GELOMBANG PADA METODE SEISMIK DAN GROUND PENETRATING RADAR Karya ini disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Dasar II
Disusun oleh :
Afifah Rahma Kustanto 140710140007
PROGRAM STUDI GEOFISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJADJARAN TAHUN 2014/2015
KATA PENGANTAR Puji syukur saya panjatkan kehadirat Allah SWT , karena dengan rahmatdan karuniaNya saya dapat menyelesaikan karya tulis mengenai Kajian Gelombang pada Bidang Geofisika ini. Dan juga saya berterima kasih kepada Bapak Bambang Wijatmoko, S.Si., M.Si. selaku Dosen mata kuliah Fisika Dasar II yang telah memberikan tugas ini kepada saya. karya tulis ini disusun berdasarkan hasil pengumpulan data yang diambil dari beberapa situs dan buku yang berelevan dengan topik karya tulis ini yaitu Kajian Gelombang pada Bidang Geofisika. Saya sangat berharap karya tulis ini dapat berguna dalam rangka menambah wawasan para pembaca. Namun, karya tulis ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh sebab itu, saya berharap adanya kritik, saran dan usulan demi perbaikan karya tulis yang telah saya buat di masa yang akan datang, mengingat tidak ada sesuatu yang sempurna tanpa saran yang membangun. Sekian dari saya, semoga karya tulis sederhana ini dapat dipahami oleh siapapun yang membacanya.
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Gelombang dapat diartikan sebagai getaran yang merambat. Getaran yang merambat ini menghasilkan energi. Jadi, dapat dikasikan bawa
gelombang merupakan fenomena
perambatan energi.Pada mata kuliah Fisika Dasar II akan dibahas mengenai dasar-dasar gelombang,
gelombang
mempunyai
banyak
jenis
yang
dibedakan
berdasarkan
klasifikasinya, seperti jeni-jenis gelombang berdasarkan arah rambatannya yaitu gelombang transversal dan longitudinal. Sedangkan jika berdasarkan mediumnya terdapat gelombang mekanik dan elektromagnetik, dan jika kita tinjau dari Amplitudonya maka gelombang kita kelompokkan menjadi gelombang berjalan dan diam. Berdasarkan jenis-jenis gelombang tersebut
bidang Geofisika menggunakannya
untuk mengetahui kondisi di bawah permukaan bumi, dengan meliputi pengukuran di atas permukaan bumi dari parameter-parameter fisika yang dimiliki oleh batuan di dalam bumi. Dari pengukuran ini dapat ditafsirkan bagaimana sifat-sifat dan kondisi di bawah permukaan bumi baik itu secara vertikal maupun horisontal. Cara pengukuran yang dilakukan berbedabeda, bergantung pada konsep dan alat yang digunakan, disinilah dikenal metode-metode geofisika., metode geofisika dapat diterapkan secara global untuk menentukan struktur bumi, dan secara lokal yaitu untuk eksplorasi mineral dan pertambangan termasuk minyak bumi dan dalam skala kecil yaitu untuk aplikasi geoteknik dan yang lainnya.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Gelombang dan Metode Geofisika Gelombang adalah getaran yang merambat. Bentuk ideal dari suatu gelombang akan mengikuti
gerak
sinusoide,
gelombang
merambatkan
energi,
gelombang
dapat
diklasifikasikan berdasarkan media perambatannya, arah rambatannya, dan amplitudonya. Dengan menggunakan prinsip-prinsip gelombang seorang geofisikawan dapat mengetahui bagian dalam permukaan bumi, gelombang-gelombang tersebut di aplikasikan pada metode geofisika, contoh kajian dari metode geofisika adalah eksplorasi seismik yang digunakan dalam pencarian hidrokarbon ataupun sumberdaya alam berupa gas dan minyak bumi. ada lima buah metode geofisika yang biasanya dipakai untuk menginterpretasikan bagian dalam bumi, diantaranya adalah geolistrik, seismik, GPR, gravity dan magnetik. Namun tidak semua diantaranya menggunakan kajian gelombang, hanya metode seismik dan GPR saja yang menggunakan pemanfaatan gelombang. B. Metode Seismik (Gelombang seismik/elastis) Metode seismik merupakan salah satu metode geofisika yang sering digunakan dalam bidang eksplorasi, Eksplorasi seismik atau eksplorasi dengan menggunakan metode seismik banyak dipakai oleh perusahaan-perusahaan minyak untuk melakukan pemetaan struktur di bawah permukaan bumi untuk bisa melihat kemungkinan adanya jebakan-jebakan minyak berdasarkan interpretasi dari penampang seismiknya dengan bantuan gelombang seismik. pengukurannya dilakukan dengan menggunakan sumber seismik , bisanya berupa ledakan ataupun yang lainnya. Setelah sumber diberikan maka akan terjadi gerakan gelombang di dalam batuan di dalam bumi, yang memenuhi hukum-hukum elastisitas dimana gelombang bergerak ke segala arah yang mengalami pemantulan ataupun pembiasan akibat munculnya perbedaan kecepatan. Kemudian, pada suatu jarak tertentu, gerakan partikel tersebut di rekam sebagai fungsi waktu. Rekaman inilah yang dapat mengasilkan perkiraan bentuk lapisan/struktur batuan di dalam bumi. di dalam metode seismik terdapat dua pengukuran yang berbeda yaitu metode seismik refraksi dan metode seimik refleksi.
