Metode Self Potensial
Metode Self Potential (Self Potensial) pertama kali ditemukan pada tahun 1830 oleh Robert Fox dengan menggunakan elektroda tembaga yang dihubungkan ke sebuah galvanometer untuk mendeteksi lapisan coppere sulfida di Carnwall (Inggris). Metode self potensial selama ini dimanfaatkan sebagai secondary tool dalam eksplorasi logam dasar khususnya untuk mendeteksi adanya bijih sulfida dan pada dekade terakhir metode Self Potensial banyak digunakan untuk meneliti air tanah, panas bumi, dan untuk membantu pendeteksian patahan dekat permukaan. Suatu proses mekanik yang menghasilkan potensial elektrolisis, terdiri dari tiga elektrokimia yang terdiri dari potensial liquid-junction, potensial shale dan potensial mineralisasi yang merupakan suatu proses yang menjelaskan mekanisme dari Self Potensial (Reynolds, 1997). Metode Self potential (SP) potential (SP) adalah metode pasif, karena pengukurannya dilakukan tanpa menginjeksikan arus listrik lewat permukaan tanah, perbedaan potensial alami tanah diukur melalui dua titik dipermukaan tanah. Potensial yang dapat diukur berkisar antar beberapa millivolt (mV) hingga 1 volt. Self potensial adalah potensial adalah potensial spontan yang ada di permukaan bumi yang diakibatkan oleh adanya proses mekanis ataupun oleh proses elektrokimia yang di kontrol oleh air tanah. Proses mekanis akan menghasilkan potensial elektrokinetik sedangkan proses
kimia
akan
menimbulkan
potensial
elektrokimia
(potensial liquid-junction, liquid-junction,
potensial nernst) dan potensial mineralisasi. (Hendrajaya, 1988) Self Potential umumnya berhubungan dengan perlapisan tubuh mineral sulfide (weathering of sulphide mineral body). body). Aktivitas elektrokimia dan mekanik adalah penyebab dari Self Potential (SP) di permukaan bumi. Salah satu faktor 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 8
yang berhubungan ke multimeter yang memiliki impedansi input lebih besar dari 10 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 bumi atau 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) elektromkimia, aktivitas geothermal dan bioelektrik oleh tumbuh-tumbuhan (vegetasi). (Suhanto,2005)
Metode Self potential (SP) potential (SP) adalah metode pasif, karena pengukurannya dilakukan tanpa menginjeksikan arus listrik lewat permukaan tanah, perbedaan potensial alami tanah diukur melalui dua titik dipermukaan tanah. Potensial yang dapat diukur berkisar antar beberapa millivolt (mV) hingga 1 volt. Self potensial adalah potensial adalah potensial spontan yang ada di permukaan bumi yang diakibatkan oleh adanya proses mekanis ataupun oleh proses elektrokimia yang di kontrol oleh air tanah. Proses mekanis akan menghasilkan potensial elektrokinetik sedangkan proses
kimia
akan
menimbulkan
potensial
elektrokimia
(potensial liquid-junction, liquid-junction,
potensial nernst) dan potensial mineralisasi. Komponen rekaman data potensial diri yang diperoleh dari lapangan merupakan gabungan dari tiga komponen dengan panjang gelombang yang berbeda, yaitu efek topografi ( TE) TE) ), SP noise (SPN ) dan SP sisa (SPR). Metode potensial diri (SP) merupakan salah satu metode geofisika yang prinsip kerjanya adalah mengukur tegangan statis alam ( static static natural voltage natural voltage)) yang berada di kelompok titik titik di permukaan tanah. Potensial diri umumnya berhubungan dengan perlapisan tubuh mineral sulfide (weathering of sulphide mineral body), body), perubahan dalam sifat-sifat batuan (kandungan mineral) pada daerah kontak - kontak geologi, aktifitas bioelektrik dari material organik, korosi, perbedaan suhu dan tekanan dalam fluida di bawah permukaan dan fenomena-fenomena alam lainnya. Prinsip dasar dari metode potensial diri adalah pengukuran tegangan statis alam (Static (Static Natural Voltage) Voltage) pada permukaan tanah. Orang yang pertama kali menggunakan metode ini adalah untuk menentukan daerah yang mengandung mineral logam.
