4
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Geologi Regional
Keadaan geologi Kota Semarang dipengaruhi oleh kondisi alam yang membentuk struktur geologi kota tersebut. Formasi geologi terutama terdiri dari batuan beku dan dicirikan oleh perbukitan, dataran rendah, dan daerah pesisir. Status Geologi Kota Semarang menurut peta geologi Magelang – Semarang (Thanden, dkk., 1996), dikelompokkan sebagai berikut: Aluvial (Qa), Batuan Vulkanik Gajahmungkur (Qhg), Batuan Vulkanik Kaligesik (Qpk), Formasi Jongkong (Qpj), Formasi Damar (QTd), Formasi Kaligetas (Qpkg), Kalibeng (Tmk), dan Formasi Kerek (Tmk).
Gambar 2.1. Peta Geologi Daerah Penelitian Semarang (Robins dkk., 2004)
1. Formasi Kerek (Tmk)
Formasi ini merupakan formasi paling tua yang terdiri dari batu lempung, batupasir tufaan, konglomerat, breksi vulkanik dan batu gamping. Litologi batu lempung berwarna abu tua hingga abu muda. Batu gamping yang umumnya
5
berlapis sebagian besar disisipi batu lanau, pada formasi ini batu pasir mengandung fosil berupa moluska dan terumbu karang.
2. Formasi Kalibeng (Tmkl)
Formasi ini terletak selaras di atas Formasi Kerek, yang diendapkan pada lingkungan laut dalam. Litologinya terdiri dari lempung, batu pasir tufaan serta gamping. Lempung memiliki warna abu kehijauan hingga gelap kehitaman yang terdiri dari mineral lempung dan mengandung karbonat. Batu pasir tufaan berwarna kuning kehitaman sedangkan batu gamping berwarna putih kelabu, batuannya bersifat keras dan kompak.
3. Formasi Kaligetas (Qpkg)
Formasi ini terdiri dari breksi dan lahar dengan disisipi lava dan juga tuf halus hingga kasar. Pada bagian bawah ditemukan batu lempung yang mengandung batu pasir tufaan dan juga moluska. Untuk breksi dan lahar berwarna coklat kehitaman komponennya berupa batu apung, basal dan andesit. Breksi bersifat keras dan kompak sedangkan lahar bersifat lebih rapuh. Lava berwarna hitam kelabu bersifat kompak, tufa berwarna kuning keputihan, batu lempung berwarna hijau sedangkan pasir tufaan yang berwarna coklat kekuningan.
4. Formasi Damar (Qtd)
Formasi ini terdiri dari batu pasir tufaan, konglomerat, dan breksi vulkanik.
Batu pasir tufaan memiliki warna kuning kecokelatan yang berbutir halus hingga kasar. Konglomerat berwarna kuning kecokelatan hingga kehitaman, terdiri dari andesit, basal, batu apung, berukuran 0,5 - 5 cm, kebundaran sedang hingga membundar baik dan agak rapuh. Breksi vulkanik berwarna abu kehitaman dengan komponen berupa andesit dan basal yang menyudut hingga membundar sedang bersifat agak keras.
5. Formasi Kongkong (Qpj)
Terdiri dari breksi andesit dan juga aliran lava yang dahulu disebut batuan gunung api dari Gunung Unggaran lama. Aliran lava formasi ini memiliki struktur berongga atau vesikuler, berwarna abu tua dan berbutir halus, sedangkan breksi andesit berukuran 1 – 50 cm dari menyudut hingga membundar sedang, berwarna coklat kehitaman serta bersifat kompak dan keras.
6 6. Batuan Gunungapi Kaligesik (Qpk)
Batuan Gunungapi Kaligesik yaitu berupa lava basal, berwarna abu- abu kehitaman, halus, yang terdiri dari komposisi mineral felspar, olivin dan augit, yang bersifat sangat keras.
7. Batuan Gunungapi Gajah Mungkur (Qhg)
Batuan Gunungapi Gajah Mungkur yaitu berupa lava andesit, yang memiliki warna abu kehitaman berbutir halus, bertekstur holokristalin, komposisi terdiri dari felspar, hornblende dan augit, serta bersifat keras dan kompak.
8. Aluvium (Qa)
Endapan aluvium yang berasal dari endapan pantai, endapan sungai serta endapan danau. Endapan pantai terdiri dari litologi lempung, lanau dan pasir.
