SURVEY GAYABERAT MIKRO 4D UNTUK MONITORING
DINAMIKA AIR TANAH
Muh Sarkowi
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung
Jl. S. Brojonegoro No. 1 Bandar Lampung 35145
E-mail: [email protected]
Diterima 12 September 2005. perbaikan 15 November 2005, disetujui untuk diterbitkan 21 November 2005
ABSTRACT
Microgravity is a geophysical method that measures changes in the force of the earth’s gravity. With modern equipment and careful field procedures it is now possible to measure gravity changes as small as 1 part in 1,000,000,000 (1 µgal l). Changes in gravity measured at the earths surface reflect the underlying geological structure, hence the accurate determination of gravity leads to an understanding of the ground beneath.. The microgravity change due to fluid movement in the subsurface is very small, therefore special equipments and strategy surveys are required.
Simulations of response microgravity anomaly must be done in order to know the time interval period of measurement and specification of gravitymeter which must be used. Gravitymeter: Graviton-EG Meter, Scitrex-CG5 and of Lacoste&Romberg type of G and type of D with Alliod 100 system are very good to be used for the survey of microgravity. In every period, sequence measurement of microgravity must be fixed, since every station gravity at one looping can get similar to drift correction. Corrections of tide gravity observations and theory give different result of amplitude or period, the tide correction must be observed. KeyWords: Monitoring Stategy, Fluid Dynamic, Reservoir, Microgravity
1. PENDAHULUAN
Metode gayaberat mikro 4D merupakan pengembangan dari metode gravitasi dengan dimensi keempatnya adalah waktu. Ciri dari gayaberat mikro 4D adalah pengukuran gayaberat mikro secara berulang yang teliti dalam orde µGall, dan pengukuran tinggi yang teliti dalam orde mm. Metode gayaberat mikro 4D telah diterapkan pada berbagai bidang seperti : monitoring reservoir panas bumi1, pemantauan injeksi air pada reservoir gas2, pemantauan amblesan tanah 3, pemantauan magma dan prediksi letusan 4.
Anomali gayaberat mikro antar waktu menunjukkan dinamika fluida yang terjadi pada saat pengukuran. Dinamika fluida bawah permukaan memiliki respon gayaberat mikro 4D yang kecil, sehingga harus dilakukan perencanaan survey yang cukup baik sebelum melakukan monitoring. Perencanaan ini meliputi : mengetahui respon gayaberat mikro 4D, spesifikasi gravimeter yang digunakan , jarak antar titik pengukuran dan strategi pengambilan data yang baik. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai perencanaan dan pelaksanaan survey gayaberat
mikro 4D dengan harapan survey yang dilakukan memberikan hasil yang baik.
1.1. Anomali Gayaberat Mikro 4D
Efek gaya berat untuk benda 3 dimensi dengan distribusi rapat massa ρ=
(
α β γ, ,)
di titik P(x,y,z) pada permukaan dalam selang waktu tertentu (∆t) diberikan oleh Kadir5:( ) ( )( ) ( ) (2 ) (2 )2 32 0 , , , , , , t z g x y z t d d d x y z ρ α β γ γ α β γ α β γ ∞ ∞ ∞ −∞ −∞ ∆ ∆ − ∆ ∆ = − + − + − ∫ ∫ ∫ (1)
Anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan selisih antara gayaberat mikro pada periode t’ dan t.
