ANALISIS DATA GAYABERAT KOMBINASI DENGAN MENGGUNAKAN GRAVIMETER ABSOLUT (A10) DAN GRAVIMETER RELATIF (LACOSTE

ROMBERG)

Mahmud Yusuf(1)

(1) Geophysical Instrumentation Subdivision, Meteorological Climatological and Geophysical Agency,

ABSTRAKGravimeter absolute dan gravimeter relative dapat digunakan untuk studi geodinamika, yang umumnya memiliki respon anomali gayaberat yang kecil. Dalam penelitian ini diajukan suatu alternatif teknik akusisi untuk memberikan efisiensi waktu maupun biaya operasional, dengan akurasi yang tinggi. Metode yang digunakan yaitu kombinasi pengukuran gayaberat absolut dan relatif yang disebut hybrid-gravity. Pada metode tersebut menggunakan dua titik acuan absolut yang berbeda sebagai tutupan, dengan metode ini dapat mengurangi faktor drift hingga 50% bila dibandingkan dengan metode relatif yang normal, dan juga memungkinkan untuk dilakukan kalibrasi pada alat gravimeter relative secara bersamaan. Kemudian digunakan metode statistik uji t pada sampel yang berpasangan digunakan untuk komparasi hasil pengukuran absolute dengan metode hybrid-gravity dan hasilnya selisih rata-rata nilai gayaberat absolut dan metode hybrid-gravity memiliki nilai rata-rata yang kecil, dan metode hybrid-gravity dapat dikatakan identik dengan nilai gayaberat absolut berdasarkan nilai probabilitas yang diperoleh lebih besar dari tingkat signifikansinya.Kata Kunci : Pengukuran gayaberat absolut, Pengukuran gayaberat Relatif, Hybrid-gravity, Koreksi drift

ABSTRACTAbsolute and relative gravimeter gravimeter can be used in geodynamic study, generally has small gravity anomaly response. In this study an alternative acquisition technique is proposed in order to provide more efficient operation time, and to give high accuracy output. This method is combination between absolute and relative gravity measurement are called hybrid-gravity. This method uses two different absolute points as a looping. This method has show better accuracy when compared with normal method, and can reduce the drift factor up to 50%. With this method also allows for calibration of relative gravimeter performed simultaneously. Statistic method paired sample t test used to compare absolute measurement result and hybrid-gravity measurement. And the result showed difference average of absolute measurement and hybrid-gravity method has almost equal, and hybrid-gravity method can be said to be identical with absolute gravity measurement result based on the probability value obtained is greater than level of significance.Key word : Absolute gravity, Relative gravity, hybrid-gravity, drift correction

I. PENDAHULUANMetoda gayaberat merupakan salah satu metoda geofisika yang banyak digunakan untuk studi geodinamika dan untuk estimasi struktur geologi. Penerapan metode gayaberat dalam hal untuk mengidentifikasi sumber anomali dekat permukaan yang berhubungan dengan dinamika lingkungan pada umumnya memiliki respon anomali yang kecil. Mengingat anomali gayaberat kecil

tersebut, maka diperlukan alat ukur gayaberat dengan resolusi dan akurasi yang tinggi, dan untuk studi tersebut dapat digunakan alat gravimeter absolut. Namun karena cakupan area survey yang luas dan sebaran titik yang banyak, maka diperlukan alat yang lebih mudah dalam transportasi yaitu dengan menggunakan alat gravimeter relatif.

