
(4.4) µ0 adalah permeabilitas di ruang hampa (4π x 10-7) dimana hubungan dengan permeabilitas magnetik relatif adalah µ = µ0 (1+k). Sehingga persamaan umum untuk medan magnet total dapat disederhanakan menjadi: (4.5) Persamaan tersebut mengabaikan faktor medan magnet remanen dan medan magnet dari luar bumi.
E. Kutub Geomagnetik Kutub geomagnetik merupakan persimpangan sudut dari kutub geografis dari permukaan bumi dengan kutub magnet batang hipotesis yang di tempatkan di pusat bumi dan diperkirakan sebagai bidang geomagnetik. Kutub geomagnetik di bumi dipisahkan menjadi kutub utara geomagnetik dan kutub sealatan geomagnetik.
Sumbu kutub geomagnetik memiliki derajat perbedaan dengan lokasi kutub bumi yang ada saat ini, hal tersebut dinamakan sebagai sudut deklinasi. Sedangkan sudut yang dibentuk antara arah magnet dan bidang horizontal bumi atau permukaan bumi dikatakan sebagai sudut inklinasi. Di setiap lokasi memiliki nilai inklinasi dan deklinasi yang berbeda sehingga dapat mengakibatkan pengaruh nilai medan magnet induksi yang diterima oleh suatu medium akan berbeda pula.
4
Gambar 4. Tujuh variabel magnetik : (F) adalah total i ntensitas, (H) adalah Kutub Utara Geomagnetik, (X) adalah Kutub Utara Bumi, (Y) adalah Lintang Timur Bumi, (Z) adalah Kedalaman, (I) adalah Inklinasi Geomagnetik, (D) adalah Deklinasi Geomagnetik
I.2.2 Susceptibilitas Batuan
Susceptibilitas batuan (k) akan sangat berpengaruh ketika melakukan pengukuran metode magnetik hal tersebut disebabkan karena sifat ferromagnetik untuk setiap jenis mineral dan batuan yang berbeda. Semakin banyak mineral-mineral bersifat magnetik di batuan maka nilai susceptibilitasnya akan tinggi dan begitu juga sebaliknya. Berdasarkan jenis material dan batuan penyusun litologi bumi, nilai susceptibilitas batuan dibagi menjadi tiga, yaitu:
A. Diamagnetik Batuan bersifat diamagnetik akan memiliki atom-atom pembentuk yang mempunyai kulit elektron berpasangan dan mempunyai arah/ spin yang berlawanan dalam tiap pasangan. Jika mendapat medan magnet dari luar orbit, elektron tersebut akan berpresesi yang menghasilkan medan magnet lemah yang melawan medan magnet luar tadi. Mempunyai suseptibilitas negatif dan kecil dan suseptibilitas tidak tergantung dari pada medan magnet luar. Contoh : bismuth, grafit, gipsum, marmer, kuarsa, garam.
B. Paramagnetik Dalam paramagnetik terdapat kulit elektron terluar yang belum jenuh yakni ada elektron yang putarannya tidak berpasangan dan mengarah pada arah putaran yang sama. Jika terdapat medan magnetik luar, putaran tersebut berpresesi menghasilkan medan magnet yang mengarah searah dengan medan tersebut sehingga memperkuatnya. Akan tetapi momen magnetik yang terbentuk terorientasi acak oleh agitasi termal, oleh karena itu bahan tersebut dapat dikatakan mempunyai sifat:
Suseptibilitas k positif dan sedikit lebih besar dari satu.
Suseptibilitas k bergantung pada temperatur.
5
Contoh : piroksen, olivin, garnet, biotit, amfibolit dll.
C. Ferromagnetik Terdapat banyak kulit electron yang hanya diisi oleh suatu elektron sehingga mudah terinduksi oleh medan luar. Keadaan ini diperkuat lagi oleh adanya kelompok-kelompok bahan berspin searah yang membentuk dipole-dipole magnet (domain) mempunyai arah sama dan memiliki sifat yang sama dengan paramagnetik. Contohnya adalah besi, nikel, kobal, terbium, dysprosium, dan neodymium. Ferromagnetik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
Antiferromagnetik
Pada bahan antiferromagnetik domain-domain tadi menghasilkan dipole magnetik yang saling berlawanan arah sehingga momen magnetik secara keseluruhan sangat kecil. Bahan antiferromagnetik yang mengalami cacat kristal akan mengalami medan magnet kecil dan suseptibilitasnya seperti pada bahan paramagnetik suseptibilitas k seperti paramagnetik, tetapi harganya naik sampaidengan titik curie kemudian turun lagi menurut hukum curie-weiss. Contohnya adalah hematit (Fe2O3).
