1 BAB I PENDAHULUAN I.1. Latar belakang.
Alam menyediakan sumber daya untuk keperluan kehidupan manusia, manusia modern membutuhkan sumber daya alam tersebut untuk menunjang kemajuan tehnologi, dengan tehnologi kualitas hidup manusia semakin meningkat. Salah satu bahan dasar yang mempunyai peran yang sangat besar di dalam tehnologi adalah logam, dan logam hanya bisa diperoleh di alam. Manusia harus melalukan eksplorasi untuk memperoleh bahan-bahan dasar di alam, mengolahnya, dan mewujudkan menjadi produk tehnologi. Logam memiliki sifat yang khas, logam tidak dapat digantikan dengan unsur lain, kuat dan tahan panas, oleh sebab itu logam digunakan sebagai bahan dasar untuk membuat mesin. Logam juga bersifat sebagai penghantar listrik yang bagus sehingga logam sangat berperan di dalam bidang listrik dan elektronika.
Indonesia merupakan negara yang kaya akan sumber daya mineral, antara lain tembaga, emas, besi, nikel dan timah, bahkan Indonesia merupakan lima besar di dunia penghasil tembaga dan nikel dan termasuk penghasil emas peringkat ke sepuluh di dunia ( Kuo, 2010). Benua Afrika merupakan benua yang sangat kaya dengan mineral, 30 % cadangan mineral di bumi berada di Afrika, lebih dari 80% cadangan platinum dan chromiun serta tantalum, dan 40 % cadangan emas dunia di miliki oleh Afrika (Sharaky, 2011).
Kebutuhan akan besi dan baja dunia yang menunjang industri konstruksi dan transportasi bertambah secara eksponensial terhadap waktu. Yellishetty et al,2010 (dalam Broughton 2011), membuat proyeksi kebutuhan besi dan baja dunia dari tahun 1948 sampai dengan tahun 2028 dibandingkan dengan produksi riil bijih besi, disajikan pada gambar 1.1. Dari paparan pada gambar 1.1 ini terlihat bahwa kebutuhan dunia akan logam terus meningkat seiring dengan perkembangan tehnologi, sehingga eksplorasi mineral harus selalu ditingkatkan untuk memenuhi kebutuhan tersebut
2
Gambar 1.1. Proyeksi kebutuhan besi dunia (Yellishetty, et. Al. 2010)
Metode eksplorasi yang sasaran utamanya logam adalah metode magnetik, yaitu metode yang mengukur kuat medan magnet bumi, sedangkan kuat medan magnet bumi di suatu tempat dipengaruhi oleh keberadaan besi di tempat tersebut, sehingga metode magnetik sangat efektif untuk mendeteksi penyebaran mineral yang banyak mengandung besi. Metode lain yang peka terhadap keberadaan logam di alam adalah metode elektromagnetik, metode ini menggunakan gelombang elektromagnetik untuk memberikan medan induksi pada medium, sehingga di dalam medium akan timbul arus induksi dan arus ini membangkitkan gelombang elektromagnetik sekunder. Gelombang elektro magnetik sekunder yang tertangkap dipermukaan memberikan informasi tentang daya hantar listrik batuan di bawah permukaan, logam memberikan sinyal gelombang elektromagnetik sekunder yang sangat kuat, sehingga metode elektromagnetik merupakan metode yang dapat mendeteksi semua macam logam. Metode yang paling efektif dalam mendeteksi logam adalah metode Polarisasi Terinduksi (Jensen and Bateman, 1981). Metode ini mengukur efek polarisasi
3
batuan akibat pengaruh arus listrik yang di injeksikan ke dalamnya. Proses elektro kimia di dalam medium karena adanya logam atau mineral senyawa logam menyebabkan energi listrik tersimpan sebagai energi kimia. Energi kimia tersebut akan terukur sebagai potensial listrik yang berubah sebagai fungsi waktu setelah arus listrik yang mempengaruhi dimatikan, potensial ini disebut dengan potensial polarisasi. Potensial polarisasi terukur sangat besar di daerah yang banyak mengandung logam. Perkembangan tehnologi pengukuran menyebabkan eksplorasi dengan metode polarisasi terinduksi (Induced Polarization – IP) juga berkembang, yaitu pengukuran IP pada kawasan frekuensi (Frequency Domain), pengukuran pada kawasan waktu (Time Domain) dan yang terbaru adalah Pengukuran Spektral IP (Spectral Induced Polarization).