Begitu banyak desain sensor yang telah dikembangkan namun secara umum ada empat tipe alat yang diperluas untuk keperluan survey metode gayaberat, diantaranya pendulum, benda jatuh bebas (free-fall), torsion balance dan pegas. Dari keempat tipe tersebut alat ukur gayaberat dibagi dua jenis yaitu gravimeter absolut dan gravimeter relatif. Gravimeter absolut adalah alat yang mengukur nilai gayaberat sebenarnya secara langsung di titik pengukuran, sedangkan gravimeter relatif hanya mengukur perbedaan nilai gayaberat di suatu tempat relatif terhadap titik acuan yang nilai gayaberatnya telah diketahui. Gravimeter relatif lebih banyak digunakan dalam kegiatan penelitian gayaberat karena lebih mudah dioperasikan (portable), namun mempunyai efek apungan (drift) akibat sistem pada pegas yang sulit untuk diprediksi nilai koreksinya dan besarannya cukup signifikan sehingga perlu dihilangkan. Sedangkan Gravimeter absolut memiliki akurasi yang tinggi dan tidak ada efek drift.Karena masalah drift alat pada gravimeter relatif memberikan kontribusi yang cukup besar pada ketidakpastian pengukuran, maka perlu dikembangkan teknik pengukuran untuk mengurangi faktor drift sehingga dapat menghasilkan hasil pengukuran yang lebih akurat. Pada penelitian ini akan dibahas tentang analisis hasil pengukuran dengan metode hybrid-gravity yaitu dengan kombinasi gravimeter absolut dan relatif secara simultan dengan harapan pengukuran gayaberat di lapangan lebih teliti dengan biaya yang lebih murah.Studi untuk monitoring gayaberat micro telah banyak dilakukan oleh beberapa peneliti. Sugihara dan Ishido, 2008 melakukan pengukuran gayaberat dengan kombinasi antara gravimeter absolut dan gravimeter relatif untuk memonitor reservoir geothermal dalam memetakan perubahan massa bawah permukaan pada lapangan geothermal di Jepang. Selanjutnya Palinkas, 2010 melakukan penelitian untuk studi kelayakan pengukuran absolut dalam geodinamika dengan alat gravimeter absolut yang

digunakan adalah FG5 yang merupakan generasi sebelum A10 dari perusahaan Micro-g. Penelitian yang dilakukannya untuk mengevaluasi kemampuan repeatability, reproductibility dan uncertainty (ketidakpastian) yang merupakan parameter dasar pada akurasi gravimeter absolut.

II. LANDASAN TEORIPengamatan gayaberat dapat dilakukan dengan dua cara :Pengukuran AbsolutPengukuran absolut (mutlak) yaitu pengamatan gayaberat (g) secara langsung misalnya dengan mengamati benda jatuh bebas atau ayunan. Cara ini biasanya dipergunakan untuk menentukan nilai gayaberat titik acuan absolut. Nilai titik acuan absolut ini kemudian akan digunakan untuk menetukan nilai gayaberat titik lainnya, dengan cara melakukan pengamatan relatif terhadap titik acuan absolut tersebut. Untuk mendapatkan nilai gayaberat absolut digunakan cara :Benda jatuh Bebas (Falling body)Prinsip benda jatuh bebas ini adalah dengan mengukur jarak yang dilalui sebuah benda jatuh dalam selang waktu yang tertentu, dinyatakan dalam persamaan:

s=12

g t 2

atau g=

2 s

t 2 …

(2.1)dimana : g = gayaberat

s = jarak t = waktu

Nilai s dan t harus mempunyai ketelitian yang sangat tinggi. Prinsip benda jatuh bebas digambarkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 1. Ilustrasi Benda Jatuh Bebas

Gravimeter absolut portable A10 dioperasikan dengan prinsip benda jatuh bebas (free-fall method). Dimana sebuah benda berupa kaca reflector di jatuhkan dalam sebuah vacuum chamber, dan poisisnya diamati secara akurat dengan menggunakan laser interferometer. (A-10 Portable GravimeterUser’s Manual). BIPM (Bureau International de Poids et Mesures) sebuah lembaga internasional dalam pengukuran menyatakan bahwa metode benda jatuh bebas merupakan metode utama untuk mengukur gayaberat.

Gravimeter absolut A10 memiliki tingkat akurasi dan presisi yang tinggi, serta mudah dipindah-pindahkan untuk kelas gravimeter absolut, karena didesain untuk keperluan survey lapangan maupun keperluan di laboratorium. A10 dioperasikan dengan mengunakan tenaga baterai 12 V dan baterai yang mudah diisi ulang, sehingga dapat melakukan pengukuran dengan cepat menurut catatan pengukuan gravimeter absolut per hari dapat mengukur sebanyak 20 titik amat, namun disesuaikan dengan kondisi lapangan.

