PEMETAAN SUNGAI BAWAH PERMUKAAN
DI WILAYAH KARS SEROPAN GUNUNGKIDUL MENGGUNAKAN METODA
GEOFISIKA VLF-EM-vGRAD
Oleh :
1)
A.Syaeful Bahri, S.Si, M.T. 2) Prof.Dr.rer.Nat Bagus Jaya S, 3) Wahyu Sugeng M Program Studi Geofisika, Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Jl.Arif Rachman hakim,Sukolilo-Surabaya (60111),Telp/Fax (031)591 4696 ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian di daerah Seropan Semanu Gunungkidul yang bertujuan mendapatkan respon VLF-EM-vGrad akibat sungai bawah permukaan dari pemodelan. Melakukan interpretasi dari data VLF-EM-vGrad (in-phase, quadrature, tilt, dan t.field) untuk pemetaan aliran sungai bawah permukaan di daerah kars Seropan Gunungkidul yang diinterpretasi secara kualitatif dan kuantitatif. Pengukuran dilakukan pada taggal 14 – 21 bulan agustus 2009. Pemrosesan data menggunakan bahasa komputasi MATLAB 7.0.3 dan Inv2DVLF(Bahri, 2008). Hasil dari penelitian ini adalah nilai Fraser VLF-EM-vGrad akan bernilai positif untuk data : in-phase, total field, dan tilt-angle, dan akan bernilai negatif untuk data quadrature, sungai bawah permukaan Seropan, menyebar dari utara ke selatan dan terdiri dari beberapa sungai bawah permukaan dengan kedalaman berkisar 40-200 meter. Data gradien in-phase dan tilt-angle dapat memetakan lokasi sungai bawah permukaan secara horisontal. Hasil inversi dari program inv2DVLF dapat digunakan untuk menentukan posisi sungai bawah permukaan secara kuantitatif.
Kata kunci : VLF-EM-vGrad, moving average, filter Fraser, Karous-Hjelt
BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Penyediaan air di daerah kars merupakan masalah yang hingga kini belum terselesaikan. Kekeringan selalu menjadi masalah klasik dari tahun ke tahun. Masyarakat secara turun temurun bertahan hidup dengan memanfaatkan air yang diperoleh dari telaga kars, penampungan air hujan (PAH), ataupun dari air tampungan di dasar gua yang sangat terbatas. Padahal aliran sungai bawah permukaan di daerah kars banyak mengandung air, tetapi belum terpetakan dengan baik, baik pengukuran secara langsung maupun dengan metoda geofisika diatas permukaan, khususnya aliran sungai bawah permukaan di daerah kars Seropan Gunungkidul
Metode yang sering digunakan untuk mengetahui anomali aliran sungai bawah permukaan adalah metode VLF-EM biasa tetapi kurang dapat memperlihatkan posisi anomali akibat benda konduktif bawah permukaan dengan jelas karena pengolahan
dan interpretasi data VLF-EM biasanya dilakukan secara kualitatif. Dalam penelitian ini digunakan metode VLF-EM-vGrad dengan melakukan pengukuran 2 ketinggian yang berbeda pada posisi pengukuran yang sama melalui pengolahan data dan interpretasi secara kualitatif dan kuantitatif (Bahri, 2008). 1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan pada penelitian ini adalah Mendapatkan respon VLF-EM-vGrad akibat sungai bawah permukaan dari pemodelan. Melakukan interpretasi dari data VLF-EM-vGrad(in-phase, quadrature, tilt, dan t.field) untuk pemetaan aliran sungai bawah permukaan di daerah kars Seropan Gunungkidul yang diinterpretasi secara kualitatif dan kuantitatif
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah dalam penelitihan ini adalah:
1. Pengambilan data dilakukan di daerah Seropan kabupaten Gunungkidul. 2. Metode yang digunakan adalah VLF-
EM-vGrad dan data yang didapatkan adalah (inphase, quadrature,
tilt-angle, dan total-field).
