MAKALAH
GRAVITASI DAN GEOMAGNET: INTERPRETASI ANOMALI MEDAN GRAVITASI BUMI
Disusun sebagai Tugas Akhir Mata Kuliah Fisika Bumi oleh:
Duwi Astuti Ningsih (13030224010)
Fadhil Dani Pratama (13030224011)
UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
JURUSAN FISIKA
PROGRAM STUDI FISIKA
2016
PENDAHULUAN
Bumi sebagai tempat tinggal manusia secara alami menyediakan sumber daya alam yang berlimpah. Keterbatasan ilmu untuk mengolah sumber daya alam tersebut memang menjadi kendala bagi kita untuk melakukan eksplorasi terhadap kekayaan alam yang kita miliki tersebut. Sehingga kita merasa perlu untuk mempelajari cara atau metode untuk mengungkap suatu informasi yang terdapat di dalam perut bumi. Salah satu cara atau metode untuk memperoleh informasi tersebut adalah dengan menggunakan metode survei geofisika. Survei geofisika yang sering dilakukan selama ini antara lain metode gravitasi (gaya berat), magnetik, seismik, geolistrik (resistivitas) dan elektromagnetik. Metode yang akan dibahas dalam makalah ini adalah Metode Gravitasi (gaya berat).
Metode gravitasi merupakan salah satu metode geofisika yang bersifat pasif (memanfaatkan sumber yang alami) dan didasari oleh hukum Newton untuk gravitasi universal. Metode ini memanfaatkan variasi densitas yang terdistribusi dalam lapisan tanah. Setiap batuan/material mempunyai besar densitas yang berbeda-beda dan dapat mempengaruhi terhadap variasi medan gravitasi bumi, sehingga terjadi anomali gravitasi. Metode gravitasi digunakan untuk mengetahui kondisi bawah permukaan pada area tempat dilakukannya survei, yaitu dengan mengamati variasi lateral dari densitas batuan bawah permukaan. Survei dengan menggunakan metode gravitasi memanfaatkan nilai percepatan gravitasi di area survei tersebut. Perubahan percepatan pada satu titik dengan titik lain di sekitarnya menandakan adanya perbedaan kandungan yang ada di bawah permukaan bumi. Variasi gaya berat di setiap titik permukaan bumi akan dipengaruhi oleh beberapa faktor dimana dalam pengukuran dan interpretasi, faktor-faktor tersebut harus diperhatikan (dikoreksi). Sesuai dengan hasil penelitian bahwa batuan yang memiliki densitas rendah memiliki nilai porositas tinggi. Jika porositas dihubungkan dengan permeabilitas, maka permeablitas berbanding lurus dengan porositas. Batuan yang mendomonasi reservoir panas bumi yaitu batuan dengan densitas rendah dan porositas tinggi serta tingkat permeabilitasnya tinggi.
Metode gravitasi dilakukan untuk menyelidiki keadaan di bawah permukaan bumi berdasarkan perbedaan rapat massa mineral dari daerah sekeliling (ρ=gram/cm3). Eksplorasi biasanya dilakukan dalam bentuk kisi atau lintasan penampang. Pemisahan anomali akibat rapat massa dari kedalaman berbeda dilakukan dengan menggunakan koreksi matematis atau koreksi geofisika. Pengambilan data dilakukan di permukaan bumi dengan menggunakan Gravitymeter yang memiliki ketelitian tinggi (mgal), sehingga kita tidak akan kesulitan untuk manganalisa anomali yang berukuran kecil.
Dalam metode ini yang dipelajari adalah variasi medan gravitasi akibat variasi rapat massa batuan di bawah permukaan sehingga dalam pelaksanaannya yang diselidiki adalah perbedaan medan gravitasi dari suatu titik observasi terhadap titik observasi lainnya. Dengan demikian struktur bawah permukaan dapat diketahui.
