Memasuki awal Bulan Juni yang sungguh sangat tidak produktif, akhirnya mencoba menulis lagi. Karna sedang tidak mood skincare an, dan sedang rindu dengan lapangan, akhirnya memutuskan untuk menulis tentang salah satu metode geofisika yang "underrated" but become my favorite! I'm obsessed in studying gravity, but reading about this method is another level of happiness. Apalagi kalau bukan metode Elektromagnetik (EM) : Very Low Frequency (commonly known as VLF).
Pembahasan tentang Metode VLF ini akan dibagi menjadi 3 part. Why? Karna lagi mood untuk menulis 3 part. Dan karena panjang juga materinya. Hehehe.
- Part 1 tentang Introduction dan basic theory
- Part 2 tentang Physical Parameters aqcuired, Instrument dan how to acquiring the data
- Part 3 tentang Data Processing, serta how to simply interpreting hasilnya.
I'm not an expert in this method, actually. Hanya saja suka dengan metode ini, dan kebetulan pernah jadi asisten yang bikin ada kewajiban belajar materinya dengan riang gembira :D
Disc: feel free to ask, discuss, or even correct tulisan ini :D
Happy reading, semoga bermanfaat
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Introduction EM-VLF Method
Metode VLF adalah metode
elektromagnetik yang memanfaatkan sinyal berfrekuensi sangat rendah (15-30
kHz). Sinyal ini adalah sinyal radio yang biasa digunakan untuk keperluan
militer – submarine. Metode
ini memanfaatkan gelombang pembawa (carrier wave) dari pemancar yang dibuat
oleh militer untuk komunikasi dan navigasi kapal selam. Karena frekuensi yang
digunakan sangat rendah, maka gelombang EM ini memiliki atenuasi yang rendah
dan penetrasi yang lebih jauh. Metode ini memanfaatkan gelombang pembawa
(carrier wave) dari pemancar yang dibuat oleh militer untuk komunikasi dan
navigasi kapal selam. Karena frekuensi yang digunakan sangat rendah, maka
gelombang EM ini memiliki atenuasi yang rendah dan penetrasi yang lebih jauh.
 |
| Pic 1. EM Wave Properties Range (from NASA modified in Wikipedia) |
Metode VLF dapat digunakan untuk beberapa target seperti berikut.
- Fault mapping
- Groundwater investigations
- Overburden mapping
- Contaminant mapping
- Mineral exploration
Metode VLF memiliki kelebihan 1) Quick and inexpensive : Pengambilan data dapat dilakukan dengan cepat dan tidak banyak alat yang digunakan; 2) Simple to interpret : Hasil pemrosesan cenderung mudah diinterpretasi karena tidak terlalu banyak komponen yang diperhitungkan; 3) Can be used world wide : Metode ini cenderung dapat digunakan di seluruh tempat di dunia selama lokasinya terjangkau oleh sinyal dari transmitter. Sedangkan kelemahan dari metode ini adalah 1) Sensitif terhadap keadaan permukaan dan pengaruh lokal; 2) Interpretasi pada umumnya dilakukan secara kualitatif; 3) Efek topografi dapat membiaskan data dan sulit untuk dihilangkan; 4) Tidak memiliki kontrol terhadap transmiter; 5) Akuisisi sangat dipengaruhi oleh keadaan atmosfer (adanya hujan, mendung, badai petir, dll).
Terdapat 2 mode yang dapat digunakan pada metode VLF. Mode ini dapat dipilih tergantung dari target survei yang dicari. Kedua mode tersebut yakni 1) Mode Tilt Angle dan Ellipticity dan 2) Mode Resistivity. Mode Tilt Angle dan Ellipticity lebih peka digunakan pada target yang memiliki kontras konduktif dengan sekitarnya, sedangkan Mode Resistivity akan lebih peka digunakan pada target yang memiliki kontras resistif dibanding sekitarnya. Pada Mode Resistivity, dilakukan pengukuran arus induksi yang digenerate dari gelombang sinyal transmitter. Ini dilakukan untuk menghitung tahanan jenis batuan di bawah permukaan. Pengukuran arus induksi ini dilakukan dengan menggunakan elektroda.