(
x
y
z
t
)
g
(
x
y
z
t
)
g
(
x
y
z
t
)
g
,
,
,
∆
=
,
,
,
'
−
,
,
,
∆
(2)Anomali ini berhubungan langsung dengan adanya perubahan rapat massa akibat perubahan material yang mengisi volume pori pada selang waktu tersebut. Perubahan rapat massa diberikan oleh Persamaan 3-75:
(
φ
)
ρ
mφρ
fρ
= 1− + (3)(
)
(
(
)
)
g f f f m φ S ρ S ρ ρ φ ρ'= 1− + + 1− (4) ∆ρ=ρ'−ρ =φ(
ρf −ρg)(
Sf −1)
(5) ∆ =g Kφ ρ(
f −ρg)(
Sf −1)
(6)
(
f g)
f 1 p V g K V φ ρ ρ ∆ = − − (7) dengan ρ, ρ’, ρm , ρf , ρg , φ, Sf , Vf , Vp , ∆g masing-masing adalah rapat massa awal, rapat massa akhir, rapat massa material matrik, rapat massa fluida, rapat massa gas, porositas total, saturasi, volume fluida, volume pori total, dan anomali gayaberat mikro antar waktu.1.2. Perubahan Gayaberat Akibat Dinamika Bawah Permukaan
Dinamika fluida yang terjadi di bawah permukaan bumi disebabkan oleh adanya faktor alamiah maupun faktor buatan manusia. Dinamika fluida ini akan menyebabkan terjadinya perubahan gayaberat di permukaan bumi.
1.2.1. Perubahan Gayaberat akibat Amblesan Tanah
Amblesan tanah menyebabkan perubahan jarak titik tersebut terhadap pusat bumi. Anomali gayaberat mikro akibat subsidence dapat diturunkan dari persamaan gayaberat normal:
( )ϕ =978032.7
(
1+0.0053024sin2ϕ−0.0000058sin22ϕ)
g (8)h
h
g
g
g
h∂
∂
+
=
ϕ ϕ ϕ, (9)(
ϕ)
ϕ ϕ 2 sin 2 1 2 f m f a g h g − + + − = ∂ ∂ (10) 308765 . 0 − = ∂ ∂ h ϕ miliGall/meter ϕ = 7.50 (11)1.2.2. Perubahan Gayaberat oleh Efek Hidrologi
Dinamika air tanah di bawah permukaan dapat disebabkan oleh : musim, curah hujan, dan pengambilan oleh manusia. Perubahan nilai gayaberat akibat adanya perubahan kedalaman muka air tanah dapat diturunkan dengan menggunakan pendekatan koreksi Bouguer sederhana dengan memasukkan variabel porositas (Gambar 1).
2. METODE PENELITIAN
Kegiatan yang dilakukan pada penelitian ini meliputi:
a. Simulasi untuk mengetahui nilai respon anomali gayaberat mikro yang terjadi akibat dinamika fluida bawah permukaan
b. Pemilihan gravimeter yang digunakan untuk monitoring
c. Strategi pengambilan data gayaberat mikro untuk monitoring
d. Pengolahan data anomali gayaberat mikro
2.1. PENGOLAHAN DATA DAN HASIL
2.1.1. Simulasi untuk mengetahui respon anomali gayaberat mikro akibat dinamika fluida bawah permukaan
Dinamika fluida bawah permukaan baik yang diakibatkan oleh pengambilan air, minyak maupun uap pada reservoir dapat dihitung respon gayaberatnya dengan menggunakan pendekatan model benda berbentuk kubus (Persamaan 12)7:
Gambar 1. Hubungan penurunan muka air tanah dengan respon anomali gayaberat mikro. Dengan asumsi
porositas batuan 30% maka setiap terjadi penurunan air 1 m akan terjadi perubahan nilai gravitasi sebesar 12,579 µgal .
(
)
(
)
2 2 2
1 1 1
arctan i i log log
ijk k i ijk i i ijk i
i j k k ijk x y g G z x R y y R x z R ρ µ = = = = ∆ − + − +
∑∑∑
(12)Gambar 2.a. Model kedalaman air tanah t=0 Gambar 2.b. Respon gayaberat akibat model air
tanah pada t=0
Gambar 2.a. Model kedalaman air tanah t=1 Gambar 2.b. Respon gayaberat akibat model air
tanah pada t=1
Gambar 3.a. Dinamika Muka Air Tanah Gambar 3.b. Anomali Gayaberat mikro 4D Tabel 1. Jenis gravimeter dan resolusinya
Jenis Gravimeter Resolution
Gravitymeter L&R G with Alliod 100 system 1 µGall Graviton-EG meter Gravitymeter 0.1 and 1 µGall Scintrex CG5 Autograv Gravitymeter 1 µGall Perhitungan respon gayaberat akibat dinamika
fluida bawah permukaan dilakukan dengan bantuan Program Mathlab.