METODE GRAVITASI (GAYA BERAT) DALAM EKSPLORASI GEOTERMAL
Dalam suatu daerah lapisan batuan yang diamati dapat memiliki bermacam-macam densitas ataupun homogen. Perbedaan densitas inilah yang memiliki pengaruh terhadap medan gravitasi. Oleh sebab itu terjadi variasi nilai percepatan gravitasi (anomali gravitasi). Percepatan gravitasi merupakan medan yang terjadi antara dua massa yang saling berinteraksi. Interaksi tersebut berupa adanya gaya tarik-menarik sehingga kedua benda mengalami percepatan yang arahnya saling berlawanan.
Secara umum, metode geofisika dibagi menjadi dua kategori yaitu metode pasif dan aktif. Metode pasif dilakukan dengan mengukur medan alami yang dipancarkan oleh bumi. Metode gravitasi merupakan salah satu metode geofisika yang bersifat pasif (memanfaatkan sumber yang alami) dan didasari oleh hukum Newton untuk gravitasi universal. Metode ini memanfaatkan variasi densitas yang terdistribusi dalam lapisan tanah. Setiap batuan/material mempunyai besar densitas yang berbeda-beda dan dapat mempengaruhi terhadap variasi medan gravitasi bumi, sehingga terjadi anomali gravitasi.
Gambar 1 Pengambilan data lapangan menggunakan Gravitymeter
(sumber: http://www.westshoreconsulting.com/ )
Metode gravitasi atau gaya berat bekerja berdasarkan Hukum Gravitasi Newton yang menyatakan bahwa gaya antara dua benda bermassa m yang dipisahkan pada jarak r akan berbanding lurus dengan perkalian massa dua benda tersebut berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari kedua pusat massa dari kedua benda tersebut. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
Fr=Gm1m2r2r
gr=Fm1=Gm2r2r
dimana:
F = besar gaya gravitasi antara dua titik massa yang ada (N)
G = besar konstanta gravitasi Newton 6673 10-11Nm2/kg2
m1 = massa benda pertama (kg)
m2 = massa benda kedua (kg)
r = jarak antara benda pertama dan kedua (m)
Metode gravitasi digunakan untuk mengetahui kondisi bawah permukaan pada area tempat dilakukannya survei, yaitu dengan mengamati variasi lateral dari densitas batuan bawah permukaan. Telah diketahui bahwa gaya gravitasi adalah suatu gaya yang bekerja anatara dua benda, seperti gaya yang bekerja antara tubuh manusia dengan bumi, atau antara planet dengan matahari.
Survei dengan menggunakan metode gravitasi memanfaatkan nilai percepatan gravitasi di area survei tersebut. Perubahan percepatan pada satu titik dengan titik lain di sekitarnya menandakan adanya perbedaan kandungan yang ada di bawah permukaan bumi. Namun perubahan yang terjadi relatif lebih kecil sehingga pengukuran metode gravitasi memerlukan alat yang memiliki kepekaan tinggi, dan alat tersebut adalah GRAVITYMETER.
Gambar 2. GRAVITYMETER LaCoste (sumber: http://www.galitzine.mines.edu )
Dalam GRAVITYMETER terdapat massa yang tergantung dalam sebuah pegas, sehingga jika densitas batuan bawah permukaan berbeda akan menyebabkan tarikan atau gaya yang berbeda pula. Pada tempat yang memiliki kandungan batuan bawah permukaan dengan densitas yang lebih tinggi akan menyebabkan nilai gravitasi yang terukur lebih besar pula dan begitu juga sebaliknya untuk densitas yang lebih rendah.
Gambar 3. Model sederhana metode gravitasi (sumber: http://www.galitzine.mines.edu )
Harga rata-rata gaya berat di permukaan bumi adalah 9.80 m/s2. Satuan yang digunakan gaya berat adalah milliGal (1 mGal = 10-3, Gal = 10-3 cm/s2) atau ekivalen dengan 10 gu (gravity unit). Variasi gaya berat yang disebabkan oleh variasi perbedaan densitas bawah permukaan adalah sekitar 1 mGal (100 μm/s2).
Bentuk bumi bukan merupakan bola pejal yang sempurna, dengan relief yang tidak rata, berotasi serta berevolusi dalam sistem matahari, tidak homogen. Dengan demikian variasi gaya berat di setiap titik permukaan bumi akan dipengaruhi oleh beberapa faktor dimana dalam pengukuran dan interpretasi, faktor-faktor tersebut harus diperhatikan (dikoreksi).