3. Prosesing data dan proses inversi menggunakan bahasa komputasi MATLAB 7.0.3 dan Inv2DVLF. 4. Interpretasi dilakukan secara
komprehensif dari hasil pemrosesan (filter Fraser dan Karous-Hjelt dalam dua posisi dan data dari inversi vGrad) serta dikontrol dengan data GPS .
BAB II.TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Kars
Kars adalah sebuah bentukan di permukaan bumi yang pada umumnya dicirikan dengan adanya depresi tertutup (closed depression), drainase permukaan, dan goa. Daerah kars terbentuk oleh pelarutan batuan yang terjadi di litologi lain, terutama batuan karbonat lain misalnya dolomit dalam evaporit seperti halnya gips dan halite, dalam silika seperti halnya batu pasir dan kuarsa serta di basalt dan granit dimana ada bagian yang kondisinya cenderung terbentuk goa (favourable). Daerah ini disebut kars asli. Daerah kars dapat juga terbentuk oleh proses cuaca, kegiatan hidrolik, pergerakan tektonik, air dari pencairan salju dan pengosongan batu cair (lava). Karena proses dominan dari kasus tersebut adalah bukan pelarutan, kita dapat memilih untuk penyebutan bentuk lahan yang cocok adalah pseudokars (kars palsu).
Daerah kars memiliki keunikan-keunikan tersendiri yang tidak ada di daerah lain. Sebagai contoh di bawah permukaan kars, sering terdapat goa-goa beserta ornamennya yang begitu eksotis. Goa di sini tidak hanya goa horisontal, namun adapula goa vertikal yang cocok untuk para pecinta caving.
2.2 Sungai Bawah Permukaan
Di kawasan kars banyak dijumpai goa dan sungai bawah permukaan yang juga menjadi pemasok ketersediaan air permukaan yang sangat dibutuhkan oleh kawasan yang berada di bawahnya dan dalam perkembangannya sungai bawah permukaan juga dapat digunakan untuk pembangkit listrik tenaga mikrohidro.
Gambar 1 Fenomena sungai bawah permukaan.
Pada fenomena bawah permukaan sering kali kita jumpai adanya aliran sungai bawah permukaan yang mengalir seperti halnya sungai-sungai yang ada di permukaan bumi. Aliran sungai tersebut bisa berasal dari luar gua dimana air permukaan yang berada di luar goa masuk kedalam swallow hole (mulut telan) dan muncul lagi di tempat yang lain bahkan biasanya sangat jauh dari lokasi swallow hole. Tempat keluarnya aliran sungai bawah permukaan di kawasan kars disebut resurgence atau kars spring. Jika kita interpretasi melalui peta topographi terlihat aliran sungai yang mengalir lalu menghilang/terputus. Aliran tersebut biasa disebut vadose stream / arus vadose / sungai vadose atau disebut juga aliran allochthonous. Aliran pada sungai bawah permukaan juga bisa berasal dari goa itu sendiri dimana air yang berada di permukaan kawasan kars meresap masuk kedalam kawasan kars dan ketika didalam goa menjadi ribuan tetesan yang kemudian tertampung lalu mengalir dan membentuk sebuah aliran sungai. Aliran tersebut biasa disebut percolation water atau disebut juga aliran autochtonous.
