Metode Gravitasi

Metode Gravitasi adalah salah satu metode dalam survey geofisika, yang termasuk sebagai metode pasif. Metode ini memanfaatkan perbedaan nilai medan gravitasi di permukaan bumi. Perbedaan/variasi nilai medan gravitasi tersebut kemudian dipetakan distribusinya.

Pada kenyataannya, medan gravitasi bumi di permukaan tidaklah homogen. Gravitasi sangat dipengaruhi oleh massa jenis benda, termasuk batuan penyusun kerak bumi. Batuan-batuan dengan massa jenisnya yang beragam tersebut akan mempengaruhi medan gravitasi bumi di permukaan.

Variasi medan gravitasi di permukaan pun dapat dipengaruhi oleh adanya struktur geologi di bawah permukaan, termasuk tidak meratanya kondisi topografi/relief permukaan bumi. Sehingga, posisi pengamatan juga memiliki pengaruh terhadap pengukuran. Pada dasarnya, segala kondisi geologis di bawah maupun di permukaan dapat mempengaruhi medan gravitasi bumi yang terukur.

Gmbr. pengaruh struktur geologi, adanya penambahan dan pengurangan massa di bawah permukaan terhadap medan gravitasi di permukaan.

 

Jadi metode gravitasi merupakan metode yang digunakan untuk mengetahui kondisi geologi/struktur bawah permukaan berdasarkan variasi medan gravitasi bumi di permukaan, yang disajikan dalam bentuk model bawah permukaan. Dalam bidang eksplorasi, dari model yang dihasilkan dapat diketahui anomali medan gravitasi yang bisa mengindikasikan adanya suatu akumulasi mineral tertentu, atau barang tambang yang ekonomis. Selain itu, metode ini dapat juga digunakan untuk mendeteksi adanya struktur geologi, batuan dasar (basement), kontak intrusi batuan beku/magma, rongga dalam massa batuan, endapan sungai purba, logam terpendam, dll. Metode ini memiliki sensitifitasi tinggi terhadap perubahan vertikal.

Variasi medan gravitasi di permukaan bumi, apabila dibandingkan dengan nilai gravitasi absolut sangatlah kecil. Namun, dengan teknologi alat ukur yang sangat sensitif dan presisi, perbedaan tersebut dapat diketahui. Teknologi ukur pengukuran gravitasi menggunakan alat Gravitymeter, yang memiliki komponen utama berupa pegas dengan kontruksi tertentu. Pengukurannya di lapangan, biasanya dilakukan pada titik-titik pengukuran di sepanjang lintasan pengukuran dalam suatu luasan area pengukuran. Biasanya juga diperlukan satu titik acuan bebas gangguan/noise (base station) yang akan digunakan sebagai unsur koreksi dalam analisa data (koreksi drift). Selain pengukuran di darat, pengukuran juga dapat dilakukan di laut dengan kapal, maupun di udara dengan pesawat.

Gmbr. alat gravitymeter LaCoste&Romberg

Satuan pengukuran dalam metode gravitasi biasanya dinyatakan dalam gal (Galileo). Apabila dalam satuan SI (Satuan Internasional), g dinyatakan dalam m/s^2, dimana 1 gal = 1 cm/s^2 = 0,01 m/s^2. Gravitasi rata-rata di permukaan bumi sekitar 980 gal.

Data pengukuran medan gravitasi yang diperoleh akan mengandung anomali yang terdiri dari efek lokal dan efek regional. Efek lokal merupakan sasaran dari pengukuran mikro-gravitasi, dimana pengukuran ini dilakukan pada ketelitian pengukuran hingga satuan mikrogal (10/^-6 gal).Efek lokal ini membawa anomali medan gravitasi yang sangat dekat dengan permukaan.

 

Teori Medan Gravitasi

Teori yang mendasari metode ini adalah Hukum Gravitasi Universal NEWTON, yang menyatakan bahwa gaya tarik F antara dua titik massa m₁ dan m₂ yang berjarak r (dengan G adalah konstanta gravitasi) :dan Hukum Gerak Newton, yang menyatakan gaya yang bekerja F dipengaruhi oleh massa m dan percepatan gravitas g : Dari kedua hukum tersebut, kemudian dapat diperoleh persamaan Percepatan Gravitasi di permukaan bumi g (dengan M merupakan massa bumi) :

 

Potensial Medan Gravitasi

Medan gravitasi merupakan medan konservatif, yang merupakan gradien dari suatu fungsi potensial skalar U. Mengingat g sebagai medan vektor :dan potensial gravitasi sebagai besaran skalar, sebagai U :Potensial gravitasi U merupakan usaha yang dilakukan gravitasi dalam perpindahan suatu massa m ke posisi r.

Dari dua persamaan tersebut, sehingga diperoleh hubungan percepatan gravitasi g dengan potensial gravitasi U :Potensial gravitasi yang disebabkan oleh adanya distribusi massa continue m dengan densitas ρ(r₀) di dalam volume V adalah :U_p(r₁) merupakan potensial medan gravitasi pada sembarang titik P di luar benda.

Percepatan medan gravitasi bumi beragam di permukaan, dimana nilainya bergantung pada :

• Distribusi massa di bawah permukaan (fungsi densitas ρ(r₀)).
• Bentuk bumi yang sebenarnya (batas integral).