Metode Spectral IP bertujuan mendeteksi keberadaan logam atau mineral senyawa logam dengan cara mengukur impedansi batuan sebagai fungsi frekuensi arus listrik bolak-balik yang dimasukkan ke dalamnya. Logam yang berada di dalam larutan menimbulkan efek elektro kimia yang menyebabkan daya hantar listrik batuan tidak lagi bersifat daya hantar listrik yang murni melainkan merupakan impedansi, yaitu daya hantar listrik atau resistivitas batuan yang besarnya tergantung pada frekuensi. Metode SIP mencoba mencari hubungan antara kandungan mineral yang ada di bawah permukaan dengan pola spektrum impedansi dan spektrum fase yang terukur di permukaan. Di dalam ilmu kimia metode ini merupakan metode yang cukup baru untuk mendeteksi atau menganalisis kandungan unsur di dalam suatu benda dengan cara tidak merusak (non destructive test), metode ini disebut dengan Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS).
Untuk mengikuti perkembangan ilmu pengetahuan, dipandang sangat perlu untuk melakukan penelitian mengenai SIP di lingkungan Universitas Gadjah Mada, khususnya di laboratorium Geofisika. Masalah yang dihadapi adalah belum adanya perangkat instrumen yang mendukung penelitian tersebut. Perangkat alat penelitian SIP harus dibuat sendiri karena sifat pengukurannya yang khusus, antara lain daerah pengukuran pada frekuensi yang sangat rendah. Perkembangan
4
tehnologi elektronika sangat mendukung pembuatan alat ukur polarisasi seperti mikrokontroler, tehnologi Field Effect Transistor yang menyediakan perangkat alat ukur dengan impedansi masukan yang tinggi. Dengan demikian penelitian dalam bidang instrumen untuk pengukuran metode SIP dan pembuatan alat lapangan untuk keperluan survei cukup banyak dilakukan terutama pada periode lima puluh tahun terakhir ini. (Mathew & Zonge, 2003).
Pengukuran SIP oleh Vanhala dan Soininen (1995), menggunakan alat HP35665
Dynamic Signal Analyser sebagai alat utamanya. Pengukuran secara manual
dengan cara mengubah frekuensi arus yang dimasukkan ke sampel batuan, kemudian dihitung impedansi dan beda fase pada masing-masing frekuensi. Aparao 1999, melakukan pengukuran SIP menggunakan sumber arus bolak-balik yang frekuensinya diubah secara manual. Pengukuran arus dan tegangan menggunakan osiloskop strorage, sedangkan pengukuran beda fase menggunakan gambar Lissayous.
Yang et al 2006, membuat alat untuk perekaman impedansi sebagai fungsi frekuensi yang digunakan dalam bioimpedance spectroscopy, yaitu pengukuran impedansi untuk pengukuran pada jaringan biologi. Spektroskopi biologi menggunakan frekuensi pada daerah antara 20 kHz sampai 1 MHz dengan pengaturan menggunakan pengontrol mikro. Impedansi dan beda fase diukur pada setiap frekuensi, kemudian disajikan dalam grafik.
I.2. Tujuan Penelitian.
Tujuan penelitian ini adalah merancang dan membuat alat ukur untuk pengukuran Spektral IP , yaitu perangkat alat ukur yang dapat mengukur impedansi medium atau batuan serta dapat mengukur beda fase antara arus listrik yang dialirkan dengan beda potensial yang timbul pada batuan yang diukur,sebagai fungsi frekuensi. Keluaran dari perangkat alat ini adalah spektrum impedansi dan spektrum beda fase. Pada tahap awal perangkat alat dirancang untuk pengukuran sampel batuan di laboratorium. Pengukuran impedansi batuan dilakukan dalam dua hal yaitu pengukuran impedansi batuan sebagai fungsi arus
5
listrik dan pengukuran impedansi batuan sebagai fungsi frekuensi. Kegiatan penelitian ini meliputi pembuatan alat SIP beserta peralatan pendukungnya, yang dinyatakan dalam kegiatan :
1. Pembuatan alat ukur resistivitas batuan atau medium, dengan variasi arus listrik, untuk mengetahui apakah resistivitas batuan bergantung pada arus listrik. Aalat ini terdiri dari sumber arus listrik yang berubah linier sebagai fungsi waktu, arus dan tegangan direkam bersamaan. Resistivitas batuan sebagai fungsi arus dapat dihitung.