Pada umumnya air yang mengalir didalam gua terdiri dari campuran air vadose dan perkolasi. Air perkolasi dan air vadose memiliki perbedaan dari segi kuantitas maupun kualitas. Air perkolasi pada umumnya banyak mengandung CaCO3 karena air perkolasi meresap dan merembes secara perlahan kedalam gua sehingga mineral pada batu gamping yang didominasi oleh calsite (CaCO3) lebih banyak terbawa. Sedangkan aliran vadose sangat sedikit mengandung calsite karena bentuk aliran yang hanya numpang lewat pada sungai bawah permukaan sehingga sangat singkat bersinggungan dengan mineral batu gamping. Air perkolasi juga dapat dilihat dari fluktuasi suhu yang konstan
sepanjang hari bahkan sepanjang tahun, sedangkan air vadose berfluktuasi dengan suhu diluar goa. Air vadose juga pada umumnya keruh karena material yang berasal dari luar goa ikut hanyut kedalam alirannya seperti lumpur, pasir dan kerikil. Sedangkan pada aliran perkolasi cukup jernih karena proses perembesan tadi sehingga air tersebut tersaring pada pori–pori batu gamping (lime stone). Pada saat turun hujan, goa yang dialiri oleh air vadose akan lebih cepat bertambah debitnya dan ketika hujan berenti serentak debit airnya juga menurun sampai level air sebelum hujan. Berbeda dengan air perkolasi, ketika diluar goa terjadi hujan lebat, debit air bertambah secara perlahan–lahan tidak secepat aliran vadose dan ketika hujan berehenti debit air juga akan turun secara perlahan–lahan.
2.3 TEORI DASAR VLF-EM-vGRAD Medan elektromagnetik primer sebuah pemancar radio, memiliki komponen medan listrik vertikalEPz dan komponen medan
magnetik horizontal HPy tegak lurus terhadap
arah perambatan sumbu x.
Pada jarak yang cukup jauh dari antena pemancar, komponen medan eletromagnetik primer dapat dianggap sebagai gelombang yang berjalan secara horizontal. Jika di bawah permukaan terdapat suatu medium yang konduktif, maka komponen medan magnetik dari gelombang elektromagentik primer akan menginduksi medium tersebut sehingga akan menimbulkan arus induksi (Eddy Current),
Sx
E .
Arus Eddy (seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2 ) akan menimbulkan medan elektromagnetik baru yang disebut medan elektromagnetik sekunder,HS, yang
mempunyai komponen horizontal dan komponen vertikal. Medan magnetik ini mempunyai bagian yang sefase (inphase) dan berbeda fase (quadrature) dengan medan primer. Adapun besar medan elektromagnetik sekunder sangat tergantung dari sifat konduktivitas benda di bawah permukaan.
Gambar 2
Distribusi Medan Elektromagnetik untuk metode VLF-EM dalam polarisasi Listrik dengan sinyal diatas sebuah dike konduktif vertikal (diambil dan diGambar ulang dari Bosch dan Muler, 2001)
Sedangkan yang dimaksud dengan metoda pengukuran teknik gradien adalah teknik pengukuran dengan cara pengulangan pengukuran dengan variasi ketinggian pada setiap titik ukurnya. Sehingga yang diperhitungkan adalah selisih harga pengukuran setiap titik terhadap perbedaan ketinggiannya, Bosch & Muller (2001). Dimana nilai selisih tersebut hanya ditentukan oleh medan magnetik sekunder yang disebabkan oleh benda konduktif dibawah permukaan. Secara matematis dapat ditulis:
2 1 2 1
(
( )) (
( ))
( )
( )
Ry Py Sy Py Sy Ry Sy SyH
H
H z
H
H z
H
H z
H z
(1)Fase dan Polarisasi Ellips
Pada saat gelombang primer masuk kedalam medium, gaya gerak listrik (ggl) es,
akan muncul dengan frekuensi yang sama, tetapi fasenya tertinggal 900 (Kaikonen,1979). Gambar 3 menunjukkan diagram vektor antara medan primer P dan ggl induksinya.
Gambar 3
Hubungan amplitudo dan fase gelombang sekunder (S) dan gelombang primer (P).