Endapan sungai dan danau memiliki ketebalan 1-3 dengan litologinya terdiri dari kerikil, kerakal, pasir dan lanau.
2.2 Geologi Daerah Penelitian
Daerah Semarang disusun oleh morfologi yang berbeda antara bagian utara dengan bagian selatan. Bagian selatan memperlihatkan morfologi yang tinggi dan terjal, batuannya tersusun oleh batupasir gunungapi dan breksi, sedangkan di bagian utara membentuk perbukitan bergelombang lemah dan batuannya tersusun oleh breksi yang ditutupi endapan aluvium.
Daerah penelitian berada di Kecamatan Tugu, Kota Semarang yang memiliki posisi yang begitu strategis sebagai penghubung antara Semarang dan Kendal, dengan topografi memiliki rentang berkisar antara 2% - 40%. Letaknya lebih dekat dengan batas pantai dan sebagian besar lahan digunakan untuk pemukiman, kemiringan lahan di kecamatan Tugu ini relatif datar hingga berbukit.
7
Gambar 2.2. Peta Geologi Regional Lembar Magelang dan Semarang (Thanden dkk., 1996)
Daerah penelitian tertutup oleh Formasi Damar dan Endapan Aluvium. Formasi Damar berumur Kuarter, yang tersusun oleh breksi gunungapi, konglomerat dan batupasir tufan. Kegiatan tektonik di daerah ini diduga mulai berlangsung sejak Tersier Awal yang ditandai dengan adanya intrusi basal dan andesit, kemudian diikuti oleh pengangkatan dan proses erosi. Sedangkan daerah Endapan Aluvium terdiri dari lempung, lanau, pasir dan kerikil.
2.3 Litologi Batuan
Litologi merupakan cabang dari ilmu geologi yang difokuskan pada batu. Litologi didedikasikan untuk studi tentang sifat kimia dan fisik batuan, dengan mempertimbangkan karakteristrik partikelnya. Bumi tersusun atas campuran antar mineral yang bergabung secara fisik satu sama lainnya. Campuran antar mineral itu disebut batuan. Kerak dan selubung atas bumi terdiri dari bermacam-macam batuan yang umur, kandungan dan asalnya berbeda. Bahan penyusun kerak bumi dibagi menjadi dua yaitu tanah dan batuan (Priambodo, 2011). Tanah adalah kumpulan partikel mineral alam yang dapat dipisahkan secara mekanis dengan mencampurkan agregat dalam air. Sedangkan batuan adalah kumpulan mineral yang terikat satu sama lain oleh kohesi permanen. Dapat diklasifikasikan menjadi
8
dua kelompok berdasarkan asal-usul komponennya, ini adalah hasil pelapukan fisik dan kimia, dari bahan organik. Jika hasil pelapukan masih ditemukan di lokasi semula disebut tanah residual; jika diangkut disebut sebagai tanah terangkut (Telford dkk, 1990).
Di dalam kerak bumi terdapat berbagai jenis batu. Ada warna kemerahan, kuning, hitam, dan warna lainnya. Memiliki bidang permukaan persegi, sudut, runcing, datar. Hampir tidak mungkin untuk mengklasifikasikan sesuai berdasarkan warna.
Para ahli telah berusaha mengklasifikasikan batuan ini menurut asalnya (asal batuan), morfologi batuan, kandungan dalam batuan, dan tingkat kekerasan batuan.
a. Batuan yang berasal dari perbukitan disebut batu perbukitan.
b. Batuan yang berasal dari sungai disebut batuan sungai.
c. Batuan yang berasal dari gunung berapi disebut batuan vulkanik.
d. Batuan yang berasal dari pasir disebut batu pasir.
Struktur tanah, permeabilitas tanah, dan pelapukan batuan adalah beberapa faktor litologi yang mempengaruhi tanah. Untuk menentukan korelasi batuan, diperlukan perbandingan litologi. Kesamaan antar fasies ini nantinya dapat ditentukan dari sifat-sifat batuan yang berbeda, termasuk batupasir, warna, kelompok mineral berat, dan mineral tipikal lainnya, serta kesamaan litologi sebagai struktur sedimen primer. Semakin banyak sifat batuan yang digunakan sebagai dasar pencocokan, semakin sulit untuk mencocokkan litologi sederhana. Kita dapat membuat korelasi litologi jika kita dapat mencocokkan perpotongan dari jenis batuan yang khas atau satu atau dua lapisan.