INTERPRETASI ANOMALI MEDAN GRAVITASI
Tahapan survei metode gravitasi dibagi menjadi tiga tahap yaitu tahap pengukuran data, pengolahan data dan interpretasi.
Tahap Pengukuran
Pengukuran dilakukan dengan menggunakan GRAVITYMETER dan GPS. Data yang diperoleh di lapangan adalah posisi tempat pengukuran dalam lintang dan bujur (derajat, menit, detik) dan ketinggian tempat pengukuran (elevasi).
Pengolahan data
Nilai percepatan gravitasi pada tiap titik pengamatan yang diperoleh di lapangan masih dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti bumi yang tidak bulat sepenuhnya, variasi elevasi, rapat massa dan kedudukan bumi terhadap tata surya terutama kedudukan bulan dan matahari yang menyebabkan pasang surut bumi. Untuk memperoleh harga gravitasi yang mengacu pada bidang ekuipotensial, maka harga pengamatan perlu direduksi atau dikoreksi. Koreksi yang harus dilakukan terhadap harga gravitasi pengamatan meliputi koreksi drift, koreksi udara bebas, koreksi lintang, koreksi ketinggian, koreksi Bouguer, koreksi topografi dan koreksi pasang surut.
Konversi Pembacaan GRAVITYMETER
Hasil pembacaan alat di lapangan merupakan angka-angka yang tidak berdimensi, sehingga harus dikonversi ke dalam mGal. Di dalam mengkonversi mGal masing-masing alat mempunyai konversi sendiri-sendiri.
Koreksi-koreksi
Koreksi-koreksi yang dilakukan dalam pengolahan data metode gravitasi sebagai berikut:
Koreksi Apungan (Drift Correction)
Koreksi apungan akibat adanya perbedaan pembacaan gravity dari stasiun yang sama pada waktu yang berbeda, yang disebabkan karena adanya guncangan pegas alat GRAVITYMETER selama proses transportasi dari suatu stasiun ke stasiun lainnya. Dapat juga diakibatkan adanya kemuluran alat (pegas) setelah dipakai berulang-ulang. Koreksinya adalah dengan melakukan pengukuran di titik base sesering mungkin. Pengukuran dapat dilakukan satu atau dua jam sekali tergantung kondisi lapangan.
Dn=gst(n)-gst(1)TN-T1Tn-T1
dimana:
Dn = Drift pada stasiun ke-n
gst(n) = gravitasi terkoreksi tidal pada stasiun-n
gst(1) = gravitasi terkoreksi tidal pada stasiun-1
TN = waktu pengukuran stasiun akhir loop
T1 = waktu pengukuran stasiun awal
Tn = waktu pengukuran stasiun ke-n
Gambar 4 Grafik Drift Corection
Koreksi Pasang Surut (Tidal Correction)
Koreksi pasang surut digunakan untuk menghilangkan efek gaya gravitasi benda-benda di luar bumi, misalnya efek bulan dan matahari. Efek gaya gravitasi bulan dan matahari menyebabkan perubahan nilai medan gravitasi di permukaan bumi secara periodik. Koreksi pasang surut tergantung dari kedudukan bulan dan matahari terhadap bumi. Untuk mendapatkan nilai pasang surut ini maka, dilihatlah perbedaan nilai gravitasi stasiun dari waktu ke waktu terhadap base. Gravitasi terkoreksi tidal dapat ditulis sebagai berikut :
gst=gs+t
dimana:
gst = gravitasi terkoreksi pasang surut (tidal)
gs = gravitasi pada pembacaan alat
t = nilai koreksi pasang surut (tidal)
Gambar 5 Grafik Tidal Correction
Koreksi Lintang (Latitude Correction)
Koreksi lintang digunakan untuk mengkoreksi medan gravitasi di setiap lintang geografis karena nilai medan gravitasi di setiap tempat berbeda, hal ini akibat dari gaya sentrifugal dan bentuk ellipsoid bumi. Dari koreksi ini akan diperoleh anomali medan gravitasi. Medan anomali tersebut merupakan selisih antara medan gravitasi observasi dengan medan gravitasi teoritis (gravitasi normal). Secara umum gravitasi terkoreksi lintang dapat ditulis sebagai berikut:
g =978031,8 (1+0,005304sin2 +0,0000059sin22
dimana:
g = gravitasi terkoreksi lintang ( = sudut dalam radian)
Gambar 6 Pengaruh bentuk bumi terhadap percepatan gravitasi
(sumber : http://www.galitzine.mines.edu )
Gambar 7 Pengaruh gaya sentrifugal terhadap percepatan gravitasi
(sumber : http://www.galitzine.mines.edu )
Koreksi udara bebas (Free-Air Correction)
Koreksi udara bebas diperlukan untuk menghilangkan efek pengurangan harga medan gravitasi terhadap ketinggian dari suatu bidang datar, tanpa memperhatikan efek massa batuan. Koreksi ini dilakukan untuk mengkompensasi ketinggian antara titik pengamatan dan datum (mean sea level). Setelah dilakukan koreksi udara bebas, akan diperoleh anomali udara bebas di topografi. Koreksi ini dapat ditulis sebagai berikut :
gFA=-0,3086×h
dimana:
gFA = gravitasi terkoreksi udara bebas
h = ketinggian permukaan dari datum (msl) satuan meter
Gambar 8 Perbedaan pengukuran gravitasi pada permukaan bumi dan pada ketinggian tertentu
(sumber: http://www.galitzine.mines.edu )
Koreksi Bouguer ( Bouguer Slab Correction )
Koreksi Bouguer dilakukan untuk memperhitungkan efek massa batuan diantara titik pengamatan dengan bidang datum yaitu dengan menganggap lapisan batuan yang mempengaruhi mempunyai rapat massa seragam dan melebar sampai tak hingga. Dengan mengambil permukaan laut rata-rata sebagai bidang acuan, maka harga koreksi bouguer harus dikurangkan terhadap harga pengamatan untuk titik pengamatan yang berada di atas datum. Pendekatan untuk menghitung koreksi Bouguer adalah dengan mengasumsikan bahwa massa diantara datum dan titik amat dianggap massa silinder datar dengan radius tak berhingga, dengan ketebalan sama dan jarak vertikal antara titik amat, datum dan rapat massa di sekitar titik amat adalah konstan.
gB=0,04193×ρ×h
dimana:
gB = gravitasi terkoreksi bouguer
ρ = densitas batuan (Mgm-3)
h = ketinggian dari atas permukaan laut (m)
Gambar 9 a) Kelebihan massa (di atas garis biru) b) kelebihan masa dapat diaproksimasi dengan garis lurus dari material dengan densitas ρb (sumber : http://www.galitzine.mines.edu)
Gambar 10 Anomali Bouguer Sederhana
Koreksi medan (Terrain Correction)
Koreksi medan mengakomodir ketidakteraturan pada topografi sekitar titik pengukuran. Pada saat pengukuran, elevasi topografi di sekitar titik pengukuran, biasanya dalam radius dalam dan luar, diukur elevasinya. Sehingga koreksi ini dapat ditulis sebagai berikut :
TCmGal=0,04191ρn(r2-r1+r12+z2-r22+z2)
dimana:
ρ = densitas (Mgm-3)
r1 = compartment inner radius (m)
r2 = compartment outer radius (m)
n = panjang zona
Gambar 11 Contoh anomali dan akuisisi gaya berat
INTERPRETASI DATA
Pemodelan merupakan hal yang penting dalam analisa data gravitasi, dengan model dapat diperkirakan konfigurasi benda penyebab anomali. Khususnya dalam model dua dimensi pemilihan arah penampang merupakan sesuatu yang penting. Dari peta anomali Bouguer yang mempunyai pola kontur memanjang relatif dalam satu arah, benda anomalinya dapat didekati dengan menggunakan pola kontur tersebut.