Jika medan magnet horizontal adalah Hx
dan medan magnetik vertikalnya adalah Hz,
maka besarnya sudut tilt dapat ditunjukkan seperti pada Gambar 4 yang besarnya sebagai berikut :
1 2
2
( / )
c
o
s
1
/
2
t
a
n
1
( / )
z x z xH
H
H
H
x100% (2) Gambar 4Polarisasi ellips akibat kehadiran benda konduktif pada bidang medan elektromagnetik (Sacit,1981)
2.5 Pemodelan Sungai Bawah Permukaan Berikut ini dibuat model aliran sungai bawah permukaan untuk menguji hasil pemodelan ke belakang dari program Inv2DVLF. Dimisalkan sungai bawah permukaan pada awalnya berasal dari A dan B kemudian turun dan berkumpul di C, aliran terus mengalir ke arah D. Pada arah barat-timur dilakukan pengukuran VLF-EM-vGrad sepanjang 400 meter yang memotong aliran sugnai bawah permukaan di jarak 100, 200 dan 275. Kedalaman dari masing masing sungai bawah permukaan yang dilewati secara berurutan : 0 , 20 dan 40 m (Gambar 5).
Gambar 5 Model aliran sungai bawah permukaan : Peta model aliran sungai bawah permukaan (atas), Penampang model aliran sungai bawah permukaan (bawah).
Tabel 1 Parameter akusisi model aliran sungai bawah permukaan
No Parameter Nilai Parameter 1 Panjang lintasan 400 m
2 Jumah titik pengukuran
41 titik 3 Spasi antar titik 10 meter 4 Spasi mesh daereah pengukuran 5 meter 5 Frekuensi pengukuran 18200 kHz
Setelah dilakukan pemodelan ke depan, dengan parameter akusisi diperlihatkan oleh Tabel 1, didapat respon inphase dan quadraturenya. Hasil yang didapat akan menjadi masukkan untuk proses pemodelan ke belakang dengan menggunakan program inv2DVLF.
Gambar 6 Respon inphase (ungu) dan quadrature (hijau) yang didapat dari pemodelan ke depan
Pemodelan ke belakang pada program Inv2DVLF menggunakan algoritma finnite element sehingga pengaturan mesh perlu ditetapkan. Idealnya pentaruan mesh dibuat dipersempit untuk daerah-daerah yang dicurigai terdapat anomali. Namun pada pemodelan ini diasumsikan kita tidak mengetahui mengenai informasi adanya anomali, sehingga mesh dibuat dengan spasi yang sama yaitu 5 m pada daerah pengukuran dan semakin melebar dikedua sisinya (Gambar 7)
Gambar 7 Mesh finnite element untuk melakukan pemodelan ke belakang
Proses pemodelan ke belakang dalam kasus ini memerlukan iterasi sebanyak 15 kali. Iterasi akan dihentikan jika mencapai iterasi maksium, atau error yang dihasil kan sudah idak mengalami perubahan dari iterasi sebelumnya. Error yang dihasilkan pada proses ini adalah 0.0034 %. Pada proses ini didapat model resistivitas, model sensitivitas, dan respon VLF-EM-vGrad yang didapat dari model resistivitas hasil pemodelan ke belakang.
Gambar 8 Model resistivitas hasil pemodelan )ke belakang
(Bahri, AS, 2008) BAB III. METODOLOGI
3.1 Alir Penelitian
Gambar 9 Diagram alir penelitian
3.2 . Pengumpulan Data
.1.Menentukan posisi daerah pengukuran menggunakan GPS dengan format bujur dan lintang setelah survei geologi. 2. Penentuan stasiun pemancar VLF-EM untuk mengoptimalkan sinyal yang diterima. Stasiun yang digunakan adalah NWC (North West Cape)Australia.
3. Penentuan garis survei dan jarak antara setiap titik pengukuran. Arah pengukuran harus tegak lurus dengan pemancar (Australia) atau menghadap kepemancar.
