Metode MT Untuk Geothermal (Magnetotelurik) Untuk Identifikasi Struktur Dalam

Metode MT untuk geothermal atau panas bumi merupakan metode geofisika paling penting terutama pada tahap eksplorasi. Metode MT untuk geothermal digunakan untuk memperkirakan struktur system panas bumi.

Pengantar Metode MT Untuk Geothermal

Metode elektromagnetik merupakan metode geofisika yang mengukur medan listrik (E) dan medan magnet (H) di permukaan bumi dalam selang waktu tertentu. Metode eloktromagnetik yang sering digunakan untuk eksplorasi panas bumi (Geothermal) diantaranya adalah metode Audiomagnetotelurik (AMT), Magnetotelurik (MT) dan Time-domain Elektromagnetik (TDEM). Saat ini, metode MT untuk geothermal merupakan yang paling banyak digunakan.

Metode MT Untuk Geothermal

Metode audiomagnetotelurik (AMT) dan magnetotellurik (MT) merupakan salah satu metode geofisika pasif yang memanfaatkan medan elektromagnetik (EM) alami sebagai sumber gelombang atau energi untuk mengetahui struktur tahanan jenis bawah permukaan.

Metode AMT memiliki rentang frekuensi antara 0,1 Hz sampai dengan 10 kHz sedangkan metode MT mempunyai rentang frekuensi yang panjang (0.0001-100 Hz) sehingga mampu untuk investigasi dari kedalaman beberapa puluh meter hingga ribuan meter di bawah permukaan bumi.

Prinsip Kerja Metode Magnetotellurik

Prinsip Kerja Metode Magnetotellurik (MT) dam Audio Magnetotellurik (AMT) didasarkan pada proses penjalaran gelombang dan induksi elektromagnetik yang terjadi pada anomali bawah permukaan. Medan elektromagnetik yang menembus bawah permukaan akan menghasilkan medan listrik dan magnetik sekunder (arus eddy/arus telurik) dalam material konduktif di dalam bumi, yang kemudian direkam oleh sensor (alat magnetotellurik).

Prinsip Kerja Metode Magnetotellurik (MT) dam Audio Magnetotellurik (AMT) menggunakan salah satu pendekatan yang digunakan dalam metode ini adalah bahwa medan elektromagnetik merupakan gelombang bidang yang merambat tegak lurus ke permukaan bumi.

Demikian pula, kontras resistivitas yang besar di antara atmosfer bumi (udara sangat resistif) dan permukaan bumi (sangat konduktif) mensyaratkan bahwa gelombang elektromagnetik merambat vertikal di bawah permukaan bumi tidak terpengaruh oleh resistivitas di ionosfer. Berdasarkan pada sifat penjalaran medan elektromagnetik pada anomali kondusktif, kedalaman penetrasi (skin depth) bergantung pada frekuensi yang digunakan dan resistivitas material bawah permukaan.

Material yang lebih rendah resistivitasnya menyebabkan medan EM menjadi lebih tajam dan memeiliki daya tembus lebih dangkal daripada material yang mempunyai resistivitas lebih tinggi.

Demikian pula, medan listrik dan magnetik frekuensi tinggi memiliki daya tembus yang lebih dangkal dibanding dengan medan dengan frekuensi rendah. Dengan kata lai, semakin kecil frekuensi yang digunakan, maka penetrasi gelombang elektromagnetik akan semakin dalam yang dikenal sebagai skin depth.

Pengambilan Data Metode Magnetotellurik

Pengambilan data dilakukan melalui pengukuran simultan komponen ortogonal dari medan listrik dan medan magnet (H_z), yang terdiri dari komponen arah x dan y yaitu E_x, E_y, H_x dan H_y, serta komponen arah z untuk medan magnet (Hz).

Konfigurasi pengukuran medan ini ditunjukan pada Gambar 4.14 di bawah ini. Arah x positif biasanya digunakan sebagai acuan untuk arah utara, sedangkan arah y positif sebagai arah timur.