Perbedaan dari kedua mode ini dapat diamati pada deskripsi mode berikut.
Mode Tilt Angle dan Ellipticity
- Digunakan untuk mengukur konduktivitas relatif bawah pemukaan.
- Arah lintasan akuisisi tegak lurus strike dan tegak lurus pemancar.
- Menangkap sinyal dari gelombang medan magnet.
- Noise berupa overload magnetic (SH)
Mode Resistivity
- Digunakan untuk mengukur resistivitas bawah permukaan.
- Arah lintasan akuisisi tegak lurus strike dan sejajar pemancar.
- Menangkap sinyal dari gelombang medan magnet dan medan elektrik.
- Noise berupa overload electromagnetic dan overload electric (SHE dan SE).
Lalu Dimana dan Kapan Survei Metode VLF dapat dilakukan?
Metode VLF dapat digunakan di seluruh tempat di dunia yang terjangkau oleh sinyal transmitter. Pada prakteknya, metode VLF dapat digunakan ketika terdapat kontras konduktivitas di antara unit geologi di bawah permukaan. Survei VLF dapat dilakukan kapan saja selama transmitter menyala dan cuaca cerah. Disarankan dilakukan pada pagi hingga siang hari karena sinyal dari transmitter memiliki batas morning terminator dan evening terminator.
 |
| Pic 2. Lokasi transmitter VLF di seluruh dunia (from nova.stanford.edu) |
Untuk memahami bagaimana metode ini bekerja, maka perlu ditinjau kembali teori yang mendasariny. Metode EM sendiri merupakan salah satu metode geofisika dengan dasar teori fisika lebih rumit dibandingkan dengan metode fisika klasik lainnya. Teori yang mendasari metode ini merupakan gabungan dari teori-teori elektrik dan magnetik yang dikemukakan oleh Coulomb, Oersted, Gauss, Ampere, dan Faraday. Penggagas teori gabungan yang mendasari EM ini adalah James C. Maxwell (1931-1879). Menurut Lowrie (2007), pencapaian Maxwell ini merupakan salah satu pencapaian besar dalam dunia fisika, setara dengan pencapaian Newton yang menemukan teori gravitasi, serta Einstein yang menemukan teori relativitas. Seluruh hipotesis dan argumen mengenai EM akan dimulai dari dasar teori Maxwell ini. Inilah sebabnya pada mata kuliah Elektromagnetik dulu, Ibu Dosen membahas tentang persamaan Maxwell ini hingga 4 dari 7 pertemuan. (Dulu belum paham Bu, maafkan saya yang termasuk dalam sambaters di kelas 😣)
Persamaan Maxwell
1.) ∇ . D = ρ.v
2.) ∇ . B = 0
3.) ∇ x E = -𝜕B/𝜕t
4.) ∇ x H = (𝜕D/𝜕t) + J
Persamaan Maxwell terdiri atas 4 persamaan yang seluruhnya menggambarkan secara matematis tentang : bagaimana medan elektrik dan magnetik merambat, berinteraksi, dan dipengaruhi oleh obyek sekitarnya.
Secara singkat, keempat persamaan legendaris tersebut akan dijelaskan secara fisis sebagai berikut.
- Persamaan 1 adalah Hukum Elektrik Gauss yang ditulis dalam pendekatan densitas flux elektrik (D) dan densitas muatan elektrik (ρ). Persamaan terebut menggambarkan bahwa jika terdapat sebuah muatan elektrik pada suatu tempat, maka divergensi dari flux elektrik di titik tersebut tidak sama dengan nol. Namun jika tidak terdapat muatan listrik, maka nilai divergensi densitas flux elektriknya sama dengan nol. Dari hukum ini, kita dapat mengetahui bahwa (1) Garis-garis medan D maupun medan elektrik E akan bergerak dari muatan positif ke muatan negatif; (2) Muatan sejenis akan saling tolak menolak dan muatan berbeda jenis akan saling tarik menarik; (3) Garis-garis medan D dan medan E diawali dan diakhiri oleh muatan listrik; serta (4) Divergensi dari medan D di sebuah volum ruang sama dengan jumlah muatan pada volum ruang tersebut.