Ferrimagnetik
Pada bahan ferrimagnetik domain-domain tadi juga saling antiparalel tetapi jumlah dipole pada masing-masing arah tidak sama sehingga masih mempunyai resultan magnetisasi cukup besar. Suseptibilitasnya tinggi dan tergantung temperatur. Contohnya antara lain magnetit (Fe3O4), ilmenit (FeTiO3), pirhotit (FeS), hematit (Fe2O3), ferrite (NiOFe2O3), yttrium (Y3Fe5O12).
I.2.3 Koreksi Metode Magnetik
Dalam metode magnetik, untuk memperoleh nilai anomali medan magnetik yang diinginkan, maka dilakukan koreksi terhadap data medan magnetik total hasil pengukuran pada setiap titik lokasi atau stasiun pengukuran, yang mencakup koreksi harian, IGRF dan topografi. A. Koreksi Harian/Diurnal
6
Koreksi harian (diurnal correction) merupakan penyimpangan nilai medan magnetik bumi akibat adanya perbedaan waktu dan efek radiasi matahari dalam satu hari atau pengaruh medan magnet luar bumi. Waktu yang dimaksudkan harus mengacu atau sesuai dengan waktu pengukuran data medan magnetik di setiap titik lokasi (stasiun pengukuran) yang akan dikoreksi. Apabila nilai variasi harian negatif, maka koreksi harian dilakukan dengan cara menambahkan nilai variasi harian yang terekan pada waktu tertentu terhadap data medan magnetik yang akan dikoreksi. Sebaliknya apabila variasi harian bernilai positif, maka koreksinya dilakukan dengan cara mengurangkan nilai variasi harian yang terekan pada waktu tertentu terhadap data medan magnetik yang akan dikoreksi, datap dituliskan dalam persamaan: ΔH = H total ± ΔH Harian
(4.6)
B. Koreksi IGRF IGRF adalah nilai matematis standar dari medan magnet utama bumi akibat rotasi dan jari – jari bumi. IGRF merupakan upaya gabungan antara pemodelan medan magnet dengan lembaga yang terlibat dalam pengumpulan dan penyebarluasan data medan magnet dari satelit, observatorium, dan survei di seluruh dunia yang setiap 5 tahun diperbaharui. Medan magnet bumi terdiri dari 3 bagian :
Medan magnet utama (main field)
Medan magnet utama dapat didefinisikan sebagai medan rata-rata hasil pengukuran dalam jangka waktu yang cukup lama mencakup daerah dengan luas lebih dari 106 km 2.
Medan magnet luar (external field)
Pengaruh medan magnet luar berasal dari pengaruh luar bumi yang merupakan hasil ionisasi di atmosfir yang ditimbulkan oleh sinar ultraviolet dari matahari. Karena sumber medan luar ini berhubungan dengan arus listrik yang mengalir dalam lapisan terionisasi di atmosfir, maka perubahan medan ini terhadap waktu jauh lebih cepat.
Medan magnet anomali
7
Medan magnet anomali sering juga disebut medan magnet lokal (crustal field). Medan magnet ini dihasilkan oleh batuan yang mengandung mineral bermagnet seperti magnetit (Fe7S5), titanomagnetite (Fe2TiO4) dan lain-lain yang berada di kerak bumi. Dalam survei dengan metode magnetik yang menjadi target dari pengukuran adalah variasi medan magnetik yang terukur di permukaan (anomali magnetik). Anomali yang diperoleh dari survei merupakan hasil gabungan medan magnetik remanen dan induksi, bila arah medan magnet remanen sama dengan arah medan magnet induksi maka anomalinya bertambah besar. Demikian pula sebaliknya. Dalam survei magnetik, efek medan remanen akan diabaikan apabila anomali medan magnetik kurang dari 25% medan magnet utama bumi (Telford et al, 1990), sehingga dalam pengukuran medan magnet berlaku: H total = H utama bumi + H luar bumi + H anomali
(4.7)
Jika nilai medan magnetik utama dihilangkan dengan koreksi harian, maka kontribusi medan magnetik utama dihilangkan dengan koreksi IGRF. Koreksi IGRFdapat dilakukan dengan cara mengurangkan nilai IGRF terhadap nilai medan magnetik total yang telah terkoreksi harian pada setiap titik pengukuran pada posisi geografis yang sesuai. Persamaan koreksinya (setelah dikoreksi harian) dapat dituliskan sebagai berikut : ΔH = H total ± ΔH Harian ± IGRF
(4.8)
I.2.4 Reduksi Ke Bidang Data
Pada pengukuran metode magnetik, data yang terekam masih bersifat dipole atau memiliki dua kutub sehingga akan membuat tingkat ambiguitas yang tinggi saat diinterpretasi. Sehingga proses mereduksi data dilakukan untuk mempermudah tahap interpretasi yang dilakukan dengan cara menyederhanakan data atau merubah sifat data dari dipole menjadi monopole. A. Reduksi Ke Kutub ( Reduce to Pole)
8
Baranov dan Naudy (1964) telah mengembangkan metode transformasi ke kutub untuk menyederhanakan interpretasi data medan magnet pada daerah-daerah berlintang rendah dan menengah. Metode reduksi ke kutub magnet bumi dapat mengurangi salah satu tahap rumit dalam interpretasi, di mana anomali medan magnet menunjukkan posisi bendanya.
