BAB II TEORI DASAR. V=IR atau R= V I

BAB II TEORI DASAR

2.1.Sifat Kelistrikan Batuan

Dalam eksplorasi untuk mengetahui lapisan bawah permukaan dengan memanfaatkan perubahan tahanan jenis digunakan metode geolistrik resistivitas. Konsep dasar metode geolistrik resistivitas adalah Hukum Ohm. Hukum Ohm menyatakan bahwa potensial atau tegangan antara ujung-ujung penghantar adalah sama dengan hasil kali resistansi (R) dan kuat arus (I), yang dapat dituliskan

V=IR atau R= V_I (2.1)

dengan:

R = resistansi bahan (Ω) I = kuat arus (A) V = besar tegangan (V)

Setiap batuan mengandung mineral dan atom-atom yang terikat secara ionik maupun kovalen. Sifat kelistrikan batuan merupakan salah satu dari karakteristik suatu batuan. Batuan atau mineral memiliki aliran arus listrik yang dapat digolongkan menjadi 3 (tiga) macam[10], yaitu:

1. Konduksi Elektronik

Konduksi jenis ini sering terjadi pada batuan atau mineral yang memiliki banyak elektron bebas. Hal ini menyebabkan arus listrik mudah mengalir dalam batuan atau mineral akibat adanya elektron-elektron bebas tersebut. 2. Konduksi Elektrolitik

Konduksi jenis ini terjadi pada batuan yang sifatnya berporos dan memiliki pori-pori yang terisi oleh larutan elektrolit. Dalam hal ini arus listrik yang mengalir disebabkan ion-ion yang terdapat pada larutan elektrolit. Susunan pori-pori dan volume mempengaruhi konduktivitas dari batuan. Semakin banyak larutan elektrolit yang terkandung dalam batuan maka akan semakin

tinggi konduktivitasnya dan sebaliknya semakin berkurang kandungan larutan elektrolit yang terkandung maka akan semakin rendah konduktivitasnya. 3. Konduksi Dielektrik

Konduksi jenis ini terjadi pada batuan atau mineral yang sifatnya dielektrik atau memiliki elektron bebas yang sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali. Namun elektron dalam atom batuan dapat berpindah dan berkumpul dari intinya akibat pengaruh medan listrik dari luar, sehingga terjadi polarisasi. 2.2.Metode Geolistrik Resistivitas

Metode geolistrik resistivitas telah digunakan untuk keperluan eksplorasi sejak tahun 1900-an. Metode geolistrik resistivitas merupakan salah satu metode dalam ilmu geofisika yang mendeteksi serta mempelajari perubahan tahanan jenis lapisan batuan baik secara vertikal maupun lateral. Dengan metode ini akan didapatkan data pengukuran meliputi arus dan beda potensial baik secara alamiah atau akibat dari penginjeksian arus ke dalam bumi.

Metode geolistrik resistivitas terbagi menjadi metode resistivity mapping atau Electrical Resistivity Tomography (ERT) dan metode resistivity sounding atau Vertical Electrical Sounding (VES) yang pada umumnya digunakan untuk kebutuhan baik bidang lingkungan maupun bidang teknik. Menurut [11] mengemukakan bahwa terdapat dua cara pengukuran resistivitas berdasarkan tujuannya yaitu:

1. Metode resistivity sounding atau Vertical Electrical Sounding (VES) Metode ini bertujuan untuk mempelajari variasi resistivitas batuan secara vertikal. Pada praktiknya, spasi elektroda (arus dan potensial) diperbesar secara bertahap sesuai dengan konfigurasi elektroda yang digunakan. Semakin panjang bentangan jarak elektrodanya, maka semakin dalam pula batuan yang dapat dideteksi, walaupun masih dalam batas-batas tertentu. 2. Metode resistivity mapping atau Electrical Resistivity Tomography (ERT) Metode ini bertujuan untuk mempelajari variasi resistivitas batuan secara horizontal. Pada praktiknya, spasi elektroda (arus dan potensial) dibuat sama untuk semua titik di permukaan bumi. Hasil dari pengukuran ini biasa dijadikan sebagai peta kontur berupa sebaran nilai resistivitasnya.