Tensor Impedansi (Z)

Impedansi (Z) merupakan salah satu besaran yang menunjukan sifat medium untuk mendeskripsikan resistensi terhadap induksi medan elektromagnetik. Impedansi merupakan tensor yang menghubungkan medan listrik dengan medan magnet.

Untuk gelombang elektromagnetik yang terpolarisasi bidang dengan komponen medan listrik dan magnet E_x, E_y, dan H_x,H_y, maka besaran medan listrik (E) dapat dinyatakan dalam besaran Impedansi (Z) dan medan magnet (H) sebagai berikut :

E_x= Z_xxH_x + Z_xyH_y

E_y= Z_yxH_x + Z_yyH_y

Dalam bentuk matrik:

(1)

Kasus Struktur 1-dimensi (1D) pada Aplikasi Metode MT Untuk Geothermal

Kasus Struktur 1-dimensi (1D) pada Aplikasi Metode MT Untuk Geothermal, dalam kasus struktur resistivitas 1-D yang variasi resistivitasnya hanya bergantung pada kedalaman, tidak ada perbedaan medan listrik dalam arah x maupun y, begitu juga medan magnet.

Besar impedansi (Z) bervariasi terhadap kedalaman bergantung pada konduktivitas (σ) dan kedalaman (h) seperti ditunjukkan pada Gambar dibawah ini.

Dalam kasus 1-d, berlaku:

Z_xy= -Z_xy; Z_xx= Z_yy = 0

Resistivitas semu di permukaan adalah

Dimana ω adalah frekuensi sudut (2πf) dan μ₀ adalah pemitivitas listrik dalam ruang hampa.

Sedangkan fasa dirumuskan sebagai berikut :

Pada prakteknya di lapangan, besaran medan listrik dalam arah X dan Y dapat berbeda, begitu juga medan magnetnya. Oleh karena itu, pada pemodelan 1-D, umumnya menggunakan besaran invariant yang melibatkan semua komponen medan elektromagnetik baik xy maupun yx.

Besaran invarian diturunkan dari tensor impedansi dan bersifat tidak bergantung arah koordinat pengukuran.Dengan kata lain besaran invarian tidak terpengaruh walaupun dilakukan rotasi tensor impedansi.

Ranagayaki (1984) merumuskan persamaan untuk menghitung nilai invariant berdasarkan prinsip determinan sebagai berikut:

Berdichevsky (2002) menyatakan besaran invarian sebagai hasil perataan komponen utama (anti diagonal) tensor impedansi:

Kasus struktur 2-dimensi (2D) pada Aplikasi Metode MT Untuk Geothermal

Kasus struktur 2-dimensi (2D) pada Aplikasi Metode MT Untuk Geothermal dengan kondisi resistivitas bervariasi baik dalam arah vertical maupun salah satu arah horizontal (arah x atau arah y), besar medan listrik dan medan elektromagnet dipengaruhi oleh arah pengukuran yang dilakukan terhadap arah jurus atau strike.

Oleh karena itu, pada kasus ini gelombang elektromagnetik dapat didekomposisi menjadi dua jenis polarisasi atau modus, yaitu

mode Transverse Electric (TE) dan Transverse Magnetic (TM). Modus TE didefinisikan jika medan listrik searah jurus/strike sedangkan modus TM didefinisikan jika medan listrik tegak lurus strike/jurus.

Gambar dibawah menunjukan arah strike/jurus dan kaitannya dengan modeus TE dan TM.Asumsi arah jurus searah dengan arah x (Gambar 4.16), maka modus TE berkaitan dengan besaran dalam komponen xy dan modus TM berkaitan dengan besaran dalam komponen yx.