A) B)

Gambar 2. A) Komponen Benda Jatuh Bebas B) Komponen Dalam Gravimeter Absolut A10Pengukuran RelatifPengukuran relatif yaitu merupakan suatu cara untuk mendapatkan nilai g secara tidak langsung dengan mengukur perbedaan nilai gayaberat di suatu tempat

relatif terhadap titik acuan yang nilai gayaberatnya telah diketahui. Pengukuran relatif biasanya digunakan dengan alat sistem pegas. Perubahan gayaberat dapat dibaca dari perubahan simpangan pegas. Berdasarkan hukum Hooke dinyatakan bahwa perubahan panjang pegas sebanding dengan gayaberat maka:F= m.g = k.l …(2.2)dan ∆l = (m/k)x∆g …(2.3)dimana m = massa

k = konstanta elastisitas pegas ∆l = perubahan panjang pegas ∆g = perubahan gayaberat

Perubahan panjang pegas akibat gayaberat digambarkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 3. Ilustrasi Gravimeter Sistem PegasUntuk mengukur gayaberat di suatu tempat (titik 1) dinyatakan dalam:

g1=kX1 + gacuan … (2.4)dan pengukuran pada titik 2 adalah

g2=kX2 + gacuan …(2.5)Jadi perbedaan hasil pengukuran g2-g1 = k(X2-X1) sehingga nilai gayaberat di titik 2 adalah :

g2= g1 + k(X2 - X1)g2 = g1 + (g2 - g1)g2 = g1 + ∆g

…(2.6)dimana : g1 = nilai gayaberat di titik yang telah

memiliki nilai gayaberat ∆g = Perbedaan hasil pengukuran g2 = nilai gayaberat di titik 2 yang diamati

Variasi nilai gayaberat yang diukur biasanya sangat kecil sehingga diperlukan suatu alat yang memiliki kepekaan dalam

pengukuran, nilai simpangan pegas kemudian dikonversi dalam satuan gayaberat dalam cm/dt2 atau dalam Gal, namun karena kecilnya nilai variasi gayaberat maka suatu alat dirancang untuk dapat mengukur sampai besaran mGal. Prinsip gravimeter pegas ini mulai digunakan pada tahun 1930-an. Pada banyak pengukuran gayaberat metode gayaberat relatif lebih banyak digunakan karena peralatannya lebih sederhana.

Koreksi Data GayaberatMenurut (Olejnik and Divis,2002) hasil pengukuran percepatan gayaberat yang didapat disetiap titik pengukuran memenuhi persamaan :

g= g k k 0+∑ oiI( t)+∑ o i

II+Z ( t) ..

(2.7)

Dimana g adalah nilai percepatan

gravitasi dan k k 0 adalah faktor skala

dan faktor skala tambahan, dan

∑ oiI(t)+∑ oi

II

jumlah koreksi akibat

pengaruh ekternal dan internal dari pengukuran dan Z(t) adalah koreksi apungan (drift) dalam fungsi waktu yang hanya dilakukan pada pengukuran gayaberat relatif. Faktor koreksi eksternal dan internal yang berpengaruh pada pengukuran sebagai berikut:Faktor ekternal

1. Pasang surut bumi dan pasang surut laut,

2. Perubahan tekanan udara 3. Pengaruh hidrogeologi4. Polar motion

Faktor Internal1. Faktor kalibrasi2. Kesalahan periodic *3. Drift (apungan ) *4. Kemiringan alat (Tilt effect)5. Pengaruh Barometrik6. Mechanical hysteresis *7. Pengaruh suhu 8. Medan Magnet bumi9. Tegangan yang tidak stabil

*) berpengaruh hanya pada gravimeter relatif.

Pada gravimeter relatif dengan sistem pegas dilengkapi dengan masa yang tergantung bebas pada ujungnya. Karena sifat elastisitas pegas, maka sistem pegas tidak kembali ke kedudukan semula. Koreksi karena sifat pegas ini disebut koreksi apungan (drift), dan selalu menunjukan perubahan setiap waktu dari nilai pembacaan pada titik ukur yang sama. Dan dapat dianggap linier untuk waktu yang relatif pendek kurang dari 4 jam (Jacob, 2010). (Osazuwa, 1988) memberikan model matematis untuk menurunkan persamaan koreksi drift dengan asumsi linier, dinyatakan dalam :

μ=( g 2−g1 )−(g 02−g01)