Dalam kondisi yang sebenarnya, tanah tidak bersifat homogen namun pada kenyataannya bumi tersusun atas lapisan-lapisan dengan resistivitas yang berbeda-beda, sehingga nilai potensial yang terukur merupakan pengaruh dari lapisan-lapisan tersebut.

2.3.Vertical Electrical Sounding

Metode resistivitas sounding adalah salah satu teknik geofisika yang sudah lama, secara intensif digunakan untuk evaluasi struktur dalam dan dangkal pada bawah permukaan[12]. Metode resistivitas sounding bertujuan untuk mempelajari variasi resistivitas batuan di bawah permukaan secara vertikal. Metode ini digunakan karena dapat memberikan informasi mengenai lapisan atau kedalaman menggunakan variasi besaran nilai tahanan jenis dengan menginjeksikan arus listrik ke permukaan bumi. Injeksi arus listrik ini menggunakan 2 buah elektroda arus C1 dan C2 yang ditancapkan ke dalam tanah dengan jarak tertentu. Semakin panjang jarak elektroda arus akan menyebabkan aliran arus listrik bisa menembus lapisan batuan lebih dalam. Dengan adanya aliran arus listrik tersebut maka akan menimbulkan tegangan listrik di dalam tanah. Tegangan listrik yang terjadi di permukaan tanah diukur dengan menggunakan multimeter yang terhubung melalui 2 buah elektroda potensial P1 dan P2 yang jaraknya lebih pendek dari pada jarak elektroda arus. Bila posisi jarak elektroda arus diubah menjadi lebih besar maka tegangan listrik yang terjadi pada elektroda potensial ikut berubah sesuai dengan informasi jenis batuan yang ikut terinjeksi arus listrik pada kedalaman yang lebih besar[13]. Pengukuran beda potensial dengan menginjeksikan arus listrik pada sepasang elektroda arus ke permukaan tanah akan menimbulkan siklus elektrik seperti pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1Siklus elektrik determinasi resistivitas dan lapangan elektrik untuk stratum homogenous permukaan bawah tanah[13]

Metode ini lebih efektif jika digunakan untuk eksplorasi yang sifatnya dangkal, karena metode ini jarang memberikan informasi lapisan di kedalaman lebih dari 1000 feet atau 1500 feet. Metode ini jarang digunakan untuk eksplorasi minyak tetapi lebih banyak digunakan dalam bidang engineering geology seperti penentuan kedalaman batuan dasar, pencarian reservoar air, juga digunakan dalam eksplorasi geothermal. Metode resistivitas sounding umumnya menggunakan konfigurasi Schlumberger.

Pada metode resistivitas sounding terdapat beberapa tipe kurva yang menunjukkan secara kualitatif variasi resistivitas sebagai fungsi kedalaman. Terdapat 2 (dua) jenis kurva baku, yaitu kurva baku struktur dua lapis yang menurun (𝜌₂ < 𝜌₁) dan naik (𝜌₂ > 𝜌₁). Kemudian terdapat 4 (empat) tipe kurva bantu seperti pada Gambar 2.2 dengan variasi nilai resistivitas pada tiga lapisan yaitu kurva bantu tipe H (𝜌₁ > 𝜌₂ < 𝜌₃), kurva bantu tipe A (𝜌₁ < 𝜌₂ < 𝜌₃), kurva bantu tipe K (𝜌1 < 𝜌2 > 𝜌3), dan kurva bantu tupe Q (𝜌1 > 𝜌2 > 𝜌3) seperti pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Kurva sounding secara umum[10] 2.4.Konfigurasi Schlumberger

Konfigurasi Schlumberger merupakan salah satu dari beragam konfigurasi pada metode geolistrik resistivitas. Konfigurasi Schlumberger tersusun atas dua buah elektroda arus dan dua buah elektroda potensial. Elektroda arus diletakkan pada bagian luar dan elektroda potensial diletakkan pada bagian dalam seperti terlihat pada Gambar 2.3. Pengukuran menggunakan konfigurasi Schlumberger umumnya dilakukan dengan memindahkan elektroda arus semakin ke arah luar dimana jarak antar elektroda C1P1 dan C2P2 ialah sama sedangkan jarak antar elektroda P1P2 tetap. Sesuai prinsip konfigurasi Schlumberger, hendaknya jarak antar elektroda P1P2 tidak lebih besar dari jarak antar elektroda C1P1 dan C2P2.