4. Akuisisi data dari masing-masing titik pengukuran dilakukan dalam dua posisi (duduk dan berdiri sekitar 1 m perbedaan ketinggian) dan in phase, quadrature, total field dan tilt dicatat
3.3 Pengolahan dan Analisis Data
Prosesing data dan proses inversi menggunakan bahasa komputasi MATLAB 7.0.3 dan Inv2DVLF.
3.4 Diagram Alir Pengolahan data
Gambar 10 Alir pengololahan data Kajian Literatur Pengambilan Data Pengolahan Data Interpretasi Hasil dan Pembahasan Kesimpulan
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Moving Average Filter
Dengan asumsi gelombang yang diterima oleh VLF-EM adalah frekuensi rendah dan noise eksternal juga mempengaruhi pengukuran, maka filter moving average digunakan untuk menghilangkan noise frekuensi tinggi. Oleh karena itu, sinyal yang disaring benar-benar merupakan anomali bahan konduktif di bawah permukaan.
0 100 200 300 400 500 600 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Distance(m) In ph as e-D ow n( % ) Moving Average Observed
Gambar 11 Filter Moving average dalam
inphase-down data lintasan 1.
4.2 Filter Fraser
Dengan menggunakan filter ini, titik potong dari anomali menjadi optimal (mencapai puncaknya), maka hasil filter ini akan membuat proses analisis lebih mudah. Gambar 12 adalah contoh filter Fraser data real dan imaginer dari lintasan 1.
0 100 200 300 400 500 600 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Fraser filter in Line 1 Down
Distance(m)
(%
)
Real Imaginer
Gambar 12 Filter Fraser diaplikasikan dalam data real (inphase) dan imaginer (quadrature)
lintasan 1 down.
Filter Fraser diaplikasikan untuk setiap lintasan dengan menempatkan lokasi pengukuran pada (x, y) dan anomali di (z), karena itu kontur dapat dibuat. Kontur menunjukkan anomali tersebar di suatu daerah. Gambar 13 menunjukkan kontur sebelum dan sesudah filter Fraser
Gambar 13 Kontur di Seropan 1 data Inphase-Down sebelum(a) dan sesudah(b) filter Fraser
Interpretasi menggunakan data sebelum filter Fraser (gambar 13a) akan sulit, karena kesulitan untuk menentukan titik perubahan yang tidak terfokus pada satu titik, selain itu, jika daerah tersebut memiliki banyak bahan konduktif, titik perubahan akan lebih sulit untuk ditentukan.
Setelah dilakukan filter Fraser (gambar 13b) anomali menjadi lebih jelas. Dari gambar, kita bisa meramalkan bahwa anomali konduktif (dinyatakan dengan nilai positif) adalah pada A, B, D dan E. Sedangkan anomali resistif (nilai negatif) adalah pada C dan F. Namun untuk mendapatkan hasil interpretasi yang lebih baik dapat dibantu menggunakan data lain seperti (quadrature, titlt-angle, atau
total-field).
4.3 Filter Karous-Hjelt
Interpretasi kualitatif VLF-EM dapat dilakukan dengan menggunakan filter Karous-Hjelt. Penerapan hasil filter ini berupa distribusi kerapatan arus yang dapat memberi informasi mengenai daerah konduktif (Gambar 14).
Gambar 14 Kerapatan arus pada inphase-down di lintasan 1.
4.4 Kontur Fraser VLF-EM-vGrad
Metode very low frequency elektromagnetic vertical gradient
(VLF-EM-vGrad) adalah mengukur perbedaan respon pada VLF-EM (HRy) yang ditentukan oleh medan magnet sekunder, menunjukkan konduktivitas bawah permukaan (Bosch dan Muller, 2001). Dengan mengurangi nilai VLF-EM-vGrad up dengan nilai VLF-VLF-EM-vGrad down
Gambar 15 Kontur Fraser VLF-EM-vGrad (a dan b) dan VLF-EM-vGrad (c). Anomali kontur Fraser VLF-EM-vGrad lebih jelas dari VLF-EM.