( t 2−t 1) …

(2.8)...2.1…(2.20)Dimana g1 dan g2 adalah nilai gayaberat absolut tiap titik yang ditentukan pada satu kitaran/loop , dan g01 dan g02 adalah nilai bacaan alat pada titik 1 dan 2 dan t1 dan t2

adalah waktu pengukuran.(Osazuwa, 1988) menunjukan bahwa jika kitaran dilakukan pada titik yang sama, maka nilai g1 - g2 = 0. Jika waktu pengukuran pada titik berikutnya adalah ts, maka koreksi drift pada titik tersebut adalah:

δs=μ (t s−t1) …. 2.9

III. METODEAplikasi Survey Hybrid-Gravity

Pada penelitian ini digunakan data primer sebanyak 84 titik pengukuran yang akan dianalisis dengan kombinasi menggunakan alat gravimeter absolut dan relatif. Sedangkan keseluruhan titik yang diukur oleh gravimeter absolut ada 471 titik. Alat gravimeter absolut yang di gunakan adalah A10 Micro-g S/N #07,#21, dan #13 dua digunakan untuk mengukuran dilapangan dan satu sebagai cadangan, dan alat gravimeter Lacoste Romberg seri D 1158 Aliod.

Adapun lokasi penelitian dilakukan di daerah prospek migas di Jawa dengan

kontur ketinggian yang relatif rata pada ketinggian 50 meter diatas permukaan laut.

Pada penelitian ini diajukan modifikasi pengukuran metode profile dengan kombinasi pengukuran absolut. Dari model yang diajukan dibuatkan tiga skema model pengukuran diantaranya :

1. Metode profile Normal, yaitu pengukuran gayaberat relatif dimana tiap-tiap titik pengukuran diturunkan dari satu “base absolut ” yang telah diketahui nilai gayaberatnya. (Gambar 4.13 A)

2. Metode profile Hybrid-gravity1, yaitu pengukuran gayaberat relatif dengan titik-titik pengukuran diturunkan dari dua titik “base absolut” yang berbeda. (Gambar 4.13 B)

3. Metode profile Hybrid-gravity2, yaitu pengukuran gayaberat relatif dengan titik-titik pengukuran diturunkan dari tiga titik “base absolut”, dengan interval looping kurang dari 4 jam. (Gambar 4.13 C)

Gambar 4. Skema Model Pengukuran

Gambar 5 a) Pengukuran Gayaberat Absolut

b) Pengukuran Gayaberat Relatif

Metode Hybrid-gravity telah banyak digunakan dalam penelitian geofisika diantaranya:

• Monitoring pada reservoir pada lapangan migas dan geothermal

• Pemantauan aktifitas gunung api

• Pemantauan subsidence / uplift.

• Pemantauan aktifitas pergerakan sesar.

Kelebihan dari metode hybrid-gravity ini adalah penggunakan kedua alat dapat saling menutupi kekurangan, dimana alat absolut yang akurat namun kurang fleksibel dan dapat dikombinasikan dengan hasil pengukurang relatif yang kurang akurat namun cukup portable sehingga dapat dilakukan pengukuran pada area yang cukup luas dan medan yang sulit namun dapat memberikan hasil dengan akurasi yang tinggi.

IV. ANALISA DATA DAN HASILPenelitian yang dilakukan meliputi tahap-tahap yaitu. Studi pustaka untuk mengumpulkan informasi-informasi yang terkait dengan penelitian ini khususnya yang terkait dengan metode gayaberat, dan kombinasi pengukuran gayaberat absolut dan relatif. Studi tentang metode pengukuran gayaberat absolut dan relatif, serta koreksi yang dilakukan pada kedua metode tersebut. Studi tentang faktor kesalahan pada pengukuran gayaberat relatif. Pengolahan data pengukuran relatif dengan tutupan/kitaran (looping) yang berbeda-beda, pertama yaitu dengan metode normal, kedua metode kombinasi gayaberat absolut dan gayaberat relatif (Hybrid-gravity), kemudian dilakukan analisis perbandingan antara hasil dari metode normal dan metode hybrid-gravity dengan nilai gayaberat absolut. Dan digunkan metode statistik uji-t berpasangan. Alur pengolahan data secara keseluruhan digambarkan pada diagram dibawah ini. Kemudian hasil dari penelitian ini memberikan rekomendasi untuk pengukuran kombinasi gravimeter absolut dan relatif.

