APLIKASI METODE GRAVITASI (GAYA BERAT) UNTUK IDENTIFIKASI STRUKTUR BAWAH PERMUKAAN DI DAERAH LAMSUJEN, LHOONG, ACEH BESAR Zarbahani1), Siti Fatimah2), Musrizal3), Muhammad Dhuha Razaq4), Muhammad Hafiz5), Livia Minda Yeni 6), Nurul Hikmah Saputri7), Nindi Yusifa8), Cut Kiki9),Rizkia Alaika10),Zara Muriza11),Mohd.Ikhwan12)
Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Email:
[email protected]
Abstract In a gravity method, gravity anomaly has been an important part for predicting subsurface based on density. Anomaly value calculated based on correction result to remove a gauging noise in a field. The reconnaissance research to predict the position and subsurface geology structural such as fault, fracture, fold etc in surrounding subdistrict Lamsujen area, area, Lhoong, Aceh Besar Besar was carryout by gravity method. Gravity methods used to determine or subsurface geological structure based on the density of the rock. Data processing is done in the research include: drift correction, terrain correction, free air correction, complete Bougeur anomaly, spectral analisys, SVD analysis, 2D modeling and 3D inversion modeling and tentative model. model. The measurement measurement was done in two times in base at begin and end of measurements.
K eywo eyworr ds: Gravity Method, density, fault, bouger anomaly Abstrak Dalam metode gravitasi gravitas i secara umum nilai ni lai anomali gaya berat atau percepatan percepatan gravitasi menjadi bagian yang sangat penting untuk memprediksi lapisan l apisan bawah permukaan permukaan berdasarkan perbedaan rapat massa (density) (density).. Nilai anomali dihitung berdasarkan hasil pengkoreksian yang dilakukan untuk menghilangkan noise yang terjadi dalam pengukuran di lapangan. Penelitian ini digunakan untuk memprediksi posisi dan keadaan geologi bawah permukaan sebagai sebuah patahan, rekahan lipatan dan lainnya di sekitar wilayah Lamsujen, Lhoong, Aceh Besar yang memungkinkan untuk dilakukan dengan metode gravitasi. struktur geologi bawah permukaan bumi berdasarkan nilai densitas batuan. Pengolahan data yang dilakukan dalam penelitian meliputi : koreksi apungan, koreksi medan, koreksi udara bebas, anomali Bouguer anomali Bouguer lengkap, analisis spektral, analisis SVD, SVD, pemodelan 2D dan pemodelan inversi 3D serta model tentatif untuk menginterpretasi struktur geologi bawah permukaan Lamsujen. Pengukuran dilakukan sebanyak dua kali, base merupakan tempat memlulai pengukuran dan pengukuran diakhiri di base juga. Kata Kunci: Metode Gravitasi, densitas, patahan, anomaly bouger
1.
PENDAHULUAN Desa Lamsujen, Lhoong, Aceh Besar memiliki kondisi geologi yang sangat kompleks, terlihat dari formasi batuan yang ada diperbukitan dan lembah disekitar daerah Lamsujen. Selain itu Desa Lamsujen diaptit oleh dua bukit sehingga menyebabkan daerah tersebut memiliki topografi seperti cekungan. Hal ini memungkinkan terdapatnya struktur geologi seperti patahan dan rekahan serta strukutur geologi bawah perlukan lainnya. Struktur bawah permukaan adalah suatu kondisi geologi yang ada di suatu daerah sebagai akibat
dari terjadinya perubahan-perubahan pada batuan oleh proses proses tektonik. Keberadaan struktur geologi penting untuk diidentifikasi. Hal ini disebabkan karena patahan dan rekahan berpotensi menyebabkan menyebabkan efek samping berupa bencana alam seperti gempa darat serta longsor yang bersifat merusak. Aceh merupakan salah satu wilayah yang sangat menarik untuk dilakukan penelitian patahan karena beberapa beberapa gempa yang terjadi di wilayah ini bersumber bersumber dari pergerakan pergerakan patahan. Untuk mengidentifikasi mengidentifikasi adanya patahan, rekahan dan struktur geologi lannya,
pada penenlitian ini metode yang digunakan adalah metode gravitasi ( gravity). Metode gravitasi merupakan metode dalam geofisika yang cukup simpel dan mudah pengoperasiannya dan mempunyai penetrasi cukup baik. Prinsip dasar dari metode ini adalah mengukur nilai medan gravitasi bumi di suatu tempat di permukaan bumi dengan ketelitian dalam orde miliGal atau bahkan mikroGal (1 gal = 1 cm/s ). Adapun tujuan pengukurannya untuk memperkirakan kondisi di bawah permukaan bumi berdasarkan adanya kontras densitas batuan di bawah permukaan bumi. Medan gravitasi yang terukur di permukaan bumi dipengaruhi oleh berbagai faktor antara lain posisi lintang dan ketinggian titik pengukuran, gaya gravitasi matahari dan bulan pada saat pengukuran (dikenal dengan efek tidal), kondisi topografi daerah disekitar.