Simulasi dilakukan dengan membuat model reservoir air tanah dengan kedalaman muka air tanah yang bervariasi tergantung dari musim dan laju pengambilan air tanah di daerah tersebut.
Respon anomali gayaberat mikro oleh dinamika air tanah pada t = 0 dan t =1 diberikan pada Gambar 2 dan Gambar 3.Anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan selisih anomali gayaberat pada t =1 dan t = 2, Gambar 4. Hasil simulasi menunjukkan bahwa anomali gayaberat mikro antar waktu mencapai -24 µGall yang disebabkan oleh dinamika air tanah sedalam 2 meter. Respon sebesar ini dapat diamati dengan gravimeter yang ada sekarang.
2.1.2. Pemilihan Gravimeter
Gravimeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur nilai gayaberat relatif di permukaan bumi. Gravimeter yang digunakan dalam survey gayaberat mikro 4D minimal 2 (dua) buah, 1 (satu) untuk pengukuran pasang surut gayaberat dan 1(satu) untuk pengukuran gayaberat di lapangan. Jenis gravimeter beserta resolusinya ditunjukkan pada Tabel 1.
2.2. Strategi Survey Gayaberat untuk Monitoring
2.2.1. Distribusi Titik ukur Gayaberat
Distribusi titik ukur gayaberat pada survey gayaberat mikro untuk monitoring diusahakan dalam bentuk grid dengan interval tertentu. Interval titik ukur pada daerah target adalah 0.1xh dan 0.2xh untuk area di luar target dengan h adalah kedalaman. Panjang dan lebar area pengukuran adalah panjang dan lebar daerah target ditambah dengan kedalaman.
2.2.2. Pengambilan Data Gayaberat
Pengukuran gayaberat dilapangan dilakukan dengan metode looping, yaitu pengukuran dimulai dan diakhiri di titik yang sama yaitu di titik ikat. Pada tiap periode pengukuran unrutan pengambilan diusahakan
Tabel 2. Pengukuran gayaberat mikro di Semarang Juni
2003
No Stasiun Alliod Tide Drift Grav.Obs Grav.Loc
1 Base 0 -0.037 0.000 -0.037 0.000 2 KAY16 -0.74 -0.027 0.001 -0.768 -0.731 3 TTG446 19.29 -0.004 -0.004 19.282 19.319 4 Poncol 19.46 0.015 0.006 19.469 19.506 5 Pajak 19.55 0.031 0.009 19.572 19.609 6 GL01 19.19 0.043 0.010 19.222 19.259 7 Base -0.08 0.057 0.014 -0.037 0.000
Tabel 3. Pengukuran gayaberat mikro di Semarang Dec
2003
No Stasiun Alliod Tide Drift Grav.Obs Grav.Loc
1 Base 0 0.024 0.000 0.024 0.000 2 KAY16 -0.77 0.024 0.001 -0.747 -0.771 3 TTG446 19.29 0.024 0.003 19.311 19.287 4 Poncol 19.44 0.024 0.006 19.458 19.434 5 Pajak 19.54 0.024 0.007 19.557 19.533 6 GL01 19.19 0.024 0.008 19.206 19.182 7 Base 0.01 0.025 0.011 0.024 0.000
Gambar 4. Koreksi pasang surut gayaberat hasil pengukuran gravimeter L&R G508 dan perhitungan
berurutan dengan looping yang sama untuk tiap periode pengukuran. Metode ini bertujuan agar masing-masing titik gayaberat mendapatkan koreksi drift yang relative sama sesuai dengan urutan titik pengukuran, titik gayaberat di awal looping akan mendapatkan koreksi drift yang kecil dan titik gayaberat di akhir looping akan mendapatkan koreksi drift yang besar. Titik ikat harus dicari pada daerah yang mudah dijangkau, stabil dan tidak terjadi dinamika fluida di bawahya. Contoh urutan pengukuran gayaberat di daerah Semarang yang dilakukan pada Juni dan Desember 2003 ditunjukkan pada Tabel 2 dan Tabel 3.
