KEMENTERIAN RISET, TEKNOLOGI DAN PENDIDIKAN TINGGI PROGRAM STUDI GEOFISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS GADJAH MADA
FISIKA GUNUNG API MONITORING GUNUNG API MENGGUNAKAN METODE SUHU DAN SELF POTENSIAL
DISUSUN OLEH : MUHAMMAD FAKHRIY H
12/316732/PA/13859
ACHMAD AINUR ROFIQ
12/317227/PA/14271
RAYSITA GALUH D. J
12/334650/PA/14883
RIYA RESA FAUSI
12/334736/PA/14968
DITYA YUIKA M. S
12/336401/PA/15087
TORIHIN
12/331590/PA/14782
AFTA HANIFAN Z
12/334673/PA/14906
RANDY ACHMAD S
12/331022/PA/14426
YOGYAKARTA NOVEMBER 2015
I. PENDAHULUAN ATAU LATAR BELAKANG METODE SUHU
Perkembangan mengenai ilmu kebumian semakin lama semakin canggih. Dalam dunia geofisika, instumentasi atau alat-alat untuk mendeteksi keadaan dari bawah permukaan bumi semakin lama seamkin berkembang. Instrumentasi Geofisika tersebut bermaksud untuk memahami lebih dalam mengenai teori dan aplikasi dalam kehidupan sehari-hari sehingga alat yang dibentuk semakin lama semakin mudah (pengukurannya instan). Dimulai pada tahun 1821, seorang fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeck menemukan bahwa hanya dengan menggunakan sebuah logam dapat menunjukkan perbedaan panas secara gradien dan akan menghasilkan tegangan listrik. Fenomena ini disebut sebagai efek termoelektrik atau saati ini dikenal sebagai metode pengukuran suhu. Metode pengukuran suhu dimana metode tersebut merupakan metode yang digunakan dalam Geofisika dengan menggunakan instrumen yang disebut Termokopel. Instrumen tersebut berfungsi untuk mengkonversi suhu menjadi GGL atau gaya gerak listrik. Untuk aplikasi yang lebih sederhananya dilapangan, pengukuran suhu hanya berfokus pada pencarian suhu relatif dari dalam bumi dengan cara memasang sensor suhu kemudian dicatat nilai yang keluar pada alat. Metode pengukuran suhu sangatlah sederhana, hanya menggunakan termokopel saja, dimana termokopel sendiri merupakan sensor suhu yang banyak digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltase). Termokopel yang sederhana memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas ke salahan pengukuran kurang dari 1°C. Metode suhu dapat digunakan untuk monitoring aktifitas termal pada bawah permukaan bumi. Walaupun terkesan sederhana akantetapi diperlukan pemahaman konsep dasar suhu yang baik serta informasi mengenai keadaan alat sehingga hal-hal yang tidak diinginkan dalam melakukan pengukuran dilapangan dapat dihindari atau diantisipasi. Atas dasar tersebut pengukuran menggunakan metode suhu menjadi suatu hal yang penting bagi seorang geofisikawan. II. Dasar Teori Pengukuran Suhu
Dalam pengamatan suhu, memiliki kaitan dengan panas karena suhu adalah derajat panas. Panas permukaan dan aktivitas panas bawah permukaan menjadi kontrol utama dalam
kegiatan monitoring dan pendugaan pendinginan dinamis, seperti permukaan yang disebabkan oleh aktivitas magma. Pengukuran dapat memberikan informasi penting mengenai bawah permukaan melalui variasi tipe anomali panas yang dapat memberikan informasi terkait kondisi suhu gunung api tersebut. Dalam pengukuran suhu gunung api, terdapat banyak hal yang harus dihindari a) pengaruh radiasi matahari langsung dan pantulannya oleh benda-benda sekitar, b) gangguan tetesan air hujan, c) tiupan angin yang terlalu kuat, dan d) pengaruh lokal gradient suhu tanah akibat pemanasan dan pendinginan permukaan tanah setempat. Konduktivitas atau keterhantaran termal, k, adalah suatu besaran intensif bahan yang menunjukkan kemampuannya untuk menghantarkan panas. Konduksi termal adalah suatu fenomena transport di manaperbedaan temperatur menyebabakan transfer energi termal dari satu daerah benda panas ke daerah yang sama pada temperatur yang lebih rendah. Panas yang di transfer dari satu titik ke titik lain melalui salah satu dari tiga metoda yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. konduktivitas termal = laju aliran panas × jarak / ( luas × perbedaan suhu )
Besaran ini didefinisikan sebagai panas, Q, yang dihantarkan selama waktu t melaui ketebalan L, dengan arah normal ke permukaan dengan luas A yang disebabkan oleh perbedaan suhu ΔT dalam kondisi tunak dan jika perpindahan panas hanya tergantung dengan perbedaan suhu tersebut. III. Akuisisi Dan Design Survey
Tujuan dari pengukuran dengan metode suhu -
Mengetahui fluktuasi suhu yang diukur pada tiap kedalaman tertentu
-
Mengetahui korelasi antara suhu di atas permukaan dengan suhu di bawah permukaan.