2.
TINJAUAN PUSTAKA Prinsip dasar gravitasi merupakan gaya tarik menarik antar dua benda akibat massa benda keduanya dan bergantung pada jarak antar benda tersebut. Hal ini didasarkan pada hukum Newton tentang gaya berat (gravitasi). Besarnya nilai gaya berat antara dua benda tersebut sebanding dengan massa kedua benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jaraknya (Lilie, 1999). Hukum gaya berat Newton :m 1m2
= G
(1)
Dimana : F = gaya antara dua benda (N) G = Konstanta gaya berat (6.67 x 10 -11 Nm2/kg2) M = Massa sumber (kg) r = jarak antara pusat massa (m)
buah benda bermassa m1 dan m2 Pada koordinat Cartesian, gaya tarik menarik antar partikel bermassa m pada koordinat Q (x’, y’, z’) dengan partikel bermassa M pada koordinat P(x, y, z) sesuai dengan persamaan (2), sketsanya pada gambar 1.
() = ̂
(2)
Dengan r =(xx’) +(yy’) +(zz’)
Gambar 2.1 Gaya tarik-menarik antara 2 rata-rata dari gayaberat di 2 permukaan bumi adalah 9.80 m/s . Satuan yang digunakan adalah gayaberat 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 2 m/s ). Percepatan gravitasi g disebut juga sebagai kuat medan gravitasi bumi, yaitu salah satu besaran yang bertuju pada nilai medan gravitasi bumi. Oleh sebab itu, kuat medan gravitasi bumi pada titik apa saja dalam ruang didefinisikan sebagai gaya gravitasi per satuan massa pada suatu massa uji m (Giancoli, 1997). sehingga, pada suatu titik dalam ruang dimana suatu massa uji m mengalami gaya gravitasi F maka kuat medan gravitasinya adalah :
=
g
(3)
Harga rata-rata dari gayaberat di permukaan bumi adalah 9.80 m/s 2. Satuan yang digunakan adalah gayaberat 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 2 m/s ). Jika nilai F ini dimasukkan dalam persamaan (2), maka kita peroleh persamaan untuk menghitung kuat medan gravitasi oleh massa sumber M pada berbagai titik dalam medan, yaitu : g
=
(4)
Kuat medan gravitasi bumi adalah gaya yang bekerja pada satuan massa yang diletakkan dalam medan gravitasi. sehingga, jika sebuah benda bermassa m mengalami
gaya F berada dalam medan gravitasi bumi, kuat medan gravitasi bumi adalah F/m. Permukaan bumi merupakan bidang tak beraturan yang cenderung berbentuk lengkung, sehingga hubungan geometris antara titik satu dengan lainnya di permukaan bumi tidak dapat ditentukan. Untuk keperluan pemetaan diperlukan model matematis yang mempunyai bentuk dan ukuran tertentu sehingga mendekati bentuk dan ukuran bumi. (Giancoli, 1997). Potensial gravitasi adalah energi yang diperlukan untuk memindahkan suatu massa dari suatu titik ke titik tertentu. Dimana medan potensial bersifat konservatif, artinya usaha yang dilakukan dalam suatu medan gravitasi tidak tergantung pada lintasan yang ditempuhnya tetapi hanya tergantung pada posisi awal dan akhir (Untung, 2001). Medan potensial dapat dinyatakan sebagai gradien atau potensial skalar (Blakely, 1996), melalui persamaan: g = - U(r) (5)
∇
dimana fungsi U pada persamaan adalah potensial gravitasi, sedangkan percepatan gravitasi g merupakan medan potensial. Tanda minus menandakan arah gayaberat menuju ke titik yang dituju. Dengan mengasumsikan bumi dengan massa M bersifat homogen dan berbentuk bola dengan jari-jari R, potensial gravitasi di permukaan bumi dapat didefinisikan dengan persamaan:
()=-g(r) U(r)=∫∞(∇).dr=-∫∞ . U(r) = -Gm ∫∞ / r = G
∇
U(r) =-
2
(2.8)
Gambar 2.2 Potensial massa dalam 3D (Telford,dkk., 1990) Berdasarkan persamaan (9), potensial yang disebabkan oleh elemen massa dm pada titik ( x, y, z ) dengan jarak r dari P (0, 0, 0) adalah: dU = G
= G
(2.9)
dimana (x, y, z) adalah densitas dan r 2 = x2 + y2 + z2. Potensial total dari massa adalah: U=G dxdydz
∫ ∫ ∫
(2.10)
karena g adalah percepatan gravitasi pada sumbu z (arah vertikal) dan dengan asumsi konstan, maka: g=-( dxdydz
) = G ∫ ∫ ∫ (2.11)
2.4.