2.2.3. Pengukuran Koreksi Pasang Surut Gayaberat
Koreksi pasang surut gayaberat sangat penting , karena respon anomali gayaberat mikro antar waktu pada umumnya lebih kecil dibandingkan koreksi pasang surut. Pasang surut gayaberat selalu berubah-ubah dipengaruhi oleh posisi bulan dan matahari terhadap bumi. Koreksi pasang surut gayaberat dapat ditentukan dengan dua cara: menghitung perubahan gayaberat karena perubahan posisi bulan dan matahari terhadap bumi[8] dan dengan melakukan pengukuran gayaberat secara langsung dan kontinyu menggunakan gravimeter yang mampu membaca dan menyimpan hasil pengukuran secara otomatis. Pada penelitian ini telah dilakukan pengamatan pasang surut gayaberat dengan menggunakan gravimeter Lacoste & Romber G508 yang telah dilengkapi feedback faktor di daerah Semarang 29 Mei 2003 dan nilainya dibandingkan dengan perhitungan teoritik, Gambar 4.
Nilai koreksi pasang surut gayaberat pengukuran langsung dan teoritik memberikan hasil yang berbeda, sehingga untuk survey gayaberat mikro koreksi pasang surut gayaberat lebih baik diukur secara langsung.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1 Anomali Gayaberat Mikro 4D
Anomali gayaberat mikro tiap periode pengukuran diperoleh dengan melakukan koreksi data pengukuran dengan koreksi pasang surut gayaberat dan drift untuk tiap looping pengukuran, sedangkan anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan selisih antara anomali gayaberat mikro periode akhir dengan awal, Tabel 4.
Anomali gayaberat mikro antar waktu merupakan gabungan dari beberapa sumber anomali yang harus di inditifikasi secara baik sebelum melakukan interpretasi. Sumber anomali tersebut meliputi : perbedaan musim pengukuran, curah hujan, subsidence, permukaan air tanah, dinamika fluida yang akan diamati. Berbagai sumber anomali harus di identifikasi dan dikoreksikan.
3.2 Pengolahan Data Gayaberat Mikro 4D dan Interpretasi
Anomali gayaberat mikro antar waktu mencerminkan perubahan densitas pada reservoir akibat perubahan fluida yang mengisi reservoir tersebut. Teknik inversi merupakan salah satu teknik yang dapat digunakan untuk mendapatkan distribusi densitas bawah permukaan sesuai dengan kedalaman yang telah ditentukan.
Contoh hasil interpretasi anomali gayaberat mikro-4D periode Juni 2003 s.d. September 2002 di daerah Semarang menggunakan program inversi Geomodel, menunjukkan bahwa telah terjadi pengurangan air tanah (pengambilan air tanah yang cukup besar) di daerah Jalan Pemuda (sekitar Tugu Muda) dengan kedalaman pengambilan air sekitar 40-50 meter, daerah Pengapon dengan kedalaman pengambilan air 50-60 meter, dan di daerah lingkungan industri Kaligawe dengan kedalaman lebih dari 70 meter menjadi lebih besar dan bertambah luas, Gambar 5.