Dengan demikian, untuk kasus Struktur resistivitas 2-D berlaku:

Z_xy≠-Z_xy; Z_xx= Z_yy = 0 ;

resistivitas semu (mengacu pada arah jurus pada Gambar diatas adalah:

Analisis Dimensionalitas pada Aplikasi Metode MT Untuk Geothermal

Pada umumnya penggunaan metode MT Untuk Geothermal, struktur bawah permukaan merupakan struktur 3 dimensi. Oleh karena itu, besaran impedansi untuk semua komponen tidak sama dengan nol. Akan tetapi, kita dapat melakukan pendekatan melalui pemodelan 1 dimensi atau 2 dimensi tergantung pada kondisi struktur di lapangan.

Untuk menentukan jenis struktur apakah 1D, 2D atau 3D, perlu dilakukan analisis dimensionalitas. Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk menentukan dimensionalitas, diantaranya analisis beberapa parameter seperti elipticity, skew, alpha atau beta. Phase tensor. Apabila hasil analisis menunjukkan bahwa datanya merupakan data 2D, maka tahap selanjutnya adalah menentukan arah jurus/strike.

Penentuan Arah Strike pada Struktur 2D

Beberapa metode sudah dikembangkan untuk menentukan arah jurus (strike) diantaranya adalah dengan metode Swift (1960) dengan menghitung sudut θ yang menghasilkan nilai maksimum dari:

Arah strike yang dihitung θ memiliki ambiguitas sebesar 90^o,

Statik Shift

Statik shift merupakan fenomena dimana terjadinya perubahan resistivitas semu secara vertikal dalam kurva sounding. Fenomena ini disebabkan adanya anomali konduktif kecil dipermukaan inhomogeneties structures) yang menyebabkan terjadinya pengumpulan muatan pada batas anomali tersebut.

Adanya pengumpulan muatan ini menyebabkan penurunanmedan listrik yang terukur sehinga akan mempengaruhi impedansi yang terukur. Jika anomali ini berukuran besar, jauh lebih besar dari skin depth, maka dalam hal ini, anomali tersebut tidak akan menyebabkan efek statik shift dan dapat dimodelkan sebagai target dari pengukuran.

Ada beberapa cara untuk menghilangkan efek static ini,

Melakukan koreksi terhadap struktur dangkal dimana data responnya dapat diperoleh dari pengukuran TDEM atau metode lain yang tidak terpengaruh efek ini.
Melakukan koreksi secara langsung dalam proses pemodelan inversi dimana parameter efek static dilibatkan sebagai parameter pemodelan inverse.

Pengukuran Dengan Metode Remote Reference pada Aplikasi Metode MT Untuk Geothermal

Pada metode MT Untuk geothermal, untuk mendapatkan data yang lebih baik, pada umumnya digunakan metode pengukuran dengan remote refrence. Untuk membahas proses pengolahan data dengan metode ini, diawali dengan proses pengolahan data dari time series (deret waktu).

Deret waktu dengan rentang yang sangat panjang dipartisi menjadi deret-deret waktu yang pendek.

Dari tiap partisi akan diperoleh estimasi impedansi pada beberapa frekuensi. Perkalian tiap komponen medan elektromagnetik dengan konjugat kompleksnya akan menghasilkan spektrum daya dan spektrum silang sebagai berikut:

{E_xE^*_x} =Z_xx{H_xE^*_x} + Z_xx { H_yE^*_x} (11a)

{E_xE^*_y} =Z_xx{H_xE^*_y} + Z_xy { H_yE^*_y} (11b)

{E_xH^*_x} =Z_xx{H_xE^*_x} + Z_xy { H_yH^*_x} (11c)

{E_xH^*_x} =Z_xx{H_xE^*_y} + Z_xy { H_yH^*_y} (11d)

{E_yE^*_x} =Z_yx{H_xE^*_x} + Z_yy { H_yE^*_x} (11e)

{E_yE^*_y} =Z_yx{H_xE^*_y} + Z_yy { H_yE^*_y} (11f)

{E_yH^*_x} =Z_yx{H_xH^*_x} + Z_yx { H_yH^*_x} (11g)

{E_yH^*_y} =Z_xx{H_xH^*_y} + Z_yy { H_yH^*_y} (11h)

Persamaan-persamaan (24) terdiri dari spektrum-daya (X_iX_i^*) atau (Y_iY_i^*) dan spektrum silang dimana X dan Y adalah medan listrik atau medan magnetik komponen-i atau –j.