Koreksi-Koreksi Dalam Metode Gravitasi Metode Gaya Berat bekerja berdasarkan kontras densitas dari batuan bumi.Jika ada anomali di bawah permukaan, maka nilai medan gravitasi akan menyimpang dari normal yang diukur. Jika defiasi adalah penambahan nilai, yang disebut anomali positif maka kepadatan anomali lebih besar dari kepadatan daerah sekitarnya. Sebaliknya, jika penyimpangan tersebut adalah pengurangan nilai, yang disebut anomali negatif maka densitas anomali kurang dari kepadatan daerah sekitarnya. Nilai gravitasi yang diukur dipengaruhi oleh pasang bumi- bulan, keuntungan dan kerugian dari masa karena topografi bumi dan referensi. Oleh karena itu data yang diukur harus dikoreksi untuk menghilangkan pengaruh- pengaruh ini.
a. Koreksi Pasang Surut Koreksi ini dilakukan untuk menghilangkan efek pengaruh pasang surut air laut akibat benda-benda lain disekitar bumi. Gaya pasang surut akan
maksimum bila bulan dan matahari terletak pada suatu arah dan berlawanan, dan akan minimum jika keduanya tegak lurus. Selain itu, penarikan bulan dan matahari juga memberikan efek pasang surut terhadap benda padat bumi. Gejala ini menjadi suatu ukuran tentang kekerasan bagian dalam bumi. Menurut Heiland, komponen tegak gaya pasangsurut Δ gTDL dirumuskan pada persamaan berikut
d. Koreksi Udara Bebas Pengukuran gaya berat di mean sea level dan di ketinggian tertentu memiliki hasil yang berbeda. Setiap perubahan ketinggian terhadap mean sea level nilai gayaberatnya akan berubah. perubahan ratarata gayaberat terhadap ketinggian sebesar 0.3086 mGal/m. Titik pengamatan tidak selamanya berada pada mean sea level , sehingga perlu dilakukan koreksi udara bebas yang dirumuskan pada persamaan (Sleep,1997) :
(cos2 + 1) ∆ = 3 2 3 3 2 (cos2 + 13)
= 0,3086 ℎ
e. Koreksi Bouguer Bouguer seorang Perancis pada tahun 1749 melakukan pengamatan di pegunungan Andes, Peru. Dia menyadari adanya ketergantungan ketinggian dan rapat massa. Dia menemukan hubungan analitis rapat massa di pegunungan Andes dan rapat massa rata-rata. Sehingga koreksi Bouguer dapat dirumuskan pada persamaan berikut (Untung,2001):
b. Koreksi Apungan (drift ) Nilai pengukuran gaya berat pada suatu titik dan diulang kembali pengukurannya secara teoritis nilai gaya berat akan tetap atau konstan. Namun dalam kenyataannya nilainya akan berubah. Factor penyebab misalnya goncangan pada saat transportasi dapat mempengaruhi mekanisme alat, ini disebut dengan apungan.( Hadipandoyo,2004)
= 0.1491××ℎ
f. Koreksi Medan Adanya efek medan akibat terdapat bukit ataupun lembah disekitar titik pengukuran yang dapat menyebabkan efek penambahan ataupun pengurangan nilai gayaberat pengukuran. Oleh karena itu dilakukan koreksi medan. Koreksi medan didapatkan dengan Hammer Chart (Telford,1990)
( ) =
c. Koreksi Lintang Bumi berotasi pada porosnya, sehingga menyebabkan sebaran massa bumi dan percepatan gravitasi berbeda. Sebaran massa bumi tidak sempurna, tetapi massa bumi terkumpul pada porosnya. Sehingga nilai perkiraan gaya berat rata-rata diberikan oleh fungsi lintang. Terdapat rumusan untuk mencari koreksi lintang antara lain Potsdam 1930, ISGN 1971 ( International Standardizaton Geodetic Network 1971) dan yang terbaru WGS 84 (Word Geodetic System 1984). WGS 84 dituliskan pada persamaan berikut (Untung, 2001).