2. Pembuatan perangkat alat ukur resistivitas batuan dengan sumber arus searah (DC Resistivitymeter), untuk pengukuran resistivitas batuan pada frekuensi yang sangat rendah.
3. Pembuatan perangkat alat SIP yang terdiri dari
a. Sumber arus bolak-balik (gelombang sinus) dengan frekuensi dari 0,01 Hz sampai dengan 1000 Hz. Frekuensi keluaran dari sumber diubah secara otomatis dengan sweep pada daerah frekuensi tersebut.
b. Penguat diferensial dengtan input impedansi tinggi dan Common Mode Rejection Ratio diatas 100 dB untuk mengukur arus dan tegangan. Arus yang dimasukkan ke sampel direkam bersama dengan tegangan yang timbul, melalui perangkat Analog to Digital Coverter kemudian dikirim ke komputer untuk ditampilkan dan disimpan datanya.
c. Data yang tersimpan dalam format Excel, diproses dan dihitung harga impedansi dan beda fase antara arus dan tegangan sebagai fungsi frekuensi dan ditampilkan dalam bentuk grafik.
Sebelum digunakan untuk mengukur sampel, perangkat alat ukur diuji terlebih dahulu dengan rangkaian ekivalen dari batuan yang terdiri dari resistor dan kapasitor yang diketahui harganya yang dipasang seri dan paralel. Secara khusus akan diteliti pengaruh arus listrik terhadap harga impedansi batuan, atau pengaruh arus listrik terhadap spektrum impedansi dan spektrum fase dari batuan
6 I.3. Keaslian penelitian.
Suatu kegiatan dimulai dengan konsep dan diimplementasikan dalam kegiatan-kegiatan yang lebih terperinci. Ada kegiatan yang berangkat dari konsep yang bebebeda, ada kegiatan yang berangkat dari konsep yang sama, tetapi pelaksanaan kegiatan dapat berbeda-beda. Konsep pengukuran dengan metode SIP sudah berkembang sejak limapuluh tahun yang lalu ( Mattew & Zonge, 2003), tetapi implementasi dalam pembuatan alat ukur berkembang terus sesuai dengan perkembangan tehnologi.
Rancangan alat memanfaatkan komponen elektronika di pasaran dalam negeri. Secara keseluruhan perangkat alat dirancang dan dibuat sendiri mulai dari pembuatan sumber arus listrik searah yang berubah secara linier dan sumber arus bolak-balik dengan frekuensi dari 0.01 Hz sampai 1000 Hz dengan automatic sweep secara digital, high impedance instrumentation amplifier, elektoda non-polarizable maupun perangkat interface ke komputer serta data logger 8 kanal untuk merekam data.
Proses pengukuran dan perekaman dirancang dengan sinkronisasi sehingga data yang terekam dapat diproses secara otomatis dan menampilkan grafik impedansi sebagai fungsi arus maupun spektral impedansi dan spektral fasenya.
Perangkat alat SIP ini hanya memerlukan waktu yang singkat, kurang dari satu menit untuk melakukan pengukuran dan perekaman lebih dari lima puluh data pada setiap sampel batuan, sehingga sangat menghemat waktu.
I.4. Manfaat penelitian
Penelitian dalam metode Geofisika terutama bidang metode listrik dan elektromegnetik masih jarang dibanding dengan metode Geofisika yang lain misalnya metode seismik. Salah satu kendalanya adalah tidak adanya alat, baik alat untuk pengukuran di laboratorium maupun di lapangan. Titik berat penelitian ini adalah pembuatan alat metode Spectral Induced Polarization ,jadi hasil
7
penelitian berupa perangkat alat. Perangkat alat seperti yang tersebut pada tujuan penelitian, banyak memberikan manfaat yaitu :
a. Memberi peluang untuk melakukan penelitian resistivitas medium sebagai fungsi arus menggunakan perangkat alat yang sudah dibuat.
b. Memberi peluang untuk mengembangkan alat survei Geofisika lapangan bagi mereka yang menekuni bidang instrumentasi Geofisika.
c. Memberi peluang untuk penelitian lebih mendalam mengenai fenomena polarisasi pada bidang batas antara logam dan larutan dengan pengukuran spektrum impedansi dan spektrum fasenya, untuk spektrum frekuensi yang lebih lebar.
d. Mengembangkan metode SIP sehingga metode ini dapat digunakan sebagai salah satu metode geofisika eksplorasi yang efektif untuk survei mineral.