Gambar 2.3Susunan elektroda konfigurasi Schlumberger

Konfigurasi Schlumberger memiliki kemampuan mendeteksi variasi resistivitas berdasarkan kedalaman, sehingga diperlukan beberapa pengukuran

untuk memberikan sensitivitas kedalaman yang berbeda. Pada konfigurasi Schlumberger perubahan jarak elektroda arus yang semakin ke luar berdampak pada nilai potensial yang diterima elektroda potensial yaitu semakin mengecil. Sehingga untuk menstabilkan pengukuran dilakukan dengan menambah luas pada elektroda potensial. Dalam konfigurasi Sclumberger ini faktor geometri dapat dicari dengan formula sebagai berikut:

K= ₁ 2π C1P1- 1 C2P1- 1 C1P2+ 1 C2P2 K= ₁ 2π L-l - L+l - 1 L+l +1 L-l1 K= π(L 2_-l2₎ 2l (2.3) dengan: K = Faktor geometri (m) L = Jarak elektroda (m) l = Jarak elektroda (m)

Nilai resistivitas semu pada konfigurasi Schlumberger dapat dihitung sebagai berikut: ρa=K R ρa=K V I ρa= π(L 2_-l2 ) 2l V I (2.4) dengan:

K = Faktor geometri (m) V = Besar beda potensial (V) I = Besar arus (A)

Kelemahan dari konfigurasi Schlumberger ialah diperlukan alat injeksi arus yang memiliki tegangan listrik DC yang sangat tinggi apabila jarak elektroda arus yang relatif jauh. Sedangkan keunggulan dari konfigurasi Schlumberger adalah kemampuan untuk mendeteksi adanya sifat tidak homogen lapisan batuan pada permukaan[13].

2.5.Pemodelan 1-D

Model bumi dianggap berlapis horizontal dengan resistivitas bervariasi terhadap kedalaman pada pemodelan geolistrik 1-D (Gambar 2.4). Persamaan integral Hankel menyatakan resistivitas semu 𝜌_𝑎 sebagai fungsi dari resistivitas dan ketebalan (𝜌_𝑘, ℎ_𝑘) di tiap lintasan, dengan k = 1,…, n dan n adalah jumlah lapisan. ρ_a=s2_∫T(λ)J 1(λs)λⅆλ ∞ 0 (2.5) dengan:

s = Setengah jarak antar elektroda arus (m) J1 = Fungsi Bessel orde-satu

𝑇(𝜆) = Fungsi transformasi resistivitas 𝑇_𝑘(λ)= Tk+1(λ)+ρktanh(λhk)

1+T_k+1(λ)tanh(λh_k)∕ρ_k ; k=n-1,…,1

(2.6) Dengan metode filter linear, perhitungan persamaan (2.5) secara umum dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

ρ_a=∑Tk(λ)fk k

(2.7) dengan:

Gambar 2.4 Model 1-D yang terdiri dari n lapisan horizontal

Pemodelan inversi non-linear data geolistrik 1-D dilakukan pada data sintetik. Data sintetik mengandung noise terdistribusi normal dengan rata-rata nol dan standar deviasi sebesar 5% dari data sintetik [14]. Inversi 2-D dari data resistivitas semu dua-sisi tiga elektroda dapat menentukan secara akurat kedalaman penguburan, ukuran, dan lokasi target [15].

