5 BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Hidrogeologi Ilmu yang mempelajari

5
BAB 2
DASAR TEORI
2.1 Hidrogeologi
Ilmu yang mempelajari interaksi antar struktur batuan dan air tanah adalah
hidrogeologi. Dalam prosesnya ilmu ini juga berkaitan dengan disiplin ilmu fisika
dan kimia yang terjadi di bawah tanah. Proses yang berhubungan adalah aliran air,
gerakan aliran air dalam tanah, unsur kimia yang ada dalam air tanah, serta
dampakk lingkungan dari aliran dalam tanah. Gerakan air di dalam tanah melalui
pori – pori batuan dikenal dengan istilah aliran air tanah.
Sisklus hidrogeologi/siklus air tanah erat kaitanya dengan siklus air
meteorik (air yang berasl dari curah hujan). Siklus ini dapat terjadi akibat panas
dari radiasi sinar matahari. Air tanah adalah sejumlah air dibawah permukaan
bumi. Pada kedalaman tertentu dibagian bawah permukaan tanah akan dijumpai
kandungan air (akuifer) dalam keadaan jenuh. Air yang berada dalam jenuh
tersebut dikenal sebagai air tanah. Bagian yang jenuh ini disetiap tempat tidak
sama tergantung dari jenis material yang ada dalam daerah tersebut.
Gambar 2.1 Interaksi antara air tanah dengan struktur geologi
Suatu formasi geologi yang mempunyai kemampuan untuk menyimpan dan
membawa air tanah dalam jumlah yang banyak ataupun sedikit ke sumur atau
Universitas Sumatera Utara
6
mata air disebut akuifer. Lapisan pasir atau kerikil adalah salah satu formasi
geologi yang dapat bertindak sebagai akuifer. Akuifer yang dialasi oleh lapisan –
lapisan batuan ( misalnya lempung) dengan daya meluluskan air yang rendah
dikenal sebagai akuitard. Lapisan yang sama dapat juga menutupi akuifer yang
menjadikan air tanah dalam akuifer tersebut di bawah tekanan yang dikenal
dengan zona tertekan ( confined aqifera). Karena keragaman geologinya akuifer
juga beragam dalam sifat – sifat hidroliknya dan tandoannya ( ketebalan dan
sebaran geografinya). Berdasarkan sifat – sifat tersebut jumlah air tanah di akuifer
sangat besar dengan sebaran yang luas hingga ribuan kilometer kuadrat. Ditinjau
dari kedudukannya terhadap permukaan air tanah dapat dibagi kedalam 2 bagian
yaitu,
1. Air tanah dangkal
Air umumnya air tanah ini berasosiasi dengan akuifer tak tertekan, yakni
yang tersimpan dalam akuifer dekat permukaan hingga kedalaman 15
meter sampai 400 meter
2. Air tanah dangkal
Air tanah ini berasosiasi dengan akuifer tertekan, yakni tersimpan dalam
akuifer pada kedalaman lebih dari 40 meter.
Lapisan bumi yang dapat membawa atau menghantar air disebut lapisan pembawa
air, penghantar air atau akuifer yang biasanya merupakan penghantar yang baik
adalah lapisan pasir dan kerikil atau di daerah berupa lava dan bauu gamping.
(Kodoatie,R,J dan Roestam Sjarief.2010)
2.2 Penyebaran Vertikal Air Tanah
Pengisian kembali air yang ada di dalam tanah berlangsung akibat curah hujan
yang sebagian meresep kedalam tanah, bergantung pada jenis tanah dan batuan
yang mengalasi suatu daerah curah hujan meresap ke dalam bumi dalam jumlah
besar atau kecil, ada tanah yang berpori dan ada tanah yang kedap.