Gambar 12 Anomali Bouguer Lengkap
Gambar 13 Anomali Bouguer di Topografi
Gambar 12 merupakan anomali Bouguer lengkap di topografi yang memperlihatkan pembelokan dan pengkutuban anomali di beberapa tempat. Kondisi demikian mengindikasikan adanya SESUATU di sekitar lokasi penyelidikan. Setelah diketahui ada sesuatu di sekitar lokasi penyelidikan maka tahap selanjutnya adalah melakukan pemisahan anomali Bouguer dari kecenderungan regionalnya (struktur dalam/regional), sehingga nantinya akan diperoleh medan anomali gravitasi residual (struktur dangkal) daerah penyelidikan.
Gambar 14 Anomali Regional
Gambar 14 merupakan kontur anomali regional mencerminkan adanya pengaruh struktur geologi regional yang melandasi batuan di atasnya pada kedalaman tertentu yang mengalami suatu proses kejadian setiap tingkatan ordenya. Gambar tersebut mempelihatkan pola liniasi medan anomali gravitasi regional yang berarah hampir barat laut- timur laut dan nilai anomali cenderung mengecil ke arah tenggara dan timur.
Gambar 15 Anomali Residual
Gambar 15 merupakan kontur anomali residual merupakan pemisahan antara anomali Bouguer dengan anomali regional yang mencerminkan bentuk struktur geologi lokal/dangkal. Anomali residual ini masih ada pengaruh dari anomali regional karena pada anomali regional penyebaran anomalinya hampir merata.
KESIMPULAN
Survei geofisika dengan metode gravitasi dilakukan untuk menyelidiki keadaan di bawah permukaan bumi berdasarkan perbedaan rapat masa mineral dari daerah sekeliling (ρ =gram/cm3). Ada 3 tahap dalam metode geofisika yaitu tahap pengukuran/pengambilan data, pengolahan data dan interpretasi. Interpretasi merupakan hal yang penting dalam analisa data gravitasi, dengan model dapat diperkirakan konfigurasi benda penyebab anomali.
Aplikasi metode gravitasi dapat digunakan untuk keperluan eksplorasi panas bumi. Metode ini adalah metode geofisika yang sensitif terhadap perubahan vertikal, sehingga sangat umum untuk digunakan dalam pencarian prospek geotermal terutama dalam mempelajari kontak antar batuan, struktur geologi, adanya perangkat, dan densitas dari batuan.
Hasil pengamatan dari masing-masing titik pengamatan akan menghasilkan perhitungan-perhitungan yang telah dikoreksi dan mendapatkan anomali gaya berat atau yang biasa disebut dengan anomali Bourger. Dari anomali tersebut kita dapat membuat kontur berupa anomali regional dan anomali sisa.
Setelah diperoleh anomali sisa, maka dapat dibuat penampang geologi berdasarkan konturnya, sehingga kita mampu mengetahui rekonstruksi dari bawah permukaan daerah pengamatan.
Dari hasil perhitungan anomali Bourger dapat diketahui densitas dari batuan yang ada di daerah penelitian. Sesuai dengan hasil penelitian bahwa batuan yang memiliki densitas rendah memiliki nilai porositas tinggi. Jika porositas dihubungkan dengan permeabilitas, maka permeablitas berbanding lurus dengan porositas. Hal ini berarti jika porositasnya tinggi maka permeabilitasnya juga tinggi dan menurunkan rumus dari hukum Darcy, bahwa porositas berbanding lurus dengan permeabilitas. Sesuai dengan yang dinyatakan, bahwa batuan yang mendominasi reservoir panas bumi yaitu batuan dengan densitas rendah dan porositas tinggi serta tingkat permeabilitasnya tinggi. Sehingga kita akan mampu mendapatkan daerah yang diindikasi menjadi reservoir panas bumi.
DAFTAR PUSTAKA
Reihanayati dan Rachmansyah, Arief. 2013. Studi Potensi Energi Geothermal Blawan- Ijen, Jawa Timur Berdasarkan Metode Gravity. Malang. Jurnal Neutrino vol 6.
LVG ITB. 2008. Gravity Method. Bandung
Slide perkuliahan: Wahyudi, Eko Januari. 2011. Introduction to Gravity Method. Bandung
https://www.scribd.com/doc/173664959/METODE-GRAVITASI