-
Mengetahui nilai dan difusivitas panas maksimum medium yang diukur. Alat Yang Digunakan untuk monitoring suhu
-
Alat Penggali
-
Sensor LM 35
-
Baterai 9 volt
-
DVM
-
Termometer air raksa
-
Alat Tulis
-
Tenda
Prinsip Kerja Alat Ukur Suhu Alat ukur yang digunakan yaitu sensor LM 35, alat ini mempuyai panjang 200 cm yang terdiri atas 5 sensor masing-masing terletak pada jarak 0 cm, 50 cm, 100 cm, 150 cm, dan 200 cm. Hasil pengukuran pada masing-masing sensor adalah T1, T2, T3, T4 dan T5 dalam satuan milivolt. Jarak antar sensor diberi lilin sehingga dapat berfungsi sebagai isolator sekaligus penyekat.
Gambar Sensor LM 35 untuk pengukuran metode suhu
Metode Pengumpulan Data Berdasarkan cara pengukurannya, monitoring dengan metode ini dapat dilakukan dengan dua acara, yakni secara langsung atau in situ dan secara tidak langsung yakni remote atau ex situ melalui citra satelit dengan penjelasan sebagai berikut. 1.
Monitoring secara In Situ Pengukuran secara langsung terhadap objek pengukuran, contohnya adalah pengukuran
gradien geothermal dengan menggunakan sensor suhu berdasarkan pada fungsi kedalaman.
Tujuan dari pengukuran ini adalah untuk mengetahui variasi suhu terhadap fungsi kedalaman. Dalam aktifitas vulkanis, kenaikan magma ke permukaan ditandai dengan meningkatnya nilai gradient geothermal di setiap kedalaman. Salah satu contoh pengukuran yang dilakukan adalah menggunakan sensor LM 35 dengan sistem instrumen yang memiliki faktor skala 10 mV/C dan konstanta suhu awal 200 mV untuk mengukur suhu di dalam tanah. Untuk mengukur suhu di permukaan digunakan termometer air raksa. Sampling pengukuran yang dilakukan setiap 10 menit selama 2 x 24 jam. Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh suhu luar terhadap suhu yang terukur di sensor pada tiap kedalaman. Untuk melihat nilai suhunya dengan menggunakan Digital Voltmeter (DVM). Data yang terbaca ini kemudian dikonversikan ke dalam C, setelah sebelumnya ditambahkan atau dikurangkan dengan data hasil kalibrasi alat. Adapun nilai suhu terukur dapat dinyatakan dengan :
dimana t adalah suhu terukur (dalam C) dan T adalah suhu terukur (dalam mV).
Salah satu contoh hasil dari pengukuran ini adalah persebaran gradien geothermal pada suatu peta isothermal seperti peta isothermal dalam kedalaman 1 meter. Monitoring secara Remote / Ex situ
Monitoring ini berupa pemetaan aliran fluida panas dengan bantuan citra satelit yang dilengkapi dengan radiometer untuk menghasilkan peta radiasi real time.
Dari peta radiasi real time tersebut, dapat diamati persebaran panas menjelang dan pasca erupsi dimana didapatkan suatu pola pengumpulan titik panas yang terpusat yakni pada pusat erupsi, seperti pada peta radiasi di pada saat menjelang dan pasca erupsi Gunung Etna sebagai berikut.
IV.