Karena litologi batuan sedimennya yang terkompaksi, Semarang relatif kebal terhadap likuifaksi saat gempa, namun morfologi batuan dan lapisan tanahnya yang tebal berpotensi longsor. Ketika tanah longsor terjadi di lereng sungai dan membentuk bendungan alam, dapat memicu banjir bandang jika kejadiannya bertepatan dengan musim hujan. Berdasarkan pengamatan lapangan di wilayah Semarang, konglomerat penyusun batupasir berlapis yang dominan di Formasi Damar merupakan sumber potensial. Formasi Damar dianggap sebagai batuan
9
dasar, terletak di endapan Kuarter muda (aluvium) hingga bawah permukaan umum, pelapukan tersebut terdiri dari lempung, kuning abu-abu hingga hijau, kental, lempung dan sangat padat, mengandung sejumlah besar bercak kuning dan kemerahan (20%) mengandung batuan berukuran kerikil dan sisa-sisa gunung berapi, semakin sulit bagi pengeboran tangan untuk menembusnya.
2.4 Metode Geolistrik
Geolistrik adalah metode geofisika untuk mengetahui sifat arus pada batuan di bawah permukaan bumi. Menggunakan faktor-faktor seperti resistivitas batuan, pendekatan ini dapat memetakan kondisi bawah permukaan. Air tanah memiliki pengaruh besar pada bagaimana listrik mengalir melalui batuan di dalam tanah.
Akibatnya, metode geolistrik dapat digunakan untuk mendeteksi akuifer, melakukan penelitian mineral atau pertambangan, dan melakukan penelitian hidrogeologi seperti arkeologi.
Pada tahun 1912, Conrad Schlumberger adalah orang pertama yang menggunakan pendekatan geolistrik. Salah satu cara geofisika untuk menentukan jenis arus listrik bumi dengan mengukur aliran arus di permukaan adalah metode geolistrik resistivitas. Sifat arus bumi adalah metode georesistivitas untuk mengukur aliran arus di permukaan bumi. Alat pendeteksi ini menggunakan pengukuran potensial listrik, arus dan medan elektromagnetik yang diinjeksikan secara alami. Metode resistivitas adalah salah satu metode geolistrik yang paling banyak digunakan untuk mengukur arus listrik dan mempelajari kondisi geologi di bawah permukaan (Hendrajaya dan Arif, 1990).
Sifat bumi yang isotropik dan homogen digunakan untuk mendukung pendekatan geolistrik resistivitas. Berdasarkan asumsi ini, resistivitas terukur sesuai dengan resistivitas aktual, terlepas dari jarak elektroda. Faktanya, tanah terdiri dari lapisan dengan resistivitas yang berbeda, dan efek dari lapisan ini diukur dalam hal potensialnya. Metode ini sering digunakan dalam aplikasi teknik geologi seperti memperkirakan kedalaman batuan dasar, mencari reservoir air, eksplorasi panas bumi, dan lain sebagainya. Dengan mengukur perubahan resistivitas dengan kedalaman, metode resistivitas digunakan untuk menganalisis perbedaan resistivitas pada batuan.
10
Salah satu metode pengukuran geolistrik adalah dengan mengukur tahanan jenis batuan dilakukan sesuai dengan sifat-sifat batuan terhadap arus listrik sebagai media penghantar. Secara umum, medan listrik terbentuk ketika arus searah meninggalkan tanahnya, dan komposisinya mempengaruhi komposisi sifat listrik yang berada di batuan dalam medium. Pendekatan geolistrik resistivitas didasarkan pada kenyataan bahwa beberapa arus yang menyebabkan batuan merambat di dalam batuan pada kedalaman tertentu dan meningkat dengan bertambahnya jarak antar elektroda, semakin panjang lintasannya, semakin dalam hasil yang diperoleh
Setiap lapisan penyusun bumi terdiri dari jenis material batuan yang berbeda dengan tingkat ketahanan yang berbeda-beda. Resistivitas tanah bergantung dari parameter geologis, seperti porositas dan permeabilitas, jenis mineral dan cairan yang terkandung, dan lain sebagainya.