 

Anomali Gravitasi

Sebagaimana tujuan metode ini adalah untuk mendeteksi adanya suatu anomali medan gravitasi yang dapat mengindikasikan sesuatu. Secara matematis, dapat didefinisikan bahwa anomali medan gravitasi di topografi atau di posisi (x,y,z), (Δg (x,y,z)) merupakan selisih dari medan gravitasi terukur (g_obs(x,y,z)) terhadap medan gravitasi teoritis (g_Teoritis(x, y, z)). Medan gravitasi teoritis adalah medan yang diakibatkan oleh faktor-faktor non-geologi dan nilainya dihitung berdasarkan persamaan yang dijabarkan secara teoritis. Nilai medan ini dipengaruhi oleh letak lintang, ketinggian, dan massa topografi di sekitar titik tersebut.

 

Koreksi-Koreksi dalam Metode Gravitasi

1. Koreksi Penyimpangan (Drift Correction)

Pengukuran di titik yang sama pada waktu yang berbeda dapat menghasilkan nilai medan gravitasi yang berbeda. Hal ini dapat disebabkan karena faktor alat, maupun faktor dari pasang-surut akibat gaya tarik menarik antara bumi dengan matahari dan bulan. Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan melakukan Koreksi Penyimpangan, yang dapat dilakukan dengan metode :

• Mengukur titik acuan (base station) secara berkala.
• Mengasumsikan bahwa efek drift sebagai fungsi linear.
• Pengukuran dalam area secara loop.

 

2. Koreksi Lintang (Latitude Correction)

Posisi lintang bumi mempengaruhi medan gravitasi permukaan yang terukur. Hal tersebut disebabkan oleh bentuk bumi yang tidak bulat sempurna (pepat di ekuator), sehingga mengakibatkan nilai g di ekuator akan lebih kecil dibandingkan g di kutub bumi. Selain itu juga disebabkan karena pengaruh gaya sentrifungal akibat rotasi bumi.Koreksi lintang dilakukan mengacu pada persamaan berdasarkan GRS-1967 (Φ sebagai lintang bumi) :

 

3. Koreksi Kolom Udara-Bebas (Free-Air Correction)

Adanya beda ketinggian antara titik pengukuran dengan datum/muka air laut rata-rata (mean sea level) memberikan suatu masalah. Hal ini disebabkan karena medan gravitasi nomal masih berada pada bidang datum (z = 0) sedangkan medan gravitasi terukurnya, g_obs (x,y,z), berada pada topografi. Untuk mengatasi masalah tersebut maka dilakukan koreksi Udara-Bebas (C_F), yang dinyatakan dengan persamaan (h sebagai ketinggian posisi pengukuran) : Hasil koreksi tersebut kemudian dapat diterapkan untuk memperoleh nilai anomali Udara-Bebas (Δg_F) :

 

4. Koreksi Bouguer (Bouguer Correction)

Pada penghitungan anomali Udara-Bebas, adanya massa yang terletak di antara titik pengukuran dengan datum tidak diperhitungkan, padahal keberadaan massa ini sangat mempengaruhi nilai anomali medan gravitasi.Oleh karenanya, perlu dilakukan koreksi Bouguer untuk mengatasi permasalahan tersebut. Koreksi Bouguer (C_B) dinyatakan dalam persamaan :Hasil koreksi Bouguer ini kemudian dapat diterapkan untuk memperoleh nilai anomali Bouguer (Δg_B) :

 

5. Koreksi Medan (Terrain Correction)

Kondisi topografi yang tidak beraturan di sekitar titik pengukuran akan mempengaruhi medan gravitasi yang terukur. Untuk mengatasi permasalahan tersebut dilakukan Koreksi Medan, yang dapat dilakukan dengan metode :

• Rectangular Grid
• Hammer Chart

Dari koreksi Medan ini pada akhirnya akan dapat diperoleh nilai anomaly Bouguer Lengkap (Δg_B) (setelah menerapkan semua macam koreksi-koreksi tersebut), yang dinyatakan dalam persamaan :

 

6. Proyeksi Ke Bidang Datar dan Atenuasi ke Atas

Anomali Bouguer Lengkap masih terletak pada topografi dengan ketinggian yang bervariasi. Oleh karena itu diperlukan suatu metode untuk membawa ke bidang datar. Salah satu metode tersebut adalah Sumber Ekivalen Titik Massa. Sedangkan Atenuasi ke Atas digunakan untuk memisahkan efek lokal dengan efek regional.

 

Interpretasi

Setelah dilakukan akuisisi/pengukuran data medan gravitasi di lapangan, melakukan analisa data (menerapkan koreksi-koreksi), langkah kemudian adalah menafsirkan hasilnya. Penafsiran dapat dilakukan secara kuantitatif dan kualitatif.

Penafsiran ini mempertimbangkan :

• apakah anomali akan ditampilkan sebagai penampang profil 2 dimensi atau peta kontur distribusi 3 dimensi.
• mengantisipasi ambiguitas, diperlukan integrasi pemahaman dengan informasi geologi.
• penafsiran dalam forward modeling atau inverse modeling
  

 

Gmbr. Hasil survey gravitasi, menyatakan peta kontur Anomali Bouger Lengkap (kiri) dan Anomali Lokal (kanan). (gambar hasil fieldcamp geofisika ugm 2013, sengaja warna di-greyscale-kan)

Gmbr. Survey gravitasi, yang dipadukan dengan GPS. (sumber pict.www.mmtec.co.jp)