a) Konsep Gelombang Seismik Gelombang seismik adalah rambatan energi yang disebabkan karena adanya gangguan di dalam kerak bumi, misalnya adanya patahan atau adanya ledakan. Energi ini akan merambat ke seluruh bagian bumi yang akan direkam untuk mengetahui bentuk lapisan batuan di dalam bumi. Efek yang ditimbulkan oleh adanya gelombang seismik adalah adanya gangguan alami seperti pergerakan lempeng, bergeraknya patahan, aktivitas gunung api, dan sebagainya. Gangguan ini mula-mula terjadi secara lokal yang menyebabkan terjadinya osilasi (pergeseran) kedudukan partikel-partikel batuan, osilasi tekanan maupun osilasi rapat massa. Gangguan merambat dari suatu tempat ke tempat lain, yang menandakan adanya transportasi energi. Gelombang seismik disebut juga gelombang elastik karena gerak osilasi partikelpartikel medium yang terjadi akibat interaksi antara gaya gangguan (gradien stress) malawan gaya-gaya elastik. Dari interaksi ini muncul gelombang longitudinal, gelombang transversal dan kombinasi diantara keduanya. Apabila medium hanya memunculkan gelombang longitudinal saja maka dalam kondisi ini gelombang seismik sering dianggap sebagai gelombang akustik, biasanya terjadi pada fluida di dalam bumi. Dalam eksplorasi minyak dan gas bumi, seismik refleksi lebih lazim digunakan daripada seismik refraksi. Hal tersebut disebabkan karena siesmik refleksi mempunyai kelebihan dapat memberikan informasi yang lebih lengkap dan baik mengenai keadaan struktur bawah permukaan. Pengukuran metode seismik dilakukan dengan cara membuat getaran dari suatu sumber getar. Getaran tersebut akan merambat ke segala arah di bawah permukaan sebagai gelombang getar. Gelombang yang datang mengenai lapisan-lapisan batuan akan mengalami pemantulan, pembiasan, dan penyerapan. Respon batuan terhadap gelombang yang datang akan berbeda-beda tergantung sifat fisik batuan yang meliputi densitas, porositas, umur batuan, kepadatan, dan kedalaman batuan. Galombang yang dipantulkan akan ditangkap oleh geophone di permukaan dan diteruskan ke instrument untuk direkam, hasil rekaman tersebut akan dibentuk berupa penampang seismik.
b) Tipe – Tipe Gelombang Seismik 1. Gelombang Seismik Berdasarkan Cara Bergetarnya
Gelombang Primer (longitudinal/compussional wave) Gelombang primer dalah gelombang yang arah getarannya searah dengan arah bergetarnya gelombang tersebut (gambar 1.1). Gelombang ini mempunyai kecepatan rambat paling besar diantara gelombang seismik yang lain.
Gelombang Sekunder (transversal/shear wave) Gelombang sekunder adalah gelombang yang arah getarannya tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang (gambar 1.1). Gelombang ini hanya dapat merambat pada material padat saja dan mempunyai kecepatan gelombang yan lebih kecil dibandingkan gelombang primer.
1.1 Gelombang Primer dan Gelombang Sekunder
2. Gelombang Seismik Berdasarkan Tempat Menjalarnya Terdapat dua gelombang seismik yang berbeda berdasarkan tempat menjalarnya, yaitu gelombang tubuh (body wave) yang menjalar masuk menembus medium dan gelombang permukaan (surface wave) dimana amplitudonya melemah kecil bila semakin masuk ke dalam medium.