1+0.001938639sin =97803267714√ 10. 0066943799913sin
= 2 + − [ − ]
3. 3.1
METODE PENELITIAN Waktu dan Lokasi Penelitian Penelitian ini dilakukan pada jam 08.47, tanggal 8 Desember 2016 di daerah Lamsujen, Lhoong, Aceh Besar.
3.2
Alat dan Bahan
Tabel 3.1 Alat dan Bahan yang Digunakan No. Nama Alat dan Bahan 1 CG-5 Scintrex 2 Tripod 3 GPS 4 Penggaris 3.3 3.3.1
Jumlah 1 unit 1 buah 1 buah 1 buah
Tahapan Penelitian Akuisisi Data
Teknik pengumpulan data penelitian ini akan di lakukan menggunakan metode gravity. Dengan metode ini akan di peroleh data gravitasi relatif yang kemudian akan di proses sacara lanjut untuk menyelidiki lapisan bawah permukaan Lapangan Tugu Universitas Syiah Kuala, Darusssalam, Banda Aceh. Adapun alat yang di gunakan adalah Gravimeter. Pengambilan data dilakukan secara langsung menggunakan alat pengukuran gravity (Gravimeter). Pada tahapan ini, akuisisi data dilakukan untuk menentukan data gravitasi relatif total yang di pengaruhi oleh densitas dari batuan dibawah permukaan Lapangan Tugu Universitas Syiah Kuala, Darussalam. Data yang didapatkan dari survei gravity ini akan diproses di tahapan selanjutnya. Tabel 3.2 Parameter Pengukuran Gravitasi
Parameter Pengukuran Magnetik
Keterangan
Jumlah line
1 line
Panjang line total
1500 meter
Spasi antar line
500 meter Tahapan akuisisi data dalam metode magnetik terbagi menjadi 2 tahap, yaitu: Pemasangan Alat a. Langkah awal adalah memasang tripod pada tanah sampai seimbang. Indikatornya adalah mata lembu yang tredapat pada tripod tersebut b. Setelah tripod terpasang dengan benar selanjutnya dipasang alat gravimeter Scintrex CG-5 pada tripod.
c. Selanjutnya diukur berapa tinggi alat dengan tanah untuk koreksi. d. Alat gravimeter dihidupkan. Kemudian ditekan option untuk mengatur lamanya pengukuran oleh alat pada satu titik. Selanjutnya klik F3 pilih edit untuk merubah nilai ketinggian dari tanah sampai ke alat Gravimeternya. e. Tahap selanjutnya tekan F3 pilih Function, selanjutnya tekan F5 atur tripod sampai mucul gambar “smile” pada layar Gravimeter f. Selanjutnya untuk memulai pengukuran tekan F5. Dan pengukur menjauh dari alat sampai selesai pengukuran. Pengukuran Setelah semua terpasang dengan benar, tahap selanjutnya adalah pengambilan data lapangan. Pengambilan data lapangan bisa dilakukan dengan mode line atau grid dan ini sangat bergantung kepada keperluan survei. Idealnya pengambilan data lapangan menggunakan 1 alat Gravimeter. Pengukuran pertama dilakukan di base sebelum melakukan pengukuran pada titik pengukuran dalam line atau grid. Pengukuran selanjutnya pada line atau grid pengukuran yang telah ditentukan. Pengukuran di lakukan pada 7 titik dengan spasi sebesar 10 m, pada setiap titik pengukuran dilakukan pengukuran selama
30 detik sebelum berpindah ke titik lainnya. Dalam pengambilan data gravitasi Gravimeter. Setelah ditekan tombol untuk memulai pengukuran , pengukur sebaiknya menjauh dari alat untuk memastikan tidak adanya noise yang disebabkan oleh pengukur sendiri. Hal ini dilakukan karena Gravimeter sangat sensitif walaupun terhadap perubahan yang sangat kecil . Sebaiknya alat dibiarkan sampai selesai merekam data gravitasi dan setelah lampu indikator mati baru melakukan pengukuran kembali. 3.3.2
Pengolahan Data Pengolahan data kali ini diakukan menggunakan Microsoft Excel untuk menentukan kurva dari anomali atau data medan gravitasi relatifnya. Kurva ini nantinya akan menunjukkan data anomali gravitasi yang rendah atau tinggi sesuai dengan densitas atau keadaan batuan dibawah permukaan yang memperngaruhi nilai gravitasi yang terbaca pada alat Gravimeter. 3.3.3
Interpretasi Data
Interpretasi data yaitu kegiatan yang bertujuan untuk menganalisis suatu hasil pengolahan data dalam bentuk profil 1D yang menggambarkan bersarnya nilai percepatan gravitasi yang diperoleh dari hasil pengolahan data. 4.