Gambar 6. Diagram Alur Pengolahan DataPasang surut bumi

Untuk koreksi pasang surut bumi gravimeter absolut A10 menyediakan koreksi secara teoritis melalui software pengolahan data dengan program ETGTAB (Wenzel, 1996), dengan menggunakan model potensial yang dikembangkan Tamura (Tamura, 1987). Ampliduto maksimum rata-rata dari pengaruh pasang surut sebesar 100 µGal.. Dibawah ini adalah perbandingan koreksi tide teoritis dan observasi yang diamati di daerah penelitian.

Gambar 7. Grafik Perbandingan Pasang Surut Bumi Teoritis dan Observasi

Nilai gayaberat absolut hasil pembacaan alat kemudian dikoreksi dengan tide teoritis dan tide observasi, dan dikoreksi dengan faktor eksternal lain yang berpengaruh.Dengan metode hybrid-gravity dapat dilakukan kalibrasi pada alat gravimeter relatif. Faktor kalibrasi didapat dengan cara membandingkan perubahan nilai gayaberat absolut dari dua titik absolut dengan perubahan nilai gayaberat hasil pengukuran gravimeter relatif di titik yang sama, seperti ditunjukan pad persamaan dibawah ini. Tujuan kalibrasi ini adalah untuk menguji nilai konversi gravimeter Relatif. Penggunaan tabel konversi ini khusus untuk gravimeter relatif jenis Lacoste Romberg. Sedangkan pada tipe yang lain faktor kalibrasi dikalikan dengan hasil pembacaan alat sebelum ditambah/dikurangi dengan koreksi

lainnya. Jousset, 1995 menurunkan nilai koefisien kalibrasi dengan regresi antara hasil nilai alat yang dikalibrasi dengan nilai acuan, dengan persamaan berikut:

∆ gacuan=a . ∆ gobs+b …(4.1)

Dimana Δgacuan adalah perubahan niali gayaberat absolut,”a” adalah koefisien kalibrasi, Δgobs adalah nilai gayaberat hasil pengukuran dan “b” adalah kesalahan alat.

Dengan memasukan faktor kalibrasi dalam perhitungan maka dapat menurunkan pengaruh drift pada alat, pada gambar dibawah dapat dilihat nilai drift yang turun sekitar 50%.

Gambar 8. Perbandingan Koreksi Drift

Dari ketiga metode perhitungan yang digunakan nilai koreksi drift dengan metode Hybrid-gravity1 yaitu yang menggunakan dua base absolut pada semua pengukuran menghasilkan nilai koreksi drift yang lebih kecil, dengan kata lain metode Hybrid-gravity dapat menurunkan pengaruh drift pada pengukuran.

Gambar 9. Perbandingan Total Drift Per HariUntuk menganalisis kinerja dan akurasi dari pengukuran gayaberat relatif terhadap nilai gayaberat absolut. Di hitung nilai

kesalahan absolut dari masing-masing titik pengukuran Di bawah ini adalah analisis statistik dari kedua koreksi tide yang digunakan pada ketiga metode pengukuran yang digunakan.

Gambar 10. Plot Kesalahan AbsoluteDari data grafik dan tabel diatas diperoleh hasil dengan metode Hybrid-gravity 1 diperoleh hasil yang lebih baik dengan jumlah data yang dapat diterima ( nilai dibawah ±22 Gal) sebanyak 29 titik pengamatan atau 30% dari total jumlah titik pengukuran dengan nilai RMS 62.9 µGal.

Untuk menganalisis perbandingan antara nilai gayaberat absolut dan nilai gayaberat relatif yang dilakukan dengan beberapa metode looping tersebut digunakan metode statsitik uji-t pada sample yang berpasangan, artinya dianalisis hasil pengukuran pada titik yang sama namun dengan perlakuan yang berbeda. Kemudian dibandingkan dengan hasil gayaberat absolutnya. Untuk melihat keidentikan hasil pengukuran gayaberat absolut dan gayaberat relatif dilakukan uji hipotesis sebagai berikut :

Ho = Kedua rata-rata hasil pengukuran adalah identik ( tidak berbeda secara nyata).Hi = Kedua rata-rata hasil pengukuran tidak identik (berbeda secara nyata).