Gelombang Rayleigh (surface wave) Gelombang Rayleigh adalah gelombang yang merambat pada batas permukaan saja dan hanya dapat merambat pada media padat serta arah getarannya berlawanan arah dengan arah perambatannya (gambar1.2).
Error! No text of specified style in document..2 Gelombang Rayleigh
Gelombang Tabung (body wave) Gelombang tabung merupakan gerak/aliran fluida di sepanjang sumur pengeboran. Gerakan fluida ini diakibatkan oleh getaran dinding sumur yang merambat dalam arah axial. Gelombang tabung mempunyai tiga proses yaitu pertama adalah kontraksi dinding sumur, kedua adalah merenggangnya dinding sumur, dan ketiga adalah aliran fluida di dalam lubang sumur.
3. Gelombang Seismik Berdasarkan Bentuk Muka Gelombang Muka gelombang adalah suatu bidang permukaan yang pada suatu saat tertentu membedakan medium yang telah terusik dengan medium yang belum terusik. Muka gelombang merupakan potret dari penjalaran usikan. Berdasarkan bentuk muka gelombang (wave front) , gelombang seismik dapat dibedakan atas empat macam yaitu:
Gelombang Bidang Gelombang bidang/datar ditimbulkan oleh sumber terkomilasi. Gelombang bidang menjalar sepanjang satu arah tertentu dengan muka gelombang yan berupa bidang datar tegak lurus pada arah perambatan.
Gelombang Silinder Gelombang silinder ditimbulkan oleh sumber usikan yang seragam dan terletak di sepanjang suatu garis lurus. Gelombang silinder menjalar ke semua arah tegak lurus pada garis sumbu dengan kecepatan yang sama.
Gelombang Bola Gelombang bola/sferis ditimbulkan oleh sumber berupa titik (point source) yang menjalar ke segala arah menuju ke pusat bola atau menjauhi pusat bola dengan kecepatan yang sama.
Gelombang Kerucut Gelombang kerucut ditimbulkan oleh adanya sumber yang bergerak. Dalam hal ini sumber bergerak lebih cepat dari pada sepat rambat gelombang itu sendiri dan muka gelombangnya berupa kerucut-kerucut bersumbu.
c) Hukum Hukum Fisika Gelombang Seismik Gelombang seismik mempunyai kelakuan yang sama dengan kelakuan gelombang cahaya, sehingga hukum-hukum yang berlaku untuk gelombang cahaya berlaku juga untuk gelombang seismik. Hukum-hukum tersebut antara lain: 1. Huygens mengatakan bahwa gelombang menyebar dari sebuah titik sumber gelombang ke segala arah dengan bentuk bola. 2. Fermat mengatakan Dalam penjalaran gelombang dari satu titik ke titik selanjunya yang melewati suatu medium tertentu akan mencari suatu lintasan dengan waktu tempuh yang paling sedikit
3. Hukum snellius menyatakan bahwa bila suatu gelombang P jatuh melewati atas bidang batas dua medium yang mempunyai perbedaan densitas, maka gelombang tersebut sebagian dipantulkan sebagai gelombang P dan S dan sebagian dibiaskan sebagai gelombang P dan S maka gelombang tersebut akan dibiaskan jika sudut datang gelombang lebih kecil atau sama dengan sudut kritisnya. Gelombang akan dipantulkan jika sudut datangnya lebih besar dari sudut kritisnya. Gelombang datang, gelombang bias, gelombang pantul terletak pada suatu bidang datar (gambar 1.3).
1.3 Pemantulan Gelombang Seismik
berdasarkan hukum Snellius antara sudut datang i, sudut pantul memenuhi persamaan seperti berikut:
dan sudut bias
C. Metode 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 10 MHz sampai 1GHz. 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. Kemampuan yang dimiliki oleh metode ini merupakan salah satu alasan yang sering kali dipakai oleh seorang geologis dalam kerangka kerja lapangannya. Selain efektiv dengan segala kemudahan yang dimilikinya metode ini juga mampu mengoptimalisasikan kondisi anggaran survei bila dibandingkan metode lainnya dalam hal pemboran (gambar 2.1).