Umumnya air bawah tanah terjadi di ruang/berpori yang kecil pada batuan
aluvial. Unsaturated zone merupakan daerah subsurface dari permukaan tanah
hingga water table (muka air tanah). permukaan yang membatasi antara
unsaturated zone pada akuifer yang tidak terperangkap (unconfined aquifer)
Universitas Sumatera Utara
7
disebut water table. Sedangkan daerah diatas muka air tanah yang memiliki gaya
kapiler mendorong air ke atas melalui ruang – ruang pori dikenal sabagai
capillary friange. Pengertian lain dari Water table adalah batas daerah yang
memiliki tekanan air yang sama dengan tekanan atmosfer. (Waller,Roger M)
Gambar 2.2 proses terjadinya air tanah
Penyebaran air tanah secara vertikal dibagi menjadi dua zona besar yaitu
zona aerosion (zona tidak jenuh) dan zona saturasi (jenuh). Kondisi alami
distribusi air tanah di lapisan akuifer dalam sistem geologi dikendalikan oleh
litologi batuan dan struktur dari material simpanan geologi. Litologi merupakan
formasi fisik dari geologi. Formasi ini termasuk di dalamnya komposisi mineral,
ukiran butiran dan kumpulan butiran yang terbentuk dari sedimentasi atau batuan
yang menampilkan sistem geologi.
2.3 Muka Air Tanah
Keadaan muka air tanah dapat dianalogikan dengan mengambil sebuah
baskom yang setengahnya berisi pasir, kemudian baskom tersebut dituangkan
dengan air. Air akan meresap melalui pasir dan merembes ke dalam dasar baskom
yang kedap air/impermeabel. Pada saat bersamaan pasir akan basah, semakin
banyak air yang ditambahkan, air akan sampai ke permukaan pasir. Pada saat air
di dalam baskom sudah banyak, setengah dari dasar isi baskom akan dalam
keadaan jenuh ( saturasi ).( Leopold,1974).
Kemudian pasir yang berada di baskom dibagi dua dengan membuat
saluran/seperti selokan sehingga akan terdapat saluran yang memisahkan pasir di
Universitas Sumatera Utara
8
dalam baskom g membentuk suatu saluran kemudian air dituangkan lagi sehingga
air akan mengisi kekosongan saluran pemisah. Tinggi air yang berada di saluran
pemisah akan sama dengan tinggi pasir yang terkena air dan tingkat tinggi atau
permukaan ini disebut dengan muka air tanah ( water table ).
Gambar 2.3 Muka air tanah
Pada kondisi nyata ketika hujan turun air hujan akan jatuh ke permukaan
tanah. Air yang berhasil meresap ke bawah tanah akan terus bergerak ke bawah
sampai air mencapai lapisan tanah atau batuan yang jarak antar butirannya sangat
sempit yang tidak memungkinkan air untuk melewatinya. Lapisan ini disebut
lapisan aquitard dan bersifat impermeabel. Air yang datang kemudian akan
menambah volume air yang mengisi rongga – rongga antar butiran dan akan
tersimpan disana. Penambahan volume air akan berhenti seiring dengan
berhentinya hujan. Air yang tersimpan di bawah tanah itu disebut air tanah.
Sementara air yang tidak bisa diserap dan berada di permukaan tanah disebut air
permukaan.
2.4 Litologi Batuan
Batuan adalah bahan alamiah yang terbentuk dari satu mineral maupun
sekelompok mineral. Batuan mempunyai pori – pori dan mempunyai sifat
menyerap, dimana fluida dapat tersimpan didalamnya. Batuan juga dapat bersifat
sebagai konduktor yang baik maupun yang buruk hal ini tergantung dengan
komposisi fluida yang terkandung didalamnya. Ada interaksi yang penting antara
Universitas Sumatera Utara
9
air dan batuan, keberadaan keduanya saling mempengaruhi dalam skala ruang dan
waktu.
2.4.1
Batu Sebagai Media Penghantar Listrik di Dalam Tanah
Pada umumnya cairan dengan komposisi kimia tertentu yang mengisi
pori–pori dari batuan dan sifat penyerapannya merupakan suatu yang penting
dalam menentukan sifat resistivitas dan konduktivitas batuan yang membentuk
batuan itu. Aliran listrik di dalam batuan dan mineral dapat terjadi jika batuan atau
mineral mempunyai banyak elektron bebas sehingga arus listrik dialirkan dalam
batuan atau mineral oleh elektron bebas tersebut. Aliran listrik ini juga
dipengaruhi oleh sifat karakteristik masing – masing batuan yang dilewatinya.
