BAB I - Digilib ITS - Institut Teknologi Sepuluh Nopember

PEMETAAN SUNGAI BAWAH PERMUKAAN
DI WILAYAH KARS SEROPAN GUNUNGKIDUL MENGGUNAKAN METODA
GEOFISIKA VLF-EM-vGRAD
1)
Oleh :
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 tiltangle, 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-EMvGrad(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
penelitihan ini adalah:
1
masalah
dalam
1. Pengambilan data dilakukan di daerah
Seropan kabupaten Gunungkidul.
2. Metode yang digunakan adalah VLFEM-vGrad dan data yang didapatkan
adalah (inphase, quadrature, tiltangle, 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 .
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.
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.
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
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.
2
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.
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:
2.3 TEORI DASAR VLF-EM-vGRAD
Medan elektromagnetik primer sebuah
pemancar radio, memiliki komponen medan
listrik vertikal E Pz
dan komponen medan
magnetik horizontal H Py 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),
H Ry  (H Py  H Sy ( z2 ))  (H Py  H Sy ( z1 ))
H Ry  H Sy ( z2 )  H Sy ( z1 )
Fase dan Polarisasi Ellips
Pada saat gelombang
(1)
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.
E Sx .
Arus Eddy (seperti yang diperlihatkan
pada Gambar 2 ) akan menimbulkan medan
elektromagnetik baru yang disebut medan
elektromagnetik
sekunder, H S ,
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 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 :
3


2
(
H
/
H
)
c
o
s





1
/
2
t
a
n


x100%
1

(
H
/
H
)

1

z
Tabel 1 Parameter akusisi model aliran
sungai bawah permukaan
No
Parameter
Nilai Parameter
x
z
2
x

(2)
1
Panjang lintasan
400 m
2
Jumah titik
pengukuran
Spasi antar titik
41 titik
Spasi mesh
daereah
pengukuran
Frekuensi
pengukuran
5 meter
3
4
5
Gambar 4
Polarisasi ellips
akibat kehadiran benda
konduktif
pada
bidang
medan
elektromagnetik (Sacit,1981)
10 meter
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.
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 barattimur 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 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 5 Model aliran sungai bawah
permukaan : Peta model aliran sungai bawah
permukaan (atas), Penampang model aliran
sungai bawah permukaan (bawah).
4
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 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
Kajian Literatur
Pengambilan Data
Pengolahan Data
Gambar 10 Alir pengololahan data
Interpretasi Hasil
dan Pembahasan
Kesimpulan
Gambar 9 Diagram alir penelitian
5
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.
120
Gambar 13 Kontur di Seropan 1 data InphaseDown sebelum(a) dan sesudah(b) filter Fraser
Moving Average
Observed
100
Inphase-Down(%)
80
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 totalfield).
60
40
20
0
-20
-40
-60
0
100
200
300
Distance(m)
400
500
600
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.
4.3 Filter Karous-Hjelt
Fraser filter in Line 1 Down
80
Real
Imaginer
60
Interpretasi kualitatif VLF-EM dapat
dilakukan dengan menggunakan filter KarousHjelt. Penerapan hasil filter ini berupa
distribusi kerapatan arus yang dapat memberi
informasi mengenai daerah konduktif (Gambar
14).
40
(%)
20
0
-20
-40
-60
0
100
200
300
Distance(m)
400
500
600
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 14 Kerapatan arus pada inphasedown di lintasan 1.
6
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.
4.4 Kontur Fraser VLF-EM-vGrad
Metode
very
low
frequency
elektromagnetic vertical gradient (VLF-EMvGrad) adalah mengukur perbedaan respon
pada VLF-EM ( H Ry ) yang ditentukan oleh
medan magnet sekunder, menunjukkan
konduktivitas bawah permukaan (Bosch dan
Muller, 2001). Dengan mengurangi nilai VLFEM-vGrad up dengan nilai VLF-EM-vGrad
down
4.6 Hasil Pemetaan
Permukaan Seropan
Sungai
Bawah
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-EMvGrad. 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
Gambar 16 Tampilan dari VLF-EM-vGrad,
sungai bawah permukaan dan peta topografi
untuk prediksi sungai bawah permukaan
Seropan
7
Baker, H.A. dan Myers, J.O., 1980. A
topographic correction for VLF-EM
profiles based on model studies.
Geoexploration, vol 18:135-144.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengolahan data dan
analisis yang telah dilakukan maka dapat
disimpulkan sebagai berikut :
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
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
Fraser, D.C., 1969. Contouring of VLF-EM
data. Geophysics 34,958–967.
Kaikkonen, P., 1979, Numerical VLF
Modelling, Geophysical Prospecting,
27, 815-834
2. Sungai bawah permukaan Seropan,
menyebar dari utara ke selatan dan terdiri dari
beberapa sungai bawah permukaan dengan
kedalaman berkisar 40-200 meter
Karous, M. dan Hjelt, S.E., 1983. Linear
Filtering of Dip-Angle Measurements,
Geophysical Prospecting 31, 782-794.
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
8