Perbedaan potensial dihasilkan di dalam bumi atau 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 potensial di bawah permukaan bumi yang mana dipetakan untuk mengetahui informasi di bawah permukaan, self potensial dapat dihasilkan oleh perbedaan mineralisasi, reaksi (kegiatan) elektromkimia, aktivitas geothermal dan bioelektrik oleh tumbuh-tumbuhan (vegetasi). Telford, Geldart and Sheriff (1990) membuat formula tentang persamaan untuk perbedaan potensial. Umumnya metode SP (self potensial) adalah metode yang diinterpretasikan secara kualitatif dan bukan metode yang berusaha untuk mengkalkulasi berapa ukuran anomali dari suatu benda penyebab anomali, karena tidak diketahui bentuk dari benda tersebut, densitas atau konsentrasinya dari beragam massa dan elektrikal propertisnya.
Mengenali sumber yang menyebabkan terjadinya perbedaan potensial adalah sangat penting untuk mengurangi (eliminate) noise. Pengolahan data biasanya dilakukan dengan membuat peta potensial antara an tara base/reference base/ref erence elektroda dan d an potensial po tensial elektroda elektrod a berjalan. be rjalan. Aliran gas dan d an fluida di dalam pipa, bocoran dari suatu reservoir didalam suatu pondasi DAM akan menyebabkan suatu perbedaan potensial juga.
Jadi, kenali dulu target apa yang akan diukur menggunaka metode SP (Self Potensial) ini. Prosedur dan Peralatan : Penelitian menggunakan metode SP sangat simple dan praktis yaitu hanya ada base elektroda dan elektroda rover (elektroda yang berjalan) sepanjang lintasan. Alat yang diperlukan berupa elektroda, kabel dan milivolt (multimeter).
(1)Elektroda Non-Polarisasi. Elektroda yang digunakan dalam penelitian metode SP harus elektroda yang kontak dengan tanah tak berpolarisasi atau non polarisasi. Porous pots adalah elektroda logam yang digantung di dalam larutan super jenuh (seperti Tembaga di dalam larutan copper sulfate / CuSO4) di dalam tempat yang porous. Elektroda porous pots menghasilkan kontak potensial elektrolitik yang sangat rendah seperti potensial di bawah permukaan yang kecil juga. Model porous pots yang terbuat dari porcelain yang bagus akan menghidari evaporasi dari larutan garam di dalamnya.
Porous pots yang digunakan harus tertutup karena agar menjaga larutan didalamnya tetap dalam keadaan jenuh untuk waktu lebih dari seminggu, bahkan dalam keadaan kering. Untuk pengisian kembali larutan CuSO4 harus dilakukan sehari sebelum dilakukannya pengukuran hal ini dikarenakan kemungkinan perubahan potensial selama pengukuran dilakukan. Dan salah satu tips yang berguna dalam pengisian ulang porous pot ketika telah digunakan adalah mencampur larutan sisa CuSo4 yang lama dengan larutan CuSO4 yang baru kemudian dilarutkan menjadi satu larutan CuSO4 yang baru. Elektroda pengukuran dilapangan untuk satu set pengukuran harus sama, tidak boleh digantikan selama pengukuran. Pots untuk base station selalu ukurannya lebih besar karena untuk menjamin kontak elektrikal yang konstan terhadap waktu dalam pengukuran. Elektroda (pots) yang berjalan ukurannya lebih kecil dari da ri dari pots base station. Elektroda dari bahan tembaga selalu digunakan dalam porous pot karena merupakan elektroda yang non polarisasi. Sedangkan elektroda dari bahan steel harus dihindari dalam pengukuran SP karena kontak potensial yang cukup tinggi dan error yang besar akan mungkin berkembang jika pada pengukuran SP elektroda yang digunakan adalah dari bahan stainless steel (Corwin, 1989).
(2)Milivolt meter Milivoltmeter yang harganya tidak terlalu mahal dapat digunakan untuk pengukuran metode Self Potensial ini dimana alat milivoltmeter yang digunakan harus mampu membaca nilai potensial dalam range milivolt. Background potensial untuk suatu penelitian metode SP adalah 10 mV. Nilai potensial yang terbaca juga mungkin bisa melebihi 1.0 V dan ini terjadi pada kedalaman dangkal atau pengukuran lubang bor dengan sumber yang besar. (3)Interpretasi Interpretasi untuk metode Self Potensial umumnya dilakukan secara kualitatif dimana mengevaluasi profil amplitude atau grid kontur. Suatu sumber aliran di bawah permukaan menghasilkan suatu potensial, aliran fluida di bawah permukaan akan menghasilkan pola potensial yang relative negatif.