Salah satu sifat atau karakteristik batuan tersebut adalah resistivitas (tahanan
jenis) yang menunjukkan kemampuan bahan tersebut untuk menghantarkan arus
listrik. Semakin besar nilai resistivitas suatu bahan maka semakin sulit bahan
tersebut menghantarkan arus listrik, begitu pula sebaliknya.
Resistivitas memiliki pengertian
yang berbeda dengan resistansi
(hambatan), dimana resistansi tidak hanya bergantung pada bahan tetapi juga
bergantung pada faktor geometri atau bentuk bahan tersebut, sedangkan
resistivitas tidak bergantung pada faktor geometri.
A
i
i
L
Gambar 2.4 Konduktor silinder
Jika ditinjau suatu silinder dengan panjang L (dalam meter), luas
penampang A(m2), dan resistansi R (Ω), maka dapat dirumuskan:
ρ = R . A/ L
2.1
dimana secara fisis rumus tersebut dapat diartikan jika panjang silinder konduktor
L dinaikkan, maka resistansi akan meningkat, dan apabila diameter silinder
konduktor diturunkan yang berarti luas penampang (A) dalam meter kuadrat (m2)
berkurang maka resistansi juga meningkat. Dimana ρ adalah reistivitas ( tahanan
jenis) dalam Ωm (Ohm.meter). Berdasarkan hukum ohm resistansi R (Ω)
dirumuskan dengan:
Universitas Sumatera Utara
10
R= V/I
2.2
V (volt) adalahbeda potensial dan I (Ampere) adalah kuat arus. Sehingga
didapatkan nilai resistansi (ρ),
𝜌=
2.4.2
𝑉𝐴
2.3
𝐼𝐿
Nilai Resistivitas Batuan
Batuan dan mineral di bumi memiliki karakteristik fisika yang bervariasi,
dari sifat porositas, permeabilitas, kandungan fluida dan ion – ion di dalam pori –
porinya, sehingga materi bumi memiliki variasi harga resistivitas.
Menurut
Telford
(1990)
aliran
listrik
di
dalam
batuan
dapat
dikelompokkan menjadi 3 jenis, yaitu
1. Konduksi elektronik
Konduksi ini trjadi apabila batuan mempunyai elektron bebas sehingga arus
listrik di alirkan oleh elektron bebas.
2. Konduksi elektrolit
Konduksi terjadi jika batuan bersifat poros dan pori – pori terisi oleh cairan
elektrolit. Pada konduksi ini arus listrik dibawa oleh ion – ion elektrolit.
3. Konduksi dielektrik
Konduksi ini terjadi jika batuan bersifat dielektrik terhadap aliran arus listrik
yaitu terjadi polarisasi saat bahan dialiri arus listrik.
Faktor faktor yang menyebabkan resistivitas batuan menurun :
1. Pori pori terisi oleh fluida
2. Peningkatan salinitas fluida
3. Adanya rekahan pada batuan yang dapat memberikan jalan untuk
aliran arus
4. Terdapat mineral clay
5. Menjaga agar kandungan fluida tetap, tetapi meningkatkan hubungan
antar pori –pori.
Faktor – faktor yang menyebabkan resistivitas batuan meningkat :
1. Berkurangnya pori – pori fluida
2. Salinitas rendah
3. Kompaksi – jalan aliran arus berkurang
Universitas Sumatera Utara
11
4. Litifikasi – pori-pori terblok dengan deposit mineral
5. Menjaga agar kandungan flida tetap, tetapi menurunkan hubungan antara
pori – pori.
Kebanyakan batuan dan material adalah penghantar yang buruk, dan
penghambat yang baik dengan nilai resistivitas yang besar. besar nilai
resistivitasnya dipengaruhi oleh porositas dan jumlah air yang diserap pori pori
batuan.
Bahan Penghantar atau konduktor biasanya memiliki resistivitas dibawah
105 Ωm, berlawanan dengan isolator yang nilai resistivitasnya diatas 10 7 Ωm.
Logam dan grafit adalah contoh bahan konduktor, mengandung elektron bebas
yang bergerak sangat cepat. Bahan Semikonduktor juga membawa arus dan
mengalirkan elektron tapi besarnya lebih kecil dibandingkan dengan bahan
konduktor. Isolator memiliki karakteristik yang memilki ikatan ion tetapi elektron
valensinya tidak bergerak secara bebas sehingga bahan isolator merupakan
resistor yang baik yang memiliki resistivitas diatas 107 Ωm. Tabel dibawah
menunjukan nilai resistivitas beberapa jenis material dan batuan yang ada di bumi.