- Persamaan 2 adalah tentang Hukum Magnetik Gauss yang menyatakan bahwa divergensi dari densitas flux magnetik (B) adalah 0. Dikarenakan B = μH, maka divergensi dari medan magnet juga sama dengan 0 . (H adalah medan magnet). Dari hukum ini kita dapat mengetahui bahwa (1) Tidak ada monopol magnetik; (2) Divergensi dari medan B dan medan H adalah sama dengan 0, berapapun volum ruangnya; dan (3) Medan magnet mengalir membentuk loop tertutup. Termasuk pada gelombang bidang, medan magnet nya juga menjalar dengan loop tertutup walaupun radius loopnya mencapai tidak terhingga.
- Persamaan 3 adalah tentang Hukum Faraday. Ketika medan elektrik dipercepat, muatan elektrik yang melalui medan tersebut akan bergerak lebih cepat pula. Gerak muatan yang dipercepat ini akan mengubah kecepatan yang menghasilkan medan magnet yang berubah-ubah. Perubahan medan magnet ini akan menginduksi medan elektrik lain pada konduktor. Hukum Faraday menunjukkan bahwa perubahan medan magnet dalam lintasan loop akan membangkitkan arus induksi yang digenerate oleh gaya maupun tegangan pada sebuah rangkaian. Konsekuensinya dapat diketahui bahwa (1) Arus elektrik akan membangkitkan medan magnet. Medan magnet yang terbentuk di sekitar rangkaian akan membangkitkan arus listrik.; (2) Medan magnet yang berubah-ubah sesuai fungsi waktu akan meningkatkan medan elektrik yang melingkarinya; dan (3) Sebuah medan elektrik yang berubah-ubah terhadap waktu akan membangkitkan sebuah medan magnet yang berubah terhadap waktu.
- Persamaan 4 mengenai Hukum Ampere menunjukkan bahwa muatan elektrik (atau dalam hal ini, arus elektrik) yang bergerak di sebuah konduktor akan membentuk medan magnet yang proporsional dengan kecepatan dari muatan/arus tersebut. Dari persamaan 4, diketahui bahwa (1) Arus pergeseran J akan meningkatkan medan magnet yang melingkari arus tersebut; dan (2) Densitas flux elektrik yang berubah-ubah terhadap waktu D akan meningkatan medan magnet yang melingkari medan D.
Persamaan 1 dan 2 merupakan definisi komponen fisis dari listrik DC dimana arus dan tegangannya konstan dan tidak berubah terhadap waktu. Sedangkan persamaan 3 dan 4 memberikan definisi fisis bagaimana medan elektrik dan magnetik saling simetris dan merambat membentuk gelombang EM.
Hukum Faraday menggambarkan bagaimana medan magnet yang berubah-ubah akan membangkitkan medan elektrik yang melingkarinya. Pada kenyataannya, alam tidak meningkat maupun menyusut secara terus menerus, namun berosilasi. Ini berarti medan magnet akan meningkat dan menurun yang berarti medan elektrik juga akan berubah-ubah di sekitar medan magnet yang berubah-ubah. Sehingga, medan elektrik pun berubah-ubah terhadap waktu.
Hukum Ampere menggambarkan bagaimana medan listrik yang berubah-ubah akan membangkitkan medan magnet yang melingkarinya. Sedemikian sehingga medan elektrik akan berosilasi terhadap waktu. Dan medan magnet yang melingkarinya pun akan berubah-ubah terhadap waktu.
Kedua peristiwa -saling membangkitkan- inilah yang memotori penjalaran gelombang elektromagnetik (electromagnetic wave's propagation). Dan bahkan memotori berbagai perjalanan gelombang EM di luar angkasa.