Tabel 4. 4D Microgravity daerah Semarang No Stasiun Grav.Lokal Juni
2003 Grav.Lokal Desember 2003 4D Microgravity (Dec -June'03) 1 Base 0 0 0 2 KAY16 -0.731 -0.771 -0.04 3 TTG446 19.319 19.287 -0.032 4 Poncol 19.506 19.434 -0.072 5 Pajak 19.609 19.533 -0.076 6 GL01 19.259 19.182 -0.077 7 Base 0 0 0
Gambar 5. Model Pengurangan Air Tanah Diturunkan dari Anomali Gayaberat Mikro-4D Penampang Barat
– Timur Periode Juni 2003- September 2002 Survey gayaberat mikro untuk tujuan monitoring
harus dilakukan secara baik dan teliti karena respon anomali akibat dinamika bawah permukaan pada umumnya sangat kecil ( < 50 µGall. Faktor-faktor yang mempengaruhi nilai gayaberat seperti: curah hujan, muka air tanah, kondisi titik ukur dan tinggi harus diperhatikan, dicatat, dan dihitung secara teliti. Kontrol terhadap data harus dilakukan agar anomali yang diperoleh benar berasal dari target yang akan dicari. Dari hasil simulasi dan pembahasan di atas beberapa langkah yang harus dilakukan dalam melakukan survey gayaberat mikro antar waktu adalah :
1. Melakukan simulasi respon anomali gayaberat mikro-4D dari fluida yang akan di monitor untuk mengetahui besarnya respon yang akan diukur. Berdasarkan respon tersebut maka dapat ditentukan interval waktu pengukuran minimum yang dapat dilakukan dan gravitymeter yang digunakan digunakan. 2. Distribusi titik sebaiknya dibuat dalam bentuk
grid dengan interval grid disesuaikan pada kecepatan dinamika fluida. Pengambilan data gayaberat mikro harus dilakukan secara berurutan untuk tiap periode.
3. Koreksi pasang surut gayaberat harus diukur secara langsung.
4. Interpretasi anomali gayaberat mikro 4D untuk mengetahui dinamika fluida bawah permukaan dapat dilakukan dengan metode inversi. Studi kasus untuk daerah Semarang menunjukkan
bahwa pengurangan air tanah pada reservoir air dapat diturunkan dari anomali gayaberat mikro 4D.
4. KESIMPULAN
Anomali gayaberat mikro antar waktu yang disebabkan oleh dinamika fluida di reservoir memiliki respon yang kecil. Monitoring dinamika fluida di bawah permukaan ataupun di reservoir dengan metode gayaberat mikro 4D dibutuhkan perencanaan, pemilihan alat dan strategi survey yang baik. Strategi survey gayaberat mikro yang baik untuk monitoring dinamika fluida bawah permukaan meliputi :
1. Prediksi magnitude respon anomali gayaberat mikro antar waktu dari simulai
2. Interval titik gayaberat disesuaikan dengan kedalaman reservoir dan kecepatan gerak fluida. Interval titik gayaberat d h
10 1
= , dimana
: d , h masing masing adalah grid spacing dan kedalaman.
3. Luas area survey disesuaikan dengan luas reservoir yang akan dimonitor ditambah dengan efek tepi sebesar kedalaman reservoir
4. Koreksi pasang surut gayaberat harus diukur secara langsung
5. Anomali gayaberat mikro antar waktu untuk menentukan pergerakan fluida dapat
menggunakan teknik inversi, korelasi dan konvolusi.
DAFTAR PUSTAKA
1. Allis, R.G, Hunt, T.M. 1986. Analisis of Exploration-induced gravity changes at Wairakei geothermal Field, Geophysics 51, p. 1647-1660
2. Hare, J.L, Ferguson, J.F, Aiken, C.L.V, and Brady, J.L. 1999. The 4-D microgravity method for waterflood surveillance: A model study for the Prudhoe Bay reservoir, Alaska. Geophysics, Vol. 64 No. 1 (January-February 1999)
3. Styles, P. 2003. The use of time lapse microgrvity to investigate and monitoring an area undergoing surface subsidence; a case study. Unpublished.
4. Rymer, H and Jones, G.W. 2000. Volcanic eruption predicture : magma chamber physics from gravity and deformation measurements. Geophysical Research Letter, Vol. 27 No. 16. 5. Kadir, W.G.A., 1999. The 4-D gravity survey
and its subsurface dynamics: a theoretical approach, Proceeding of Indonesian Geophysical Society Annual Meeting
6. Schon, J.H. 1996. Seismic exploration, Physical properties of rocks; Fundamental theory and principels of petrophysics, Permagnon
7. Plouff, D. 1976. Gravity and magnetic fields of polygonal prism and application to magnetic terrain correction, Geophysics, 41, 727.
8. Longman, I.M. 1959. Formula for computing the tidal acceleration due to the moon and the sun. J. Geophys. Res. 64. 2351-2355