Tabel (2.1) dan (2.2) menunjukkan nilai resistivitas beberapa batuan dan material
di bumi.
Tabel 2.1 Resistivitas Beberapa Jenis Batuan
Rocks + Material
Air laut
Top soil
Air dalam akuifer aluvial
Air tanah (groundwater fresh)
Nilai resistivitas (Ωm)
0,2
5 - 100
10 - 30
10 - 100
1000 – 10.000
0,5 - 5
50 - 500
2 – 20
30 – 225
20 -100
300 – 10.000
50 – 300
Batu pasir berkwarsa
300 – 10.000
Alluvium
10 - 800
Silstone
20 - 150
(Sumber : Astier, 1971; Anthony,2006 ; Milson,2003; Loke,1999 )
Pasir dan kerikil kering
Pasir dan kerikil terendam air laut
Pasir dan kerikil terendam air tawar
Lempung
Sand and gravel
Marl
Batu gamping
Batupasir lempung
Universitas Sumatera Utara
12
Tabel 2.2 Resistivitas Beberapa Jenis Air yang Tersaturasi Maupun yang Tidak
Tersaturasi
Nilai Resistivitas
Jenis Air
(Ω . meter)
Meteoric Water ( Air yang berasal dari curah hujan)
30 - 1000
Surface Water ( Air yang berada di Wilayah batuan
10 – 100
Sedimen)
Ground Water ( Air yang berada di Wilayah batuan
Beku)
Sea Water
Ground Water ( Air yang berada di Wilayah batuan
Sedimen)
Sumber : Telford 1990
30 – 150
0,2
>1
2.5 Pendugaan Geolistrik
Geolistrik merupakan salah satu metoda geofisika yang mempelajari sifat
aliran listrik, pengukuran potensial, hingga pengukuran arus dan medan
elektromagnetik di dalam bumi. Teknik resistivitas merupakan survei metode
geolistrik yang paling banyak digunakan karena pada teknik resistivitas nilai
kuantitatif tahanan jenis dapat diperoleh dengan mengatur dimensi besaran yang
berkaitan. Teknik ini menggunakan arus sebagai elemen utamanya yang dialirkan
pada permukaan bumi dengan menggunakan titik elektroda ataupun sambungan
elektroda yang panjang.
Prinsip kerja resistivitas ialah mengalirkan arus DC (arus bolak balik)
yang besar ke dalam bumi melalui dua elektroda arus yang ditanamkan di dua titik
permukaan tanah kemudian respon beda potensial yang terjadi diukur pada
elektroda potensial yang terletak sejajar di antara elektroda – elektroda arus
tersebut. Empat titik elektroda – elektroda tersebut yaitu dua elektroda arus dan
dua elektroda potensial ditempatkan dalam suatu susunan tertentu. Hasil
pengukuran arus dan tegangan untuk setiap jarak elekroda yang berbeda kemudian
dapat diturunkan harga resistivitas semu variasi masing – masing berdasarkan
lapisan di bawah bumi untuk setiap spasi elektroda yang dibentang.
(Telford.1990).
Dalam pendugaan resistivitas digunakan asumsi – asumsi sebagai berikut.
1. Pada bawah permukaan bumi terdiri dari lapisan – lapisan dengan
ketebalan tertentu, kecuali pada lapisan terbawah yang mempunyai
Universitas Sumatera Utara
13
ketebalan tidak berhingga
2. Bidang batas antar lapisan adalah horizontal
3. Setiap lapisan dianggap isotropis, homogen isotropis.
Apabila medium homogen isotropis dialiri arus listrik dengan medan listrik (𝐸̅ )
yang melalui suatu medium elemen luas 𝜕𝐴 dengan rapat ( 𝐽 ̅ ) maka besarnya
arus pada elemen tersebut ialah 𝐽.̅ 𝜕𝐴. Dengan demikian rapat arus ( 𝐽 ̅ ) di setiap
elemen luasan akibat medan listrik (𝐸̅ ), akan memenuhi syarat.