Gambar 5. Proses Reduksi Ke Kutub Reduksi ini dilakukan dengan cara mengubah sudut inklinasi dan deklinasi menjadi 90˚ dan 0˚ atau Proses transformasi reduksi ke kutub dilakukan dengan mengubah arah magnetisasi dan medan utama dalam arah vertikal.
B. Reduksi Ke Ekuator (Reduce to Equator) Metode ini memiliki sifat yang sama dengan reduksi ke kutub, tetapi perbedaannya adalah arah reduksi yang akan digunakan. Proses transformasi reduksi ke ekuator dilakukan dengan mengubah arah magnetisasi dan medan utama dalam arah horizontal atau ke arah ekuator sehingga akan mengubah sudut inklinasi dan deklinasi menjadi 0˚ dan 90˚. Perbedaan antara reduksi ke ekuator dan ke kutub akan terlihat pada nilai anomali yang ditampilkan. Ketika anomali magnetik bernilai positif maka respon yang ditunjukan akan positif pada reduksi ke kutub, sebaliknya dengan reduksi ke ekuator akan menghasilkan respon yang turun.
Kedua metode ini akan
mempermudah tahap interpretasi karena pusat dari sumber magnet akan terletak disekitar pusat nilai anomali karena bersifat monopole walaupun memiliki respon yang berlawanan.
9
I.2.4 Interpretasi Data Magnetik
Secara umum interpretasi data geomagnetik terbagi menjadi dua, yaitu interpretasi kualitatif dan kuantitatif. Interpretasi kualitatif didasarkan pada pola kontur anomali
medan
magnetik
yang
bersumber
dari
distribusi
benda-benda
termagnetisasi atau struktur geologi bawah permukaan bumi. Selanjutnya pola anomali medan magnetik yang dihasilkan ditafsirkan berdasarkan informasi geologi setempat dalam bentuk distribusi benda magnetik atau struktur geologi, yang dijadikan dasar pendugaan terhadap keadaan geologi yang sebenarnya. Interpretasi kuantitatif bertujuan untuk menentukan bentuk atau model dan kedalaman benda anomali atau struktur geologi melalui pemodelan matematis. Untuk melakukan interpretasi kuantitatif, ada beberapa cara dimana antara satu dengan lainnya mungkin berbeda, tergantung dari bentuk anomali yang diperoleh, sasaran yang dicapai dan ketelitian hasil pengukuran.
10
II. LANGKAH PENGOLAHAN DATA
Gambar 6. Flowchart Keseluruhan Pengolahan Data Magnetik
11
2.3 Tahap Pemodelan Data
Metode pemodelan data magnetik dilakukan dengan forward modelling . Pemodelan dilakukan dengan cara membuat suatu model berdasarkan konsep maupun informasi geologi yang ada lalu dibentuk sampai mendapat kecocokan dengan data hasil pengukuran. Software yang dilakukan untuk melakukan pengolahan data ini adalah Mag2dc.
Memasukan Profil Model Memasukan data hasil en ukuran Memilih Kolom Data Membuat Model berdasarkan geologi Cocokan Respon model dan kurva data pengukuran
Gambar . Flowchart Forward Modelling menggunakan Software Mag2dc
Tahapan pemodelan dapat dilakukan sebagai berikut: 1. Memasukan profil atau informasi mengenai model yang akan dihasilkan seperti kedalaman, spasi, inklinasi deklinasi, dan lain lain.
2. Masukan data hasil pengukuran
12
3. Memilih kolom dari data pengukuran seperti koordinat x, y, dan
∆
4. Membuat bodi model sesuai dengan konsep geologi, sampai menghasilkan kecocokan antara respon model dan kurva data pengukuran
13