2.6.Resistivitas Batuan

Resistivitas atau tahanan jenis merupakan suatu kemampuan bahan untuk menghantarkan arus listrik. Hal ini disebabkan karena adanya atom-atom yang terikat secara ionik atau kovalen. Nilai resistivitas batuan dipengaruhi akan beberapa hal seperti material, densitas, ukuran dan bentuk air, kandungan air, suhu, dan porositas. Setiap tipe batuan memiliki nilai resistivitas tertentu. Nilai resistivitas batuan tersebut ditunjukkan pada Tabel 2.1

Tabel 2.1Resistivitas batuan beku dan metamorf [10]

Rock Type Resistivity Range (Ωm)

Granite 3 x 102 - 106

Granite Porphyry 4.5 x 103 (wet) – 1.3 x 106 (dry) Feldspar Porphyry 4 x 103 (wet)

Albite 3 x 102 (wet) – 3.3 x 103 (dry)

Diorit 104 - 105

Diorit Porphyry 1.9 x 103 (wet) – 2.8 x 104 (dry) Porphyryte 10 – 5 x 104 (wet) – 3.3 x 103 (dry) Carbonatized Porphyry 2.5 x 103 (wet) – 6 x 104 (dry) Quartz Porphyry 3 x 102 _{– 9 x 10}5

Quartz Diorite 2 x 104 – 2 x 106 (wet) – 1.8 x 105 (dry) Porphyry (Various) 60 - 104

Dacite 2 x 104 _(wet)

Andesite 4.5 x 104 (wet) – 1.7 x 105 (dry) Diabase Porphyry 103 (wet) - 1.7 x 105 (dry) Diabase (various) 20 – 5 x 107

Lavas 102 – 5 x 104

Gabbro 103 - 106

Basalt 10 – 1.3 x 107 (dry)

Olivine Norite 103 – 6 x 104 (wet)

Peridotite 3 x 103 (wet) – 6.5 x 103 (dry) Hornfels 8 x 103 (wet) – 6 x 107 (dry) Schists (calcareous and mica) 20 - 104

Tuffs 2 x 103 (wet) - 105 (dry) Graphite Schist 10 - 102

Slates (various) 6 x 102 – 4 x 107

Gneiss (various) 6.8 x 104 (wet) – 3 x 106 (dry) Marble 102 – 2.5 x 108 (dry)

Skarn 2.5 x 102 (wet) – 2.5 x 108 (dry) Quarzites (various) 10 – 2 x 108

Tabel 2.2Resistivitas batuan sedimen[10] Rock Type Resistivity Range (Ωm)

Consolidated Shales 20 – 2 x 103 Argillites 10 – 8 x 102 Conglomerates 2 x 103 - 104 Sandstones 1 – 6.4 x 108

Limestones 50 - 107 Dolomite 3.5 x 102 – 5 x 103 Unconsolidated Wet Clay 20

Marls 3 – 70

Clays 1 – 100

Alluvium and Sands 10 – 800

Oil Sands 4 – 800

2.7.Lingkungan Pengendapan

Lingkungan pengendapan adalah suatu daerah di permukaan bumi dimana terdapat sesuatu bahan atau material yang terendapkan pada suatu deposit pada waktu tertentu atau untuk jangka waktu tertentu. Lingkungan pengendapan adalah tempat mengendapnya material sedimen beserta kondisi fisik, kimia, dan biologi yang mencirikan terjadinya mekanisme pengendapan tertentu[16]. Parameter fisik lingkungan pengendapan meliputi kecepatan, arah dan variasi angin, gelombang, dan aliran air, juga termasuk iklim dan cuaca lingkungan. Parameter kimia lingkungan pengendapan meliputi komposisi dari cairan pembawa sedimen, salinitas, geokimia batuan asal di daerah tangkapan air, kandungan karbondioksida, dan air. Kemudian parameter biologis lingkungan pengendapan meliputi keberadaan flora dan fauna pada tempat sedimen diendapkan. Menurut [17] mengklasifikasikan lingkungan pengendapan menjadi daratan, transisi, dan lautan. Untuk penentuan lingkungan pengendapan, studi litofasies merupakan salah satu cara yang selama ini banyak diterapkan oleh para peneliti, baik menggunakan data permukaan maupun data bawah permukaan[18]. Klasifikasi lingkungan pengendapan ini seperti terlihat pada Tabel 2.3.