𝐽 ̅ = 𝜎𝐸̅
2.4
𝐸̅ dalam volt per meter (V/m) dan 𝜎 ( 1/𝜌 ) adalah konduktivitas medium dalam
siemens per meter (S/m). Medan listrik merupaka gradien dari potensial skalar
sehingga dapat ditulis
𝐸̅ = − ∇ 𝑉
2.5
Disubsitusikan persamaan 2.4 ke persamaan 2.5 sehingga diperoleh
𝐽 = −∇ 𝜎 𝑉
2.6
Lapisan bumi dianggap bersifat homogen isotropis merupakan pendekatan yang
sederhana dalam penentuan tahanan jenis lapisan – lapisan batuan bumi, sehingga
tahanan jenis 𝜌 dianggap tidak bergantung pada sumbu koordinat. Arus tunggal I
menyebabkan timbulnya distribusi potensial. Bila arus stasioner maka,
∇𝐽 =0
2.7
Untuk medium homogen isotropis 𝜌 konstan, maka 𝜎 juga konstan sehingga
perubahan ∇ 𝜎 = 0, sehingga diperoleh persamaan laplace sebagai berikut,
∇2 𝑉 = 0
2.8
Untuk elektroda berarus tunggal di dalam bumi maka persamaan laplace pada
persamaan 2.8 menjadi,
∇2 𝑉 =
𝑑2 𝑉
𝑑𝑟 2
2 𝑑𝑉
+𝑟
𝑑𝑟
=0
2.9
Sehingga akan di dapatkan potensial disetiap titik yang berhubungan dengan
sumber arus pada permukaan bumi yang homogen isotropis adalah
𝐼𝜌 1
𝑉 = 2𝜋 𝑟 atau 𝜌 =
2𝜋 𝑉 1
𝑖
𝑟
2.10
Universitas Sumatera Utara
14
daya
C
permukaan
Aliran arus
ekwipotensial
Gambar 2.5 Elektroda tunggal pada permukaan bumi homogen
A
Permukaan
bumi
daya
V
C1
P1
P2
C2
r2
r1
r4
r3
Gambar 2.6 Dua elektroda arus dan potensial pada permukaan bumi homogen
Persamaan 2.10 digunakan jika elektroda arus tunggal diletakkan pada
permukaan bumi. Dua elektroda arus di permukaan bumi akan mepengaruhi dua
elektroda potensial sehingga rumus potensial yang diakibatkan dua elektroda
berarus adalah,
𝐼𝜌
1
1
1
1
𝐼𝜌
1
2
3
4
𝐾
∆𝑉 = 2𝜋 [(𝑟 − 𝑟 ) − (𝑟 − 𝑟 )] =
𝜌=𝑘
𝐾=
∆𝑉
2.12
𝐼
2𝜋
1
1
𝑟 1 𝑟2
2.11
1 1
𝑟3 𝑟4
( − )− ( − )
2.13
Universitas Sumatera Utara
15
2.6 Tahanan Jenis Semu
Dari persamaan 2.11 akan diperoleh nilai resistivitas ρ dari pengukuran
∆V dan I yang terjadi pada permukaan bumi yang homogen. Dimana resistivitas
ρ adalah resistivitas sebenarnya yang tidak tergantung pada jarak elektroda –
elektrodanya. Bumi terdiri dari lapisan tanah yang tidak homogen sehingga
tahanan jenis ρ juga berbeda tiap lapisannya dan saat pengukuran potensial yang
terukur merupakan pengaruh dari lapisan – lapisan tersebut. Sehingga resistivitas
yang terukur bukan harga resistivitas untuk satu lapisan saja, terutama untuk spasi
elektroda yang besar. Sehingga resistivitas semu dapat dirumuskan dengan
𝜌𝑎 = 𝑘
∆𝑉
2.14
𝐼
𝜌𝑎 adalah tahanan jenis semu ( Apperant resistivity) yang bergantung pada jarak
elektroda.
2.7 Konfigurasi Wenner – Schlumberger
A
Permukaan
bumi
daya
V
C1
P1
na
P2
C2
na
a
Gambar 2.7 Susunan elektroda- elektroda pada konfigurasi Wenner–
Schlumberger
Konfigurasi
adalah
teknik
geolistrik
yang
dipakai
untuk
menancapkan/penyusunan elektroda – elektroda pada permukaan bumi. Ada
beberapa konfigurasi yang diterapkan dalam metode geolistrik seperti konfigurasi
Wenner, konfigurasi Schlumberger, konfigurasi dipole-dipole dan banyak lagi.