4.5
Pembahasan
Menurut Bahri (2008) estimasi arah sungai bawah permukaan di daerah kars dapat dilakukan dengan menggunakan VLF-EM-vGrad. Parameter yang menunjukkan arah sungai bawah permukaan adalah fraser delta in-phase, Fraser delta tilt dan Fraser kuadratur. Faser delta in-phase dan tilt memberikan tanggapan positif terhadap sungai bawah permukaan, sementara Fraser delta kuadratur memberikan tanggapan negatif. Analisis parameter VLF-EM-vGrad dimasukkan sebagai analisis kualitatif. Analisis kualitatif juga didapat dari peta sungai bawah permukaan secara horizontal dan tidak dapat dilakukan untuk menentukan kedalaman
sungai bawah permukaan.
Santos (2006) memperkenalkan analisis kuantitatif data VLF-EM. Data yang digunakan adalah real dan imaginer yang diukur dalam frekuensi tunggal dan melakukan
inversi menggunakan metode beda hingga dan hasilnya adalah resistivitas 2D. Analisis ini digunakan oleh Bahri(2008) untuk menghasilkan bentuk dan kedalaman dari sungai bawah permukaan. Oleh karena itu, analisis lateral arah sungai dilakukan dengan menggunakan Fraser VLF-EM-vGrad yang dikalibrasi dengan data inversi VLF-EM, sedangkan analisis kedalaman dan bentuk sungai bawah permukaan menggunakan inversi VLF-EM-vGrad data.
4.6 Hasil Pemetaan Sungai Bawah Permukaan Seropan
Gambar 16 Tampilan dari VLF-EM-vGrad, sungai bawah permukaan dan peta topografi untuk prediksi sungai bawah permukaan Seropan
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengolahan data dan analisis yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Nilai Fraser VLF-EM-vGrad akan bernilai positif untuk jenis data : in-phase, total field, dan tilt-angle, dan akan bernilai negatif untuk data quadrature
2. Sungai bawah permukaan Seropan, menyebar dari utara ke selatan dan terdiri dari beberapa sungai bawah permukaan dengan kedalaman berkisar 40-200 meter
3. Data gradien in-phase dan tilt-angle dapat memetakan lokasi sungai bawah permukaan secara horisontal.
4. Hasil inversi dari program inv2DVLF dapat digunakan untuk menentukan posisi sungai bawah permukaan secara kuantitatif.
5.2 Saran
Untuk penelitian selanjutnya disarankan melakukan analisis dengan metoda geofisika lainnya (misal metoda magnetik) atau melakukan penelusuran sungai bawah permukaan secara langsung agar penggambaran sungai bawah permukaan semakin akurat.
.
DAFTAR PUSTAKA
Bahri, A.S, Santoso, D, Paradimedja,D.D, Tofan RM, Santos, FM., 2008. Penerapan Metode VLF-EM-Vgrad Untuk Memetakan Sungai Bawah Permukaan Daerah Kars. Indonesion Scientific Kars. Jogjakarta. 19-20 Agustus 2008
Bahri, AS, et al, 2008, Pemodelan Sungai Bawah Pemukaan , Pertemuan Ilmiah Tahunan Himpunan Ahli Geofisika Indonesia, Bandung
Baker, H.A. dan Myers, J.O., 1980. A topographic correction for VLF-EM profiles based on model studies. Geoexploration, vol 18:135-144. Bosch, F.P. dan Muller, I., 2001, Continuous
gradient VLF measurements: a new possibility for high resolution mapping of kars structures, First Break, vol 19.6: 343-350
Fraser, D.C., 1969. Contouring of VLF-EM data. Geophysics 34,958–967.
Kaikkonen, P., 1979, Numerical VLF Modelling, Geophysical Prospecting, 27, 815-834
Karous, M. dan Hjelt, S.E., 1983. Linear Filtering of Dip-Angle Measurements, Geophysical Prospecting 31, 782-794.