2.1 Ilustrasi penjalaran gelombang GPR antar medium yang berbeda
a) Konsep GPR Secara umum metode GPR adalah metode yang memanfaatkan gelombang elektromagnetik (geolombang radio) berfrekuensi tinggi dalam mengidentifikasi kondisi di bawah permukaan. Prinsip dasar dari skema kerja metode 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. b) Prinsip Maxwell Fenomena elektromagnetik dapat dijelaskan dengan persamaan Maxwell. Persamaan ini terdiri dari 4 persamaan medan dan untuk tiap-tiap persamaan merupakan hubungan antara medan dengan distribusi sumber yang bersangkutan.
Persamaan yang menghubungkan sifat fisik medium dengan medan yang timbul pada medium tersebut dapat dinyatakan dengan :
Keterangan : H = intensitas medan magnet (ampere/m)
D = perpindahan listrik (coulomb/m2) є = permitivitas listrik (farad/m) σ = konduktivitas (1/ohm-m)
Untuk menyederhanakan masalah, sifat fisik medium diasumsikan tidak bervariasi terhadap waktu dan posisi (homogen isotropi). Maka persamaan Maxwell dapat ditulis sebagai berikut :
Persamaan Maxwel ini adalah landasan berpikir dari perambatan gelombang elektromagnet. Pada material dielektrik murni suseptibilitas magnetik (μ) dan permitivitas listrik (є) adalah konstan dan tidak terdapat atenuasi dalam perambatan gelombang. Tidak sama halnya jika berhadapan dengan material dielektrik yang ada.
Sifat-sifat dari material bumi bergantung dari komposisi dan kandungan air material tersebut. Keduanya ini mempengaruhi cepat rambat perambatan gelombang dan atenuasi gelombang elektromagnet.
Keberhasilan dari metode GPR bergantung pada variasi bawah permukaan yang dapat
menyebabkan
gelombang
tertransmisikan.
Perbandingan
energi
yang
direfleksikan disebut koefisien refleksi (R) yang ditentukan oleh perbedaan cepat rambat gelombang elektromagnet dan lebih mendasar lagi adalah perbedaan dari konstanta dielektrik relatif dari media yang berdekatan.
Hal ini dapat terlihat pada persamaan berikut :
Keterangan :
V1 = cepat rambat geombang elektromagnet pada lapisan 1 V2 = cepat rambat geombang elektromagnet pada lapisan 2 , dan V1 < V2 є1 dan є2 = konstanta dielektrik relatif lapisan 1 dan lapisan 2 Dalam semua kasus, besarnya R terletak antara -1 dan 1. bagian dari energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R. Persamaan diatas daplikasikan untuk keadaan normal pada permukaan bidang datar. Dengan asumsi tidak ada sinyal yang hilang sehubungan dengan amplitudo sinyal.
Jejak yang terdapat pada rekaman georadar merupakan konvolusi dari koefisien refleksi dan impulse georadar ditunjukkan oleh persamaan :
Keterangan : r(t) = koefisien refleksi A(t) = amplitudo rekaman georadar F(t) = impulse radar n(t) = noise radar
Besar amplitudo rekaman georadar r(t) akan tampak pada penampang rekaman georadar berupa variasi warna. Refleksi atau transmisi di sekitar batas lapisan menyebabkan energi hilang. Jika kemudian ditemukan benda yang memiliki dimensi
yang sama dengan panjang gelombang dari sinyal gelombang elektromagnet maka benda ini menyebabkan penyebaran energi secara acak. Absorbsi ( mengubah energi elektromagnet menjadi energi panas ) dapat menyebabkan energi hilang. Penyebab yang paling utama hilangnya energi karena atenuasi fungsi kompleks dari sifat lstrik dan dielektrika media yang dilalui sinyal radar. Atenuasi (α) tergantung dari konduktifitas (σ), peermeabilitas magnetik (μ), dan permitivity (є) dari media yang dilalui oleh sinyal dan frekuensi dari sinyal itu sendir (2πf). Sifat bulk dari material ditentukan oleh sifat fisik dari unsur pokok yang ada dan komposisinya.
c) Prisip Kerja GPR Prinsip kerja alat GPR yaitu dengan mentransmisikan gelombang radar (Radio Detection and Ranging) ke dalam medium target dan selanjutnya gelombang tersebut dipantulkan kembali ke permukaan dan diterima oleh alat penerima radar (receiver), dari hasil refleksi itulah barbagai macam objek dapat terdeteksi dan terekam dalam radargram (gambar 2.2).