ANALISA DATA PENGUKURAN SUHU Dalam pengolahan data hasil pengukuran Suhu dilakukan beberapa langkah sebagai
berikut :
1. Sensor Suhu yang terpasang dan dihubungkan dengan Digital Voltmeter akan menghasilkan output dalam satuan Volt. Kemudian nilai yang didapatkan dari pembacaan DVM dikonversi ke skala bacaan . 2. Nilai hasil konversi dicari nilai rata- ratanya. Kemudian seluruh seluruh nilai hasil konversi tersebut, dikurangkan terhadap nilai rata- rata.
….
3. Nilai hasil pengurangan dengan rata- rata keseluruhan kemudian dicari nilai maksimum, minimum, amplitude (selisih maksimum dan minimum) dan ln amplitude. 4. Dicari nilai skin depth dari plot grafik Amplitudo vs Jarak Sensor. Dari persamaan eksponensial grafik tersebut, dicari nilai Skin Depth sebagai fungsi x sebagai berikut.
5. Dicari nilai Gradien Geothermal dari plot grafik LN Amplitudo vs Jarak Sensor. Dari persamaan eksponensial grafik tersebut, dicari nilai Gradien Geothermal sebagai fungsi x sebagai berikut.
I.
PENDAHULUAN ATAU LATAR BELAKANG METODE SP
Pada zaman modern saa tini, segala macam hal yang bernuansa instan dan mudah menjadi alternatif yang dipilih oleh banyak masyarakat terkait dengan apapun, baik dalam hal makanan, cara berpakaian, kehidupan sehari-hari, bahkan dalam melakukan penelitian sekalipun. Banyak masyarakat berfikir bahwa untuk melakukan penelitian, khususnya yang bersangkutan dengan kebumian, akan membutuhkan usaha dan cost yang tinggi dalam pelaksanaannya. Namun hal tersebut telah dibantahkan oleh Robert Fox pada tahun 1830 yang telah melakukan serangkaian percobaan hanya menggunakan elektroda tembaga yang dihubungkan ke sebuah galvanometer untuk mendeteksi lapisan copperesulfida di Carnwall (Inggris). Metode yang dilakukan oleh Robert Fox pada permukaan bumi ini kini dikenal dengan sebutan Metode Self Potential. Metode SP (Self Potential) merupakan salah satu metode geolistrik untuk mencari perbedaan potensial dari dalam bumi. Potensial tersebut merupakan potensial alami yang dihasilkan dari bumi atau bawah permukaan bumi itu sendiri, sehingga dapat dikatakan bahwa metode SP merupakan metode pasif atau metode yang pengukurannya dilakukan tanpa menginjeksikan arus listrik lewat permukaan tanah dan perbedaan potensial alami tanahnya diukur melalui dua titik di permukaan tanah menggunakan porous pot . Potensial alami dari tanah diakibatkan oleh adanya proses mekanis ataupun proses elektrokimia yang di control oleh air tanah. Proses mekanis tersebut akan menghasilkan potensial elektrokinetik sedangkan proses kimia akan menimbulkan potensial elektrokimia (potensial liquid-junction, potensial nerst ) dan potensial mineralisasi. (Hendrajaya, 1988). Pengukuran Self Potential sangatlah sederhana, hanya menggunakan elektroda non-polar yang dihubungkan pada multimeter yang memiliki impedansi input lebih besar dari 108 ohm sehingga dapat digunakan untuk mengukur beda potensial dalam jangkauan mili-volt atau kurang lebih 1mV. Elektroda tersebut dibuat sedemikian rupa sehingga bagian bawah bersifat porous dan di dalamnya diberikan cairan elektrolit guna berfungsi sebagai kontak antara permukaan tanah yang akan diukur dengan elektroda tembaganya. Metode SP sering dimanfaatkan sebagai secondary tool ketika eksplorasi logam dasar khususnya untuk mendeteksi adanya bijih sulfida, air tanah, panas bumi, dan untuk membantu pendeteksian patahan dekat permukaan. Walaupun sederhana akan tetapi banyak sekali aplikasi
yang dapat digunakan menggunakan metode SP, oleh karena itu pengetahuan mengenai metode SP sangatlah diperlukan. II.