1. PENDAHULUAN
Metoda self-potential (SP) adalah merupakan metoda eksplorasi sumber daya alam (SDA) yang digunakan dalam geofisika. Metoda potensial diri (SP) yang juga dikenal dengan natural potential (NP) adalah salah satu metoda dalam metoda geolistrik. Ada beberapa SDA yang telah berhasil dieksplorasi dengan metoda SP. Sebagai contoh, adalah eksplorasi geotermal, eksplorasi mineral, geokimia, hydrobiological , survei lingkungan dan lain-lain. Akhir-akhir ini metoda SP banyak dikembangkan untuk eksplorasi air tanah atau groundwater atau groundwater . Salah satu potensial alami (natural (natural potential ) atau self-potential (SP) adalah potensial elektrokinetik yang biasa juga disebut streaming potential . Mekanisme yang terjadi sehingga muncul potensial elektrokinetik adalah berkaitan dengan perembesan air dalam medium berpori. Oleh karena itu, potensial elektrokinetik dapat digunakan untuk eksplorasi perembesan air tanah (groundwater). Eksplorasi air tanah dengan potensial elektrokinetik adalah merupakan teknik yang baru dalam geofisika (Kim, dkk., 2004). Ada beberapa penelitian yang telah dilakukan tentang potensial elektrokinetik yang muncul karena aliran fluida dalam medium berpori. Diantaranya adalah, aplikasi SP dalam ” geotechnical engineering” untuk studi perembesan air tanah (Moore, 2004). Studi SP untuk mengidentifikasi karakteristik aliran fluida (Nurhandoko dan Ahmad, 2001). Studi SP pengukuran laboratorium potensial elektrokinetik dari aliran fluida melalui medium berpori (Syahruddin et. al., 2007). Makalah ini membahas penerapan metoda
self-potensial untuk mendeteksi aliran air dalam medium pori. Metode yang dilakukan untuk mendeteksi adanya aliran air dalam medium berpori dengan SP adalah melakukan pemodelan fisik di Laboratorium. Model fisik yang dibuat berbentuk kotak (sandbox) untuk mengukur SP mengukur SP dipermukaan. Bentuk sandbox dapat dilihat pada Gambar 1. Cara kerja alat pada Gambar 1 adalah air dalirkan melalui medium pasir kemudian diukur SP diukur SP di permukaan setelah aliran air dianggap telah tunak. Hasil pengukuran SP dipermuaan dapat memberikan gambaran bagaimana aliran air mengalir di bawah permukaan.
2. METODE PENELITIAN 2.1 Teori
Self Potensial (SP) yang dibangkitkan oleh aliran air dalam medium berpori yang dikenal dengan potensial elektrokinetik. Persamaan potensial elektrokinetik telah dikemukakan oleh Overbeek (Fargelund & Heinson, 2002). Arus listrik konvektif per satuan luas, i
conv, conv,
dalam pori-
pori adalah diberikan sebagai berikut:
Dimana ζ adalah ζ adalah potential antara layer + and (yaitu solid and liquid phases), ε adalah konstanta r
dielektrik relatif cairan (liquid) ε adalah konstanta dielektrik ruang hampa, η adalah viscosity o
-1 -1
dari fluida (ML T ),
∇ P adalah n
-1 -2
gradien perbedaan tekanan (ML T ). Sebagai konsekuensi
dari arus listrik konveksi, gradien potensial listrik (streaming potential) dibangkitkan sepanjang lintasan aliran. Gradien potensial penyebab arus aliran balik melalui cairan secara konduksi konduksi. Arus konduksi per satuan luas, i
cond,
yang berlawanan adalah diberikan oleh hukum
Ohm:
2 3
-1 -2
Dimana σ adalah conductivity dari fluida (I T M L ), dan ∇ V gradien V gradien potential elektrokinetik w
n
(mV) normal. Keberadaan arus internal dan eksternal maka arus total adalah jumlah arus konvektif dan arus konduktif, i
tot
= i
conv
+ i
cond
. Untuk kondisi tunak produksi arus konvektif
aliran fluida diimbangi oleh arus balik konduktif i
cond
=-i
conv
karena arus total sama dengan nol.