2.2 Mekanisme kerja GPR
Untuk mendeteksi suatu objek diperlukan perbedaan parameter kelistrikan dari medium yang dilewati gelombang radar. Perbedaan parameter kelistrikan itu antara lain permitivitas listrik, konduktivitas dan permeabilitas magnetik. Sifat elektromagnetik suatu material bergantung pada komposisi dan kandungan air didalamnya, dimana keduanya merupakan pengaruh utama pada perambatan kecepatan gelombang radar dan atenuasi gelombang elektromagnetik dalam material. Reynold dalam bukunya An Introduction to Applied and Evironmental Geophysics, menyatakan bahwa kecepatan gelombang radar dalam suatu medium tergantung pada kecepatan cahaya dalam ruang hampa (c = 0.3 m/ns), konstanta dielektrik relatif medium (εr) dan permeabilitas magnetic relatif (μr). Keberhasilan metode GPR bergantung pada variasi bawah permukaan yang dapat menyebabkan gelombang radar tertransmisikan dan refleksikan. refleksi yang ditimbulkan oleh radiasi gelombang elektromagnetik timbul akibat adanya perbedaan antara konstanta dielektrik relatif antara lapisan yang berbatasan. Perbandingan energi yang direfeleksikan disebut koefesien refeleksi (R) yang ditentukan oleh perbedaan cepat rambat gelombang elektromagnetik dan lebih mendasar lagi adalah perbedaan dari konstanta dielektrik relatif dari medium yang berdekatan. Dalam perambatannya, amplitudo sinyal akan mengalami pelemahan karena adanya energi yang hilang, sebagai akibat terjadinya refleksi / trasmisi di tiap batas medium dan terjadi setiap kali gelombang radar melewati batas antar medium. Faktor kehilangan energi disebabkan oleh perubahan energi elektromagnetik menjadi panas. Penyebab dasar terjadinya atenuasi merupakan fungsi kompleks dari sifat dielektrik dan sifat listrik medium yang dilewati oleh sinyal radar. Faktor atenuasi tergantung pada konduktivitas, permitivitas, dan permeabilitas magnetic medium, dimana sinyal tersebut menjalar, serta frekuensi sinyal itu sendiri.
BAB III PENUTUP
A. Kesimpulan Gelombang merupakan getaran yang merambat, gelombang merambatkan suatu energi, energi itulah yang digunakan oleh beberapa metode geofisika untuk mencari tahu bentuk dari isi bumi. Metode geofisika yang menggunakan gelombang sebagai dasar kajiannya adalah Metode Seismik dan Metode GPR. Keduanya menggunakan gelombang yang klasifikasikan berdasarkan mediumnya, metode seismik menggunakan gelombang Mekanik ( meliputi Transversal dan Longitudinal) karena merambat melalui medium berupa batuan yang ada di dalam permukaan bumi sedangkan metode GPR menggunakan Gelombang Elektromagnetik karena tidak membutuhkan medium untuk merambatkan energinya. Dalam seismik digunakan hukum Snellius pada penerapan gelombangnya, dan untuk
GPR
digunakan
elektromagnetiknya.
persamaan
Maxwell
pada
penerapan
gelombang
Daftar Pustaka Munadi, Suprajitno. 2000. Aspek Fisis Seismologi Eksplorasi. Depok: Universitas Indonesia. Tjasono Hk, Bayong. 2003 .Geosains. Bandung: ITB.
Riyanto, Budi. 2010. Inversi Seismik Metodologi. Digital pdf file; from: http://lib.ui.ac.id/file?file=digital/Inversi-seismik-Metodologi.pdf (diakses pada tanggal 16 April 2015 pukul 16.30 WIB) Selly, Erliytasari. 2008. Metode Seismik. Digital pdf file; from: https://www.academia.edu/4908629/METODE_SEISMIK (diakses pada tanggal 18 April 2015 pukul 23.00 WIB) Ya’ Asurandi. 2011. Analisa Bawah Permukaan dengan Metode Ground Penetrating Radar (GPR). Digital slide file; from: http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-15048Presentation-1682277.pdf (diakses pada tanggal 19 April 2015 pukul 7.30 WIB) Wijayanto, Yusuf N., dkk. 2008. Sistem Ground Penetrating Radar untuk MendeteksiBendabenda di Bawah Permukaan Tanah. Digital pdf file; from: https://www.academia.edu/6755988/Sistem_Ground_Penetrating_Radar_untuk_Mendete ksi_Benda-benda_di_Bawah_Permukaan_Tanah (diakses pada tanggal 18 April 2015 pukul 16.00 WIB)