Untuk kasus yang menerapkan koreksi tide teoritis, hasil uji t yang dilakukan diperoleh hasil ditunjukan tabel 4.9 dibawah ini. Berdasarkan nilai probabilitas, uji dua sisi setiap sisi dibagi dua sehingga.

• Angka probabilitas/2 > 0.025, maka Ho diterima

• Angka probabilitas/2 <0.025, maka Ho ditolak

Tabel 1. Hasil Uji-t Pengukuran gayaberat Absolut dan Relatif

Dari analisis korelasi didapatkan nilai koefisien korelasi dari metode Hybrid-gravity 1 memiliki nilai korekasi yang tinggi dibandingkan dengan metode looping yang lain, baik pada koreksi tide teori dengan nilai koefisien korelasi 0.999 dan pada koreksi tide observasi 0.997 dan dengan nilai probabilitas dibawah 0.05 ( bisa dilihat dari nilai signifikansi nya 0.000). Hal ini menunjukan adanya korelasi yang kuat antara hasil pengukuran gayaberat absolut dengan hasil pengukuran gayaberat relatif yang menggunakan metode Hybrid-gravity 1. Dari ringkasan data statistik dibawah ini menunjukan hasil rata-rata pengukuran gayaberat absolut dan gayaberat relatif dengan metode Hybrid-gravity 1 memiliki nilai rata-rata yang hampir sama dengan nilai selisih rata-rata 0.23 Gal untuk koreksi tide teoritis yang diterapkan

V. KESIMPULAN DAN SARANDari hasil analisa data diatas, dalam penerapan metode gayaberat untuk studi geodinamika yang memberikan respon anomali gayaberat yang sangat kecil, maka perlu suatu teknik akusisi yang lebih akurat namun dapat menjangkau area survey yang cukup luas. Dari hasil penelitian terhadap hasil pengukuran gayaberat absolut dan gayaberat relatif, dapat disimpulkan bahwa :

1. Teknik akusisi dengan metode kombinasi pengukuran gayaberat absolut dan gayaberat relatif (hybrid-

gravity) terbukti memiliki akurasi yang lebih baik bila dibandingkan dengan metode Normal. Dalam koreksi drift dengan metode hybrid-gravity dapat mengurangi koreksi drift hingga 50%. Dan sekaligus dapat dilakukan kalibrasi pada pengukuran gayaberat relatif.

2. Dengan memasukan faktor kalibrasi dalam perhitungan data gayaberat relatif, pada metode hybrid-gravity juga dapat mengurangi koreksi drift hingga lebih 50% dengan akurasi koreksi drift sebesar 22µGal.

3. Dari analisa korelasi didapatkan bahwa metode hybrid-gravity memiliki nilai korelasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan metode looping yang lain, baik pada tide teori maupun tide observasi dengan koefisien korelasi mendekati 1.

4. Dari data statistik ditunjukan bahwa beda rata-rata pengukuran gayaberat absolut dan gayaberat relatif dengan metode hybrid-gravity kurang dari 10 µGal.

VI. DAFTAR PUSTAKA

GUM - Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement: 1995,

BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML. ISO-GUM International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland http://www.bipm.org/en/publications/guides/gum.html

Jacob, T., J. Chery, R. Bayer, N. Le Moigne, J. P. Boy, P. Vernant, and F. Boudin., 2009, Time‐lapse surface to depth gravity measurements on akarst system reveal the dominant role of the epikarst as a water storage entity, Geophys. J. Int., 177, 347–360, doi:10.1111/j.1365-246X. 2009.04118.x.

Olejník,S. and Diviš, K., 2002, Gravity system 1995 on the Czech Republic territory. Geodetický a kartografický obzor, 48(90), No. 8, 145–161, (in Czech)

Osazuwa, I. B., 1988, Cascade model for the removal of drift from gravimetric data. Survey Review, 29: (228), 295-303.

Torge,W., 1989, Gravimetry. deGruyter, Berlin, 465pp.

Tamura, Y., 1987, A harmonic development of the tide generating potential, Bull. Inf. Marees Terr., 99, 6813–6855