Hasil kombinasi persamaan (1) dan (2) adalah hubungan proporsional antara diketahui sebagai persamaan Helmholz-Smoluchovsky:
Dimana C adalah koefisien streaming potensial. s
∇
V dan V dan
n
P yang ∇ P yang n
Air akan mengalir jika terdapat perbedaan tinggi muka air “h ydraulic head”. Menurut hukum Darcy kecepatan aliran air dalam medium sebanding dengan gradient hidrolik. Gradien selisih ketinggian air dibandingkan dengan jarak antara dua titik disebut gradient hidrolik ∇ H . Karena 3
2
itu, P=ρgH itu, P=ρgH , dimana ρ dimana ρ adalah densitas dari fluida ( kg/m ), g ), g konstanta konstanta gravitasi (9.81 m/s ) dan H adalah H adalah ketinggian fluida air atau hydraulic head , persamaan (1) dapat ditulis kembali sebagai berikut:
Dimana ζ adalah ζ adalah zeta-potensial, ε adalah konstanta dielektrik relative cairan, ε adalah konstanta r
0
dielektrik dalam ruang vakum, η adalah viskositas fluida. Selanjutnya, besaran C yang C yang baru ini, didefinisikan sebagai konstanta konduktivitas elektrohidrolik. Persamaan (3). Persamaan (3) dikenal pula dengan persamaan Helmoltz-Smoluchowski (Fargelund & Heinson, 2002).
2.2 Geometri Pemodelan Fisik
Bentuk dan ukuran medium berpori yang menjadi tinjauan pemodelan fisik untuk mengetahui distribusi potensial elektrokinetik atau SP di permukaan. Alat pemodelan fisik dapat dilihat dalam Gambar 1. Sebagai gambaran, di bagian kiri sebagai sumber air yang dirembeskan masuk ke dalam medium (input (input ) dan keluar di sebelah kanan (output (output ). ).
Ukuran penampang sandbox tersebut adalah pajang 70 cm, tinggi 50 cm dan lebar 50 cm. Demikian pula, sumber air yang merembes mempunyai kedalaman 50 cm sehingga nilai hidrolis head bervariasi dari 0 sampai 50 cm. Lintasan pengukuran SP di permukaan terdiri dari empat lintasan. Lintasan pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2. Spasi elektroda yang digunakan dalam setiap lintasan adalah sama yaitu 10 cm, 20 cm, 40 cm, dan 60 cm.
Gambar 2 Lintasan pengukuran SP permukaan
Percobaan yang dilakukan terdiri dua kategori. Kategori pertama , diberikan hidrolis head (h) sebesar 7 cm dan kategori kedua, diberikah hidrolis head 20 cm. Kedua kategori percobaan dapat dilihat dalam sketsa Gambar 3 dan Gambar 4. Harga K dan nilai C dari sampel medium pori yang digunakan telah diketahui dari hasil eksperimen (Syahruddin, 2007). Nilai K yang digunakan 0,1681 cm/s, sedangkan nilai C adalah 0,0596 mV.cm. Air yang merembes masuk ke dalam tanah yang masuk pada titik tertentu akan menempuh suatu jalan tertentu. Jalan ini disebut garis aliran ( flow line atau stream line). line). Garis-garis pressure head disebut garis “equipotensial ” atau equipotensial lines. lines. Garis equipotensial tegaklurus equipotensial tegaklurus terhadap garis aliran.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hidrolis Head 10 Centimeter
Sketsa medium pori dan tempat pengukuran SP di permukaan untuk hidrolis head 10 cm dan 30 cm dapat dilihat dalam Gambar 3 dan Gambar 6. Hasil pengukuran anomali SP pemodelan secara fisik dapat dilihat dalam Gambar 4. Berdasarkan kontur garis equipotensial dari distribusi anomali SP di permukaan nampak jelas bahwa anomali SP semakin mengecil jika semakin jauh dari sumber. Anomali SP yang menurun dapat ditunjukkan dari kerapatan kontur. Jika kerapatan kontur besar maka nilai anomali SP juga besar. Dapat diinterpretasikan bahwa penurunan anomali SP disebabkan karena penurunan energi air atau turunnya tekanan hidrolis head yang masuk ke dalam medium pori.