2.5 Prinsip Dasar Metode Geolistrik
Prinsip yang mendasari metode geolistrik resistivitas adalah mengukur respon potensial dari elektroda potensial yang diinduksi oleh arus yang diinjeksikan ke bumi. Akibatnya, rumus geolistrik teoritis didasarkan pada penentuan potensi listrik yang diberikan menggunakan sumber arus permukaan. Metode ini bekerja dengan cara menginjeksikan arus ke dalam bumi melalui dua elektroda arus agar terjadi beda potensial. Pendekatan ini sering digunakan untuk menentukan kedalaman bawah permukaan guna menemukan endapan karena lebih efektif dan lebih mudah digunakan untuk penelitian dasar (Wahyudi, 2001).
Ketika arus listrik (I) yang seragam dan isotropik diinjeksikan ke bumi melalui elektroda tunggal, maka arus listrik menyebar ke segala arah di permukaan ekuipotensial bumi dalam bentuk belahan bumi atau permukaan setengah bola (Wuryantoro, 2007).
11
Gambar 2.3. Pola Aliran Arus dan Ekuipotensial (Lowrie, 2007)
Dasar metode tahanan jenis adalah hukum Ohm yang mana pertama kali dicetuskan oleh George Simon Ohm. Dia memformulasikan hubungan antara tegangan dengan arus listrik pada tegangan jepit yang berbanding lurus dengan beda potensial yang diterapkan (Halik, 2008). Sehingga secara matematis dituliskan pada persamaan 2.1 di bawah ini;
𝑅 = (2.1)
Dimana
𝑅 : Hambatan (ohm)
∆V : Beda Potensial (volt) I : Arus Listrik (ampere)
Metode geolistrik resistivitas mengukur beda potensial antara dua elektroda dengan menginjeksikan arus frekuensi rendah ke permukaan bumi. Dalam beberapa kasus, pengukuran arus konstan akan terjadi di bawah permukaan yang mendapatkan perubahan perbedaan tegangan dan memberikan informasi tentang struktur dan substansi yang dilalui arus.
12
Gambar 2.4. Konsep Hukum Ohm (Telford dkk, 1990)
Metode ini menggunakan konsep dasar yaitu hukum Ohm, yang menyatakan bahwa hubungan antara tegangan V dan arus I dapat dinyatakan sebagai berikut:
𝑅 (2.2)
Dimana
R : Resistansi (Ω) I : Kuat Arus (A) V : Tegangan (V)
Gambar 2.5 Rangkaian Hubungan Resistansi, Arus, dan Tegangan (Jati, 2010).
Berdasarkan asumsi ini, resistivitas yang diukur adalah resistivitas sebenarnya, yang tidak tergantung pada jarak elektroda. Namun, ada banyak lapisan dengan berbagai nilai potensial pada kenyataannya, dan potensi yang diukur adalah hasil dari lapisan-lapisan ini.
2.6 Resistivitas Semu
Resistivitas semu didasarkan dengan pemahaman bahwa bumi mempunyai sifat homogen isotropis. Dimana asumsi ini menjelaskan bahwa bumi tersusun atas satu lapisan yang homogen. Namun, kenyataannya lapisan bawah permukaan
13
bumi tersusun dari berbagai lapisan berbeda, sehingga nilai potensial yang terlihat merupakan pengaruh dari lapisan-lapisan yang berbeda. Sehingga nilai resistivitas yang diukur seolah-olah menunjukkan nilai resistivitas untuk satu lapisan saja.
Resistivitas yang terukur sebenarnya adalah resistivitas semu (ρa) (Wahyono, 2003). Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung resistivitas semu:
(2.3)
dengan,
𝑎 : Resistivitas semu (Ωm) K : Faktor geometri (m)
∆ : Beda potensial (V)
Seperti pada gambar 2.6 terdapat medium berlapis yang ditinjau misalnya terdiri dari dua lapis yang mempunyai resistivitas berbeda (ρ1 dan ρ2) dianggap sebagai medium satu lapis homogen yang mempunyai satu harga resistivitas yaitu sebesar ρa, jadi ρa ini merupakan harga semu. Demikian juga dengan konduktansi lapisan fiktif sama dengan jumlah konduktansi masimg-masing lapisan σa = σ1 + σ2 (Simpen, 2015).
Gambar 2.6 konsep resistivitas semu pada medium berlapis (Simpen, 2015).