Pada penelitian ini konfigurasi yang digunakan adalah konfigurasi Wenner Sclumberger.
Resistivitas semu merupakan resistivitas yang berbeda dari suatu medium
khayalan homogen yang ekivalen dengan medium berlapis yang ditinjau secara
Universitas Sumatera Utara
16
teori pada permukaan bumi yang diakibatkan sumber arus titik di permukaan
adalah
𝐼𝜌
1
∆𝑉 = (2𝜋) 𝑟
2.15
Dengan menggunakan persamaan ini dapat dicari beda potensial yang terukur di
permukaan bumi homogen untuk konfigurasi Wenner – Schlumberger.
Selanjutnya dapat dicari nilai resistivitas ρ dalam beda potensial ∆V , dan arus I
dalam jarak antar alektroda. Jika bumi tidak homogen maka resistivitas ρ disebut
resistivitas semu 𝜌𝑎 . Maka beda potensial konfigurasi linear pada bumi homogen
oleh dua sumber arus
𝐼𝜌
1
1
1
1
1
2
3
4
∆𝑉 = 2𝜋 [(𝑟 − 𝑟 ) − (𝑟 − 𝑟 )]
2.16
Sehingga resistivitas 𝜌𝑎 adalah
𝜌𝑎 =
∆𝑉
𝐼
[
2𝜋
1
1
𝑟1 𝑟2
1
1
𝑟3 𝑟4
( − )− ( − )
]
2.17
Kemudian untuk mendapatkan nilai resisitivitas semu 𝜌𝑎 untuk konfigurasi
Wenner – Schlumberger disubsitusikan nilai jarak elektroda pada gambar (2.5) ke
nilai r1, r2,r3, r4 dari persamaan (2.17)
𝐾=
2𝜋
(
1
1
1
1
−
)− (
− )
𝑛𝑎 𝑎+𝑛𝑎
𝑎+𝑛𝑎 𝑛𝑎
𝐾 = 𝜋𝑛(1 + 𝑛)𝑎
2.18
2.19
Sehingga nilai Geometri K untuk metode geolistrik Wenner – Schlumberger
ditunjukan pada persamaan 2.19.
𝜌𝑎 = 𝐾
∆𝑉
𝐼
2.20
2.8 Sofware Res2dinv
Harga resistivitas pada persamaan 2.20 merupakan harga resistivitas semu
yang diperoleh dari hasil pengukuran dilapangan. Survey geofisika bertujuan
untuk memetakan atau dengan kata lain memberikan informasi fonemena. Hasil
akhir yang diharapkan akan mampu memberi informasi tentang lokasi atau letak
(letak latitude, nilai resistivitas batuan, dan besaran besaran fisika lainnya). Salah
satu perangkat lunak ( software ) yang digunakan untuk mengolah data geofisika
adalah RES2Dinv. Program RES2Dinv dapat menginversi data hasil pengukuran
Universitas Sumatera Utara
17
resistivitas menjadi informasi nilai resistivitas suatu lapisan tanah. RES2Dinv
adalah program komputer yang secara otomatis bisa menggambar atau membuat
model 2D ( dua dimensi ) bawah permukaan tanah, dari data survei geolistrik.
Program ini menggunakan teknik forward modeling dari data RES2Dinv
resistivitas semu hasil pengukuran untuk mendapatkan hasil inversinya. Program
RES2Div menyediakan pilihan menggunakan teknik non – linier finite different
forward modeling dan finite element forward modeling. Forward modeling
digunakan untuk melakukan perhitungan persamaan matematika seperti
menghitung nilai resistivitas semu dari model geologi yang sudah dibuat.
RES2Dinv juga memiliki perangkat dukungan untuk memilih metedo geolistrik
yang ingin digunakan seperti IP (induzed polarization) dan metode resistivitas
konfigurasi elektroda Wenner, konfigurasi Wenner – Schlumberger, konfigurasi
dipole – dipole array.
Universitas Sumatera Utara