Gambar 3 Sketsa pengukuran SP hidrolis head 10 cm
Aliran air yang masuk ke dalam medium pori mengikutu besarnya energi air. Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa daerah yang energi airnya besar maka aliran air akan dominan di daerah itu. Dengan demikian, dapat diketahui bahwa vektor aliran air bersesuaian dengan tekanan hidrolis head atau arah aliran (sreamline) tegaklurus dengan kontur anomali SP.
Gambar 4 Kontur distribusi SP hasil pengukuran hidrolis head 10 cm dan arah aliran air
Sedangkan hasil pengukuran SP Penampang A-B atau lintasan tengah untuk sapasi elektroda 10 cm, 20 cm, 40 cm dan 60 cm dapat dilihat pada Gambar 5. Spasi elektroda 10 cm diperoleh 6 titik pengukuran SP. Spasi elektroda 20 cm diperoleh 4 titik pengukuran SP. Spasi elektroda 40 cm dan 60 cm masing-masing diperoleh hanya satu titik pengukuran SP. Grafik antara SP dengan jarak x pada penampang A-B untuk hidrolis head 10 cm menunjukkan bahwa anomali SP semakin besar jika spasi elektroda semakin besar. Dapat diketahui bahwa naiknya anomali SP terhadap perubahan spasi elektroda yang semakin besar karena potensial elekrokinetik terbangkitkan sepanjang lintasan yang dilalui aliran air dalam medium pori itu.
Gambar 5 Grafik SP hasil pengukuran penampang tengah A-B hidrolis head 10 cm
4.2 Hidrolis Head 30 Centimeter
Prosedur percobaan pengukuran SP permukaan model fisik untuk hidrolis head sebesar 30 cm sama dengan prosedur percobaan yang dilakukan pada hidrolis head 10 cm. Perulangan percobaan untuk hidrolis head 30 cm dimaksudkan untuk melihat apakah mempunyai kecenderungan yang sama. Sketsa pengukuran SP hidrolis head 30 cm dapat dilihat pada Gambar 6. Hasil pengukuran SP hidrolis head 30 cm untuk spasi elektroda 10 cm dapat dilihat dalam Gambar 7 dan hasil pengukuran SP lintasan tengah (penampang A-B) untuk hidrolis head 30 cm untuk masing-masing spasi elektroda dapat dilihat dalam Gambar 8.
Gambar 6 Sketsa pengukuran SP hidrolis head 30 cm
Distribusi potensial elektrokinetik atau anomali SP pada Gambar 7 dan dan hasil pengukuran SP lintasan tengah (penampang A-B) unutk hidrolis head 30 cm untuk masing-masing spasi elektroda pada Gambar 8 menunjukkan bahwa telah mempunyai kecenderungan yang sama. Oleh karena itu, apa yang telah diinterpretasikan untuk hidrolis head 10 cm dapat diberlakukan untuk hidrolis head 30 cm.
Gambar 7 Kontur distribusi SP hasil pengukuran hidrolis head 30 cm dan arah aliran air
Gambar 8 Grafik SP hasil pengukuran penampang tengah A-B hidrolis head 30 cm
4.3 Hasil Pengukuran di Lapangan
Sebagai contoh data, telah dilakukan pengukuran SP di daerah Palalangon Bandung pada bulan April-Mei 2008. Hasil pengukuran tersebut dapat dilihat pada Gambar 1. Luas daerah yang 2
disurvei adalah 55 x 40 m derngan spasi elektroda 5m. Dari Gambar 9 dapat ditunjukkan bahwa air mengalir dari daerah yang tinggi ke daerah yang rendah kemudian masuk ke dalam rekahan (dari arah sumbu y = 6 ke arah sepanjang sumbu x) dan keluar melalaui mata air.
Gambar 9 Kontur distribusi SP hasil pengukuran lapangan dan arah aliran air
5. KESIMPULAN
1. Respon anomali SP yang terukur dipermukaan menunjukkan bahwa anomali self-potensial semakin besar apabila semakin dekat dengan sumber air yang mesuk kedalam medium pori. 2. Self-potensial yang terukur dipermukaan akan berubah terhadap perubahan spasi elektroda. Jika semakin besar jika spasi elektroda maka anomali SP akan semakin besar. 3. Vektor aliran air yang masuk ke dalam medium pori adalah mengikuti anomali self-potensial yang yang terukur. Semakin besar anomali SP maka aliran air di lokasi itu semakin besar.