Berbagai bentuk gelombang/radiasi elektromagnetik seperti pada gambar 1, merupakan sebuah gabungan dari medan magnet dan medan elektrik. Dan gelombang dengan range 15-30 kHz dari spektrum frekuensi EM yang luas adalah sinyal utama yang digunakan dalam metode VLF.
Lalu bagaimana Gelombang EM-VLF yang ditransmisikan oleh transmitter radio militer ini dapat mendeteksi keadaan shallow subsurface?
Gelombang EM pada Metode VLF
Arah penjalaran gelombang magnet H dan medan elektrik 𝐸 akan relatif tegak lurus dengan arah perambatannya. Dalam perjalanannya, gelombang EM tersebut akan berinteraksi dengan medium konduktif yang ada di bumi. Interaksi ini akan memunculkan medan EM sekunder yang arahnya berbeda dengan arah medan utamanya. Medan EM sekunder yang dihasilkan akan berbeda-beda tergantung medium yang dilewatinya. Sebuah batuan dengan konduktivitas yang tinggi akan menghasilkan medan EM sekunder yang berbeda dengan batuan yang memiliki resistivitas tinggi. Prinsip inilah yang digunakan pada survei metode EM-VLF sehingga dapat menghasilkan interpretasi bawtuan di bawah permukaan dengan menangkap sinyal primer dan sekunder dari sinyal transmitter.
 |
| Pic 3. Ilustrasi Penjalaran Gelombang EM dari transmitter VLF sehingga dapat digunakan untuk kegiatan eksplorasi bawah permukaan dangkal (from http://www.southwestgeophysics.com) |
Survei VLF merupakan survei EM yang didasarkan pada prinsip induksi EM. Seperti halnya medan magnet bolak-balik yang terdapat pada koil dapat menginduksi arus elektrik di konduktor yang berada pada medan tersebut. Konduktivitas batuan pada dasarnya sangatlah lemah untuk dapat diinduksi dan membentuk arus listrik. Namun, ketika terdapat konduktor yang baik pada batuan tersebut, seperti keberadaan mineral konduktif, akan terbentuk sistem -arus eddy- akibat induksi gelombang EM dari transmitter. Arus eddy ini akan menghasilkan medan magnet sekunder yang bercampur dengan medan magnet primer dari gelombang EM sumber. Medan-medan magnet inilah yang dapat terukur di permukaan dan mendeteksi seberapa konduktif batuan yang terinduksi di bawah permukaan.
Metode VLF mode tilt angle and ellipticity akan mengukur medan magnet primer dan sekunder ini di permukaan untuk mengetahui sebaran zona konduktif di bawah permukaan. Sedangkan pada mode resistivity ditambahkan pengukuran arus eddy untuk mengetahui medium konduktor yang membentuknya. Parameter yang terukur pada akuisisi data VLF adalah parameter fisis utama (tilt angle, ellipticity, H vertical, H horizontal) dan parameter fisis QC data ( Kuadran arah datangnya sinyal/jam, Kuat sinyal/Q Bar, Adanya noise SH/SE/SHE). Seluruh parameter ini akan dijelaskan pada part 2. 😇
Setelah pengenalan panjang kali lebar ini, apakah ada yang juga tertarik dengan Metode VLF ini?
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Reference :
Lowrie, William. 2007. Fundamentals of Gephysics. Cambridge: Cambridge University Press
Mufaqih, Adien. 2016. A Concise guide to VLF-EM Surveying. Yogyakarta : Lab Geofisika UGM
Telford, W. M. dkk. 1990. Applied Geophysics. Cambridge : Cambridge University Press
Carlson, Diane. H. 2008. Physical Geology : Earth Revealed 7th Edition. New York : McGraw Hill
www.maxwells-equations.com/
https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/antenna-theory/basics-tutorial.php
http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Spectroscopy/Fundamentals/Electromagnetic_Radiation
No comments:
Post a Comment