Noise Pada Data Medan Listrik dan Magnet

Data pengukuran medan listrik dan magnetik selalu mengandung noise. Oleh karena itu, komponen medan listrik dan magnetik hasil pengukuran bisa dituliskan sebagai penjumlahan antara medan alami dan noise.

E_obs = E + E_noise (12)

H_obs = H + H_noise(13)

Dengan asumsi noise bersifat inkoheren (random dan independen terhadap medan alam serta terhadap noise lain), maka spektrum daya dan spektrum silang dapat ditulis:

{EE^*} ={EE^*} + {E_noise E^*_noise} (14)

{HH^*} ={HH^*} + {H_noise H^*_noise} (15)

{EH^*} ={EH^*} (16)

Persamaan (27) dan (28) memperlihatkan bahwa spektrum daya mengandung noise. Noise ini bisa mengakibatkan nilai Ẕ hasil estimasi terbias. Persamaan-persamaan (11a), (11b), (11e) dan (11f) mengandung spektrum daya komponen medan listrik sehingga memberikan solusi yang bias atau terkontaminasi oleh noise.

Nilai Ẕ yang lebih akurat dapat dihasilkan dari persamaan (11c), (11d), (11g) dan (11h) yang mengandung spektrum silang EH^*. Namun demikian, persamaan-persamaan tersebut masih mengandung spektrum daya komponen magnetik, .Untuk menghilangkan pengaruh noise pada spektrum daya magnetik, diterapkan metode remote reference.

Prinsip Kerja Metode Magnetotellurik Menggunakan Remote Reference

Metode remote reference melibatkan satu titik pengukuran tambahan yang letaknya relatif jauh dari titik pengukuran utama. Sensor yang digunakan pada titik ini biasanya hanya sensor magnetik saja.

Metode remote reference didasarkan pada karakter medan magnetik yang secara spasial tidak terlalu bervariasi. Oleh karena itu karakter atau sinyal pada medan magnetik di titik pengukuran dan di titik referensi relatif identik, namun masing-masing memiliki noise yang berbeda.

Dengan menggantikan nilai H^* dengan nilai H^*_R (konjugat kompleks magnetik data remote reference), maka persamaan (24c) dan (24d) memberikan nilai Z_xx dan Z_xysebagai berikut:

Selain dengan teknik remote reference, pembersihan noise juga dilakukan dengan analisis statistik. Robust processing adalah teknik yang digunakan dalam analisis ini.

Dengan mendeteksi pencilan luar, data yang memiliki nilai jauh berbeda dengan data keseluruhan, secara iteratif diberikan pembobotan yang lebih kecil.

Peralatan yang digunakan dalam pengukuran AMT/MT adalah umumnya berupa: Receiver, Porous potuntuk menangkap gelombang elektrik,coil untuk menangkap gelombang magnetic,Kabel Arus dan kabel Coil.

Data Yang Dihasilkan pada Aplikasi Metode MT Untuk Geothermal

Penyelidikan Metode MT Untuk Geothermal atau AMT menghasilkan informasi bawah permukaan yang disajikan dalam bentuk peta dan penampang seperti gambar dibawah ini.

Data yang dihasilkan dari metode ini dapat berupa peta sebaran tahanan jenis per kedalaman/elevasi dan penampang model 2D/3D.

Penutup

Demikian uraian metode MT untuk geothermal atau panas bumi yang merupakan metode geofisika paling penting terutama pada tahap eksplorasi.

Metode MT untuk geothermal digunakan untuk memperkirakan struktur sistem panas bumi.

Jika Anda ingin berkonsultasi tentang Metode MT untuk geothermal ini untuk kebutuhan proyek Anda, Silahkan menghubungi Geofisika Indonesia – Konsultan Geofisika Bandung.

Metode MT Untuk Geothermal (Magnetotelurik) Identifikasi Struktur Dalam