14
Berikut merupakan Tabel nilai resistivitas batuan yang ditunjukkan pada tabel 2.1
Tabel 2.1 Nilai Resistivitas Batuan (Telford dkk, 1990)
Tabel 2.2 Nilai Resistivitas Batuan (Telford dkk, 1990)
Batuan Resistivitas (Ωm)
Udara ~
Pirit (pyrite) 0.01 - 100
Kwarsa (quartz) 500 - 8 x 103 Kalsit (calcite) 1 x 1012 - 1 x 1013 Garam Batu (rock salt) 30 - 1 x 1013
Granit (granite) 200 - 1 x 103 Andesit (andesite) 1.7 x 102 - 4.5 x 104
Basal (basalt) 10 - 1.3 x 107 Batu Gamping (limestones) 500 - 1 x 104 Batu Pasir (sandstones) 200 – 8000 Batu Tulis (shales) 20 – 2000
Pasir (sand) 1 – 1000
Lempung (clay) 1 – 100
Air Tanah (ground water) 0.5 – 300
Air Laut (sea water) 0.2
Magnetit (magnetite) 0.01 – 1000 Kerikil Kering (dry gravel) 600 – 1000
Aluvium (alluvium) 10 – 800
Kerikil (gravel) 100 – 600
Tuf 2 x 103
Batuan Resistivitas (Ωm) Lempung (clay) 1 – 50 Batu Pasir (sand) 51 - 100
Breksi 101 - 1000
15 2.7 Konfigurasi Dipole – Dipole
Ada beberapa jenis konfigurasi elektroda dalam metode geolistrik, antara lain Konfigurasi Schlumberger, Konfigurasi Wenner, Wenner Schlumberger, Dipole- dipole, Pole-dipole, Pole-pole, dan Konfigurasi Square. Faktor geometris (k), yang mendefinisikan interpretasi penentuan resistivitas di bawah permukaan, ditentukan oleh beberapa bentuk konfigurasi ini. Pada konfigurasi dipole-dipole, pasangan elektroda dipisahkan antara arus dan potensial, jarak antara elektroda C1-C2 dan P1-P2 adalah a, dan jarak antara C1 dan P1 dinyatakan sebagai jarak dipole.
Konfigurasi ini memiliki keunggulan yang sangat baik untuk penetrasi horizontal dengan keamanan tinggi dan penetrasi vertikal dengan kedalaman sedang. Karena lebih banyak elektroda diperlukan untuk mendapatkan data maksimum, konfigurasi ini bekerja dengan baik untuk pemetaan horizontal, menghasilkan penangkapan sinyal yang lebih rendah. Gambar 2.7 menggambarkan penempatan elektroda dalam konfigurasi dipole-dipole.
Gambar 2.7 Konfigurasi Dipole-Dipole (Patra, 1968)
Pada Gambar 2.7, 𝑟1 adalah lebar C2P1 atau sebesar na, 𝑟2 adalah lebar C1P1 atau sebesar na+a, 𝑟3 adalah lebar C2P2 atau sebesar na+a, dan 𝑟4 adalah lebar C1P2 atau sebesar na+2a. Dari persamaan tersebut, diperoleh faktor geometri pada konfigurasi dipole-dipole adalah:
k = 𝜋𝑎𝑛 (𝑛 + 2)(𝑛 + 1) (2.4)
16 2.8 Sifat Kelistrikan Batuan
Sifat kelistrikan batuan adalah sifat-sifat batuan bila dialiri arus listrik. Batu di alam memiliki jenis resistivitas yang berbeda karena dapat digunakan sebagai media listrik, seperti konduktor. Resistivitas batuan merupakan kemampuan menahan arus. Konduksi elektronik, konduksi elektrolitik, dan konduksi dielektrik adalah tiga jenis arus listrik yang mengalir melalui batuan dan mineral (Telford dan Sheriff, 1990).
1. Konduksi Secara Elektronik
Konduksi ini terjadi ketika batuan atau mineral mengandung elektron yang cukup, arus listrik mengalir melalui batuan dan mineral bersama- sama dengan elektron bebas. Ciri-ciri setiap batuan dipengaruhi oleh arus listrik (Hurun, 2016).
2. Konduksi Secara Elektrolitik
Konduksi ini terjadi ketika pori-pori dalam batuan atau mineral berpori diisi dengan elektrolit. Dalam hal ini, ion elektrolit membawa arus dan arus mengalir (Hurun, 2016).
3. Konduksi Secara Dielektrik
Konduksi ini adalah dielektrik arus listrik, dengan kata lain batuan dan mineral memiliki sedikit elektron bebas, namun elektron dari material bergerak dan berkumpul menjauh dari nukleus karena aksi medan listrik eksternal, yang menghasilkan polarisasi (Hurun, 2016).