metode gravitasi. Dari hasil akuisisi data yang didapat di lapangan, dilakukan koreksi pada data-data yang didapat tersebut. Koreksi-koreksi yang dilakukan adalah koreksi apungan, koreksi lintang, koreksi udara bebas dan koreksi bouger. Koreksi apungan merupakan koreksi pada data gravitasi, sebagai akibat perbedaan pembacaan nilai gravitasi di stasiun yang sama pada waktu yang berbeda oleh alat gravimeter. Perbedaan tersebut disebabkan karena terjadi guncangan pegas dan perubahan temperatur pada alat gravimeter selama proses perjalanan dari stasiun berikutnya. Nilai koreksi apungan yang paling kecil yaitu pada titik A1 adalah 11.360 sekon. Nilai koreksi lintang antar titik survei semua sama yang dipengaruhi oleh nilai lintang yang hampir sama. Nilai koreksi lintang yang didapat adalah 0.029 radian. Selanjutnya untuk koreksi udara bebas, nilai terkecil terdapat pada titik survei A1 yaitu -56.1652 mGal yang disebabkan oleh nilai dari elevasi pada lokasi ini sangat besar yaitu 182 meter. Kemudian koreksi bouger, nilai terendah didapat pada lokasi base adalah 3.582 mGal. Kemudian dilakukan perhitungan bouger lengkap untuk mendapatkan nilai medan anomali. Berikut adalah grafik hubungan nilai bouger lengkap dari titik-titik yang telah diukur:
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian ini, dilakukan pengukuran nilai percepatan gravitasi bumi untuk menentukan densitas batuan yang ada di bawah permukaan daerah Lamsujen, Lhoong, Aceh besar dengan menggunakan
Bouger Lengkap (mGal) 3900 3895 3890
Bouger Lengk (mGal)
3885 3880 A1
A2
Base
Gambar 4.1 Grafik Hubungan Nilai Bouger Lengkap
Dari grafik di atas dapat diinterpretasikan bahwa nilai anomali gravitasi dari titik A1 lebih besar dari nilai anomali gravitasi A2. Apabila nilai anomali gravitasi besar maka nilai densitas batuan juga besar. Jadi pada data di atas dapat disimpulkan bahwa densitas batuan pada titik A1 lebih besar dari pada densitas batuan di titik A2. Dari hasil ini tidak ditemukan adanya patahan, rekahan dan struktur geologi bawah permukaan lainnya karena hanya ada dua titik pengukuran. 5. KESIMPULAN 1. Koreksi-koreksi yang dilakukan adalah koreksi apungan, koreksi lintang, koreksi udara bebas dan koreksi bouger. 2. Dari hasil ini tidak ditemukan adanya patahan, rekahan dan struktur geologi bawah permukaan lainnya karena hanya ada dua titik pengukuran. 6.
SARAN Untuk membantu mewujudkan hasil penelitian yang lebih baik, diharapkan adanya penelitian lebih lanjut mengenai metode gravitasi dan untuk mendapatkan hasil yang lebih baik sebaiknya digunakan metode geofisika lainnya. 7. REFERENSI Blakely, Richard J.,1995. Potential Theory in Gravity and Magnetic Application. New York : Cambridge University Press. Gaol, L. Karit. 2007. Sistem Geodetik Global 1984 (WGS 1984) Dalam Menemukan Nilai Gravitasi Normal . Bandung: Pusat Penelitian Geoteknologi LIPI Bandung. Giancoli, Dugles C.,; Alih bahasa : Imawan, C., Hasan, Y., Danupoyono, S., Irianto, I. D., Santoso, B., dan Raja, S. L., 1997 : FISIKA, Jilid 1, Edisi keempat , Jakarta : Erlangga.
Hadipandoyo, S., 2004. In – House Training Gravity. Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral Pusdiklat Migas Cepu : Blora. Lillie. R. J. 1999. Whole Earth Geophysics : An Introductory Textbook for Geologist and Geophysicist .Prentice-hall.Inc: USA. Telford, W.M.,L.P. 1990. Applied Geophysics Second Edition. Cambridge University Press, USA. Untung, M., 2001. Dasar - Dasar Magnet dan Gayaberat Serta Beberapa Penerapannya (Seri Geofisika).Himpunan Ahli Geofisika Indonesia. Sleep, N.H. and Fujita, K., 1997. Principles of Geophysics. Blackwell Science, Inc : USA.