DasarTeoriPengukuran Self Potensial
Tujuan monitoring Self Potential gunungapi adalah memetakan fitur structural dan hydrothermal dan memantau perubahan dalam system hydrothermal akibat vulkanik. MetodeSelf Potential digunakan untuk pemetaan dan monitoring zona dimana fluida berinteraksi dengan zona magmatik (Zlotnicki and Nishida, 2003). Anomali disekitar kawah, dome dan zona patahan akan memiliki anomali SP yang besar. Metode self potensial selama ini dimanfaatkan untuk meneliti air tanah, panas bumi, dan untuk membantu pendeteksian patahan dekat permukaan. Metode Self potential (SP) adalah metode pasif, karena pengukurannya dilakukan tanpa menginjeksikan arus listrik lewat permukaan tanah, perbedaan potensial alami tanah diukur melalui dua titik di permukaan tanah. Potensial yang dapat diukur berkisar antar beberapa millivolt (mV) hingga 1 volt. Self potensial adalah potensial spontan yang ada di permukaan bumi yang diakibatkan oleh adanya proses mekanis ataupun oleh proses elektrokimia yang di control oleh air tanah. Proses mekanis akan menghasilkan potensial elektrokinetik sedangkan proses kimia akan menimbulkan potensial elektrokimia (potensial liquid-junction, potensial nernst) dan potensial mineralisasi. (Hendrajaya, 1988) Aktivitas elektrokimia dan mekanik adalah penyebab dari Self Potential (SP) di permukaan bumi. Salah satu factor pengontrol dalam proses ini adalah air tanah. Potensial ini juga berhubungan erat dengan pelapukan yang terjadi pada mineral, variasi sifat batuan, aktivitas biolistrik dari material organik, korosi, perbedaan suhu dan tekanan dalam fluida di bawah permukaan dan fenomena-fenomena alam lainnya (Telford,1990). Pengukuran Self Potential sangatlah sederhana, hanya menggunakan elektroda non-polar yang berhubungan ke multimeter yang memiliki impedansi input lebih besar dari 108 ohm, digunakan untuk mengukur dalam jangkauan mili-volt yaitu kurang lebih 1mV. Elektroda dibuat sedemikian rupa sehingga bagian bawah bersifat porous yang di dalamnya diberi cairan elektrolit, yang berfungsi sebagai kontak antara permukaan tanah yang akan diukur dengan elektroda tembaganya. Bentuk penampang melintang dari elektroda non-polarnya (John, 2004). Perbedaan potensial dihasilkan di dalam bumiatau di dalam batuan yang teralterasi oleh kegiatan manusia maupun alam. Potensial alami terjadi akibat ketidaksamaan atau perbedaan material-material, dekat larutan elektrolit dengan perbedaan konsentrasi dan karena aliran fluida
di bawah permukaan. Hal lain yang mengakibatkan terjadinya Self Potential di bawah permukaan bumi yang mana dipetakan untuk mengetahui informasi di bawah permukaan, Self Potential dapat dihasilkan oleh perbedaan mineralisasi, reaksi (kegiatan) elektrokimia, aktivitas geothermal dan bioelektrik oleh tumbuh-tumbuhan (vegetasi) (Suhanto, 2005). Ada 3 mekanisme mengkonduksi listrik ke bawah permukaan, yaitu elektrokimia, thermoelektrik, dan potensial elektrokinetik. Potensial elektrokinetik terbentuk akibat gerakan elektrolit melalui celah atau kapiler. Potensial diukur sepenjang kapiler tersebut. Potensial yang dihasilkan adalah elektrokinetik, elektrokimia dan streaming potensial Elektrokinetik
Dimana : ԑ, dan adalah konstanta dielektrik, resitivitas, dan dinamik viskositas dari tanggapan elektrolit, P adalah perbedaan tekanan, dan CE adalah koefisien kopling dari elektrofiltrasi. Menurut hokum Helmhotz’s aliran listrik terjadi karena gradient hidrolik dan kuantitas yang dikenal dengan koefisien kopling elektrofiltrasi (CE) yang mempresentasikan sifat fisis dari kelistrikan dari elketrolit dan dari jaringan melalui medium elektrolit yang terlewati. Potensial cenderung akan meningkat secara positif dengan arah aliran air sebagai muatan listrik yang mengalir pada arah yang berkebalikan. Dengan konsentrasi muatan negative sulit mengalir dan dapat menghasilkan anomali SP pada ketinggian topografi. Potensial elektrokimia bergantung pada temperature dan konsentrasi. Temperatur dan konsentrasi yang tinggi akan membuat nilai potensial membesar. III.
AKUISISI DATA SP A. Tujuan Pengukuran SP - Memetakan fitur struktural dan hidrothermal dan memantau perubahan dalam sistem hidrothermal akibat vulkanik. - Metode Self Potential digunakan untuk pemetaan dan monitoring zona dimana fluida berinteraksi dengan zona magmatik (Zlotnicki and Nishida, 2003). B. Alat Pengukuran SP Secara umum, peralatan yang digunakan pada metoda potensial diri ini terdiri dari elektroda, kabel, dan voltmeter (DVM). Elektroda yang digunakan terbuat seperti
tabung panjang yang diisi dengan larutan CuSO4 dengan porosnya terbuat dari dari tembaga. Tipe lainnya dikenal dengan elektroda Calomel yang diisi oleh KClHgCl2. Voltmeter yang digunakan pada metode ini adalah voltmeter digital, yang bisa menghiung nilai potensial negative.
C. Prinsip Kerja Alat Alat utama yang digunakan dalam pengukuran SP adalah DVM. Pada metode ini DVM memiliki impedansi yang tinggi sehingga pengukuran nilai potensial alami di alam bisa akurat. Beda potensial yang ditimbulkan oleh beberapa sumber dialam akan menimbulkan aliran arus dalam rangakaian pengukuran SP. Dengan impedansi yang tinggi dalam DVM maka aliran arus yang terjadi akan sangat sukar untuk melewati DVM sehingga ketika pengukuran nilai tegangan yang terukur akan sangat mendekati nilai potensial sebenarnya.
D. Metode Pengumpulan Data Pengukuran dengan metode SP cukup sederhana, dua elektroda porous-pot dihubungkan dengan multimeter dengan precisi tinggi dengan input impedansi lebih dari 108 ohms dan kemampuan mengukur hingga ketelitian 1 mV. Tiap elektroda dibuat dari plat tembaga yang berada di dalam larutan jenuh tembaga sulfat yang dapat berhubungan dengan tanah dan menghasilkan listrik. Selain itu, eletroda seng di dalam larutan jenuh seng sulfat atau elektroda perak di dalam larutan jenuh perak klorida, dapat digunakan untuk menggantikan tembaga dan larutan tembaga sulfat.
Terdapat dua teknik pengukuran di lapangan, yaitu metode potensial gradien dan metode potensial amplitude. Metode potensial gradien menggunakan dua elektoda yang terpisah secara tetap dengan jarak 5 m atau 10 m. Hasil pengukuran perbedaan potensial dibagi dengan spasi elektroda menghasilkan potensial gradien. Titik pergukuran adalah titik tengah diantara kedua elektroda tersebut. Kedua elektoda berpindah dari satu titik ke titik lainnya. Pada metode pengukuran ini yang perlu diperhatikan adalah pencatatan polaritas potensial.
Pada metode potensial amplitudo, satu elektroda dibiarkan menjadi titik tetap di base station yang berada diluar daerah mineralisasi dan mengukur perbedaan potensial diantara kedua elektroda. Sedangkan elektroda lainnya selalu berpindah sesuai lintasan pengukuran (leap-froged). Metode ini menghindari problem polaritas dan akumulatif error. Tetapi yang perlu diperhatikan adalah menjaga suhu larutan elektrolit pada elektroda yang berpindah-pindah agar tetap sama dengan suhu pada elektroda di base station. Koefisien suhu untuk tembaga-tembaga sulfat, sekitar 0,5 mV/0C sedangkan untuk elektroda perak klorida sekitar 0,25 mV/0C.
Sumber
:
http://www.pusdiklat-minerba.esdm.go.id/index.php/kerjasama/item/353-metode-
geofisika-potensial-diri-self-potential
IV.
ANALISA DATA SP
Dalam pengolahan data hasil pengukuran SP dilakukan beberapa langkah sebagai berikut: 1. Data yang di dapat di lapangan (berupa mV) dapat disesuaikan dengan konfigurasi yang digunakan (leafrog atau fix base). Hal ini berkaitan dengan perhitungan koreksi data SP yang digunakan. Misalkan menggunakan data Leafrog maka data harus terkoreksi leafrog. 2. Kemudian data SP yang telah terkoreksi di plot dalam grafik. Amplitudo vs Jarak. Grafik amplitude sendiri didapat dari Volt/meter. Dimana dapat diinterpretasikan 2 macam yaitu anomaly yang bernilai negative dan anomaly yang bernilai postif. Seperti contoh:
