12. Laporan Metode GPR

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

III.5 Metode Ground Penetrating Radar (GPR) 5.1.Pendahuluan

Ground

Penetrating

elektromagnetik

resolusi

Radar tinggi.

(umumnya GPR

disebut

merupakan

GPR)

metode

adalah yang

teknik

valuable

digunakan untuk keperluan scientist, penelitian, keteknikan. Aplikasi GPR dapat dipakai untuk studi kontaminasi air bawah tanah, geoteknik, sedimentologi, glasiologi, dan arkeologi. GPR sendiri sudah diterima baik di disiplin ilmu teknik geofisika. Metode GPR menggunakan gelombang radio untuk membuktikan gambaran bawah permukaan, yaitu dengan mendeteksi material dari sisi dielektriknya. Ketika gelombang menyentuh suatu material dengan konstanta dielektrik yang berbedabeda, maka akan dipantulkan dan terekam oleh receiver. GPR menggunakan radar untuk menggambarkan bawah permukaan dengan gelombang berfrekuensi antara 1 - 1000 MHz. Metode ini dapat memperlihatkan kondisi bawah permukaan pada kedalaman yang relatif dangkal yaitu sekitar 1-15 m, tergantung frekuensi yang digunakan. Namun perlu diingat semakin tinggi frekuensi semakin tinggi resolusinya namun semakin dangkal penetrasi kedalamannya. Hal ini disebabkan oleh energi elektromagnetik yang lebih cepat hilang menjadi panas. Metode ini merupakan metode aktif, mirip dengan metode seismik refleksi karena menggunakan gelombang elektromagnetik dan memanfaatkan sifat radiasinya yang memperlihatkan refleksi. Metode georadar memiliki beberapa macam sistem radar yang telah tersedia, tiap sistem memiliki nilai frekuensi tertentu seperti 12.5, 25, 50, 100, 200, hingga 1000

MHz. Sebaiknya

pengukuran GPR ini dilakukan pada daerah yang relatif homogen karena GPR sangat sensitif dengan variasi yang ada. Keunggulan yang dimiliki metoda ini antara lain keakuratan dalam mendeteksi struktur bawah permukaan seperti fracture pada bangunan atau pondasi, menentukan bidang perlapisan batuan lapuk dan kompak, muka air tanah

yang dangkal, atau bahkan dapat 120

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

memperlihatkan benda-benda kecil pada kedalaman dangkal seperti kabel, pipa, dan gua (cave), bahkan ranjau-ranjau bekas perang. Selain itu, metode ini dapat juga menunjukkan lokasi air tanah, anomali bahan tambang, hingga fosil-fosil purbakala. Pada metode ini, dikenal tiga jenis pengukuran, yaitu refleksi atau CRP (Continuous Reflection Profiling), velocity sounding atau CMP (Common Mid

Point)

bertujuan

untuk

memperkirakan

kecepatan

versus

kedalaman,

Transiluminasi (GPR tomografi). 5.2.Teori Dasar GPR menggunakan prinsip gelombang elektromagnetik hamburan untuk menemukan benda di bawah permukaan, yaitu dengan persamaan Maxwell. Transmitter membangkitkan pulsa gelombang EM pada frekuensi tertentu. Antena receiver menerima pulsa pulsa yang tidak terserap oleh bumi tetapi dipantulkan dalam domain waktu tertentu. Receiver

telah diatur untuk

melakukan scan ditampilkan pada layar monitor (real time) sebagai fungsi waktu

two way travel time, yaitu waktu yang dibutuhkan gelombang EM menjalar dari transmitter- target- receiver. Persamaan Maxwell Metode GPR didasarkan pada prinsip persamaan maxwell yang merupakan perumusan matematis untuk hukum hukum alam yang mendasari semua fenomena elektromagnet. Persamaan maxwell untuk media isotropik heterogen dirumuskan sebagai berikut :

xH 

D J t

 B  0

xE  

E 

B t

 

dengan hubungan

121

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

D=

 E   0 r E ,

B=

J  E

H  0 r H ,

Dimana :

E = Kuat Medan Listrik (V/m) H =Kuat Medan Magnet (A/m) J = Rapat arus Listrik (A/m2) D = perpindahan elektrik ( As/m2 ) B = Induksi Magnet ( Vs/m2) Q = rapat muatan (As/m3)

  Konduktivitas

  Tahanan Jenis  = permisivitas medium (Farad/m)

   0 r  0 = permisivitas di ruang vacuum = 8.885 x 10-12 ( Farad/m)  r = permisivitas relatif medium μ = permeabilitas magnet medium μr = permeabilitas magnet relatif medium, μ0 = permeabilitas magnet dalam ruang vakum = 4π x 10-7 ( Henry/m) Besaran yang menggambarkan penjalaran gelombang elektromagnet di dalam medium, yaitu kecepatan fasa v dan koefisien atenuasi α atau jangkauan / skin depth τ ( kedalaman dimana sinyal telah berkurang 1/e ( ca.37 %) dari nilai awal), yaitu :

 v  

c

r  r 2

 

2

   1   1   0 r  



 c



r  r 2

2

   1   1   0 r  

1



Untuk materi dengan loss factor rendah P 0 :

122

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

vm 

c

r



0.3

r

(5.1)

Hubungan antara konstanta relatif dielektrik dan porositas adalah :

  1     m   w

(5.2)

Koefisien Refleksi Koefisien refleksi (R) didefinisikan sebagai perbandingan energi yang dipantulkan dengan yang datang, nilainya (R) bergantung pada konstanta dialetrik relatif ε lapisan 1 dan lapisan 2, adalah ukuran kapasitas dari sebuah material dalam hal ini melewatkan muatan saat medan elektromagnetik melewatinya.

R

 v 2  v1   2   v 2  v1   2

  

 1 

1

(5.3)

Secara teknisnya saat pengukuran di lapangan, hasil praktis dari radiasi gelombang elektromagnetik ke bawah permukaan untuk pengukuran GPR ditunjukkan dengan prinsip operasi dasar yang diilustrasikan pada Gambar III.5.1 Gelombang elektromagnetik terpancar dari antena pemancar, bergerak melalui material dengan kecepatan yang ditentukan terutama oleh permitivitas material. Gelombang

menyebar

keluar

dan

perjalanan

ke

bawah

hingga

menabrak objek yang berbeda sifat kelistrikannya dari medium sekitarnya, tersebar dari obyek, dan kemudian terdeteksi oleh antena penerima

123

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Gambar III.5.1 jejak sinyal dari transmitter menbrak material di bawah pemukaan. A adalah direct airwave, G adalah adalah direct ground wave, dan R adalah gelombang refleksi, dan C adalah gelombang refraksi. (Jol, 2009)

Pada semua kasus, besar nilai R terletak antara -1 dan 1, bagian dari energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R. Persamaan diatas diaplikasikan untuk keadaan normal pada permukaan bidang datar. Dengan asumsi tidak ada sinyal yang hilang sehubungan dengan amplitudo sinyal. Jejak yang terdapat pada rekaman georadar merupakan konvolusi dari koefisien refleksi dan impulse georadar ditunjukkan oleh persamaan :

A(t )  r(t )  F(t )  n(t )

(5.4)

dengan: r(t) = koefisien refleksi A(t) = amplitudo rekaman georadar F(t) = impulse radar n(t) = noise radar Tabel III.5.1 Konstanta elektromagnetik Material

K





A

Udara

1

0

0.3

0

Air murni

80

0.01

0.33

2.10-1

Air laut

80

3.104

0.01

0.1

Pasir kering

4

0.01

0.15

0.01

Pasir basah

25

0.1-1

0.06

0.03

Limestone

6

0.5-2

0.12

0.04

0.05

0.06

1-300

0.1-1

0.13

0.01

Lempung padat

Granit

535 5

124

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Rock salt

6 5-

Slate

15

0.1-1

0.13

0.01

0.03

0.09

1-100

Resolusi Ketika dua gelombang muncul, spasi waktu mereka akan sangat dekat dan bagaimana cara memisahkan satu dengan yang lain? Jika dua pulsa gelombang berada pada satu watu maka akan menghasilkan amplitude yang besar. Dengan mengkaraketrisasi sebuah pulsa dengan lebar amplitude setengahnya, W, Pemisahan dilakukan dengan membagi pulsa dengan lebar setengahnya. Konsep pemisahan pulsa dibagi dua a)

Resolusi radial (5.5)

Keterangan: = Resolusi Radial W = lebar amplitude V= kecepatan b)

Resolusi Lateral √

(5.6)

Keterangan: = resolusi lateral W= lebar pulsa v = kecepatan r = jarak target Pada GPR, lebar pulsa, W, mempunyai hubungan berbanding terbalik dengan Bandwidth, B, yang mempunyai hubungan berbanding lurus dengan frekuensi tengah, fc , maka dapat dinyatakan dengan

125

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

(5.7) Dan besar frekuensi tengah (5.8) Ket: λc = panjang gelombang dari fc Maka resolusi lateral dapat ditulis √

(5.9)

Resolusi lateral erat kaitannya dengan Hukum Fresnel, yaitu berhubungan dengan sinyal sinusoidal dimana resolusi lateral adalah radius dari fc Hamburan Atenuasi Gelombang Elektromagnetik akan mengalammi atenuasi dengan hamburan atenuasi yang dinyatakan sebagai keofisien atenuasi,αs (Annan, 2005). Energi elektromagnetik akan menurun sesuai kedalaman dapat , dinyatakan (5.10) Keterangan: E = Energi magnetic E0 = Energi magnetic awal αs = koefisien atenuasi r = kedalaman dan kefisien atenuasi adalah (5.11) Keterangan : N = Jumlah unit A= hamburan atenuasi

126

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Gambar III.5.2 kurva antara waktu dan kedalaman yang menggambarkan Atenuasi

5.3.Akuisisi Data Pengambilan data dilakukan pada 30 Mei - 3 Juni 2010 pada enam line yang sama dengan metoda geolistrik dan seismik refraksi, yaitu pada daerah Desa Jati Bungkus, Karang Sambung; Kebumen. Pada kali ini, kami melakukan survey dengan metode Continous Reflecting Profiling (CRP). Prinsip kerja metoda ini adalah menarik alat GPR sepanjang lintasan yang relatif lurus dengan jarak transmitter dan receiver yang sama karena dalam kasus ini alat kami didesain sebagai shielded atau tertutup dan posisinya tetap.

127

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Parameter pada pengukuran GPR secara CRP, antara lain:

a) b) c) d) e) f)

Frekuensi tengah antenna Time Window Sampling Interval Jarak pergeseran pengukuran Jarak antar antenna Arah Antena

Gambar III.5.3 Ilustrasi skema pengukuran GPR secara CRP (Jol, 2009)

Alat – alat yang digunakan adalah sebagai berikut :

128

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

1.

RAMAC X3M/ MALA shielded

Alat ini mengoperasikan antena yang berperan sebagai transmitter dan

receiver. Selain itu, alat

ini juga dihubungkan dengan peralatan elektronik

(Ethernet) seperti laptop sebagai monitor di lapangan.

Gambar III.5.4 RAMAC X3M/ MALA shielded

Spesifikasi Teknis: Power supply: 12V baterai Li-ion pack Waktu operasi: 10h> dengan baterai standar Temperatur operasional : -20 ° hingga 50 ° C / 0 ° sampai 120 ° F Lingkungan: IP67 Dimensi: 310 x 180 x 30 mm / 12,2 x 7 x 1,2 di Berat: 1.7 kg / £ 3,7 Komunikasi berkecepatan tinggi (Ethernet) dengan XV Monitor / notebook PC Auto Stacking untuk kualitas data kecepatan tertinggi dan kinerja optimal Antena: The X3M sepenuhnya didukung berbagai tipe frekuensi shielded antenna (100, 250, 500 & 800 MHz). 2.

Antenna

Antena

berperan

membangkitkan

dan

sebagai

transmitter

mengirimkan

dan

gelombang

receiver

yang

elektrmagnetik

dan

berfungsi setelah

gelombang terkirim melalui medium bawah tanah lalu terpantulkan, gelombang tersebut diterima kembali. Pada observasi ini, antena yang digunakan adalah antena shielded dengan frekuensi 250 MHz. Antena shielded 250 MHz adalah antena yang umum digunakan, umumnya digunakan untuk investigasi yang membutuhkan kedalaman penetrasi dan resolusi menengah. Dimensi: 0,74 x 0,44 x 0,16 m - Berat: 7,85 kg 129

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Gambar III.5.5 RAMAC X3M/ MALA shielded

3.

Dua buah Connector cable

Kabel ini Berfungsi sebagai medium sinyal Gelombang Elektromagnetik dari

transmiter

dan

receiver

ke

unit

kontrol

(laptop)

dan

juga

untuk

menyambungkan unit ke power supply (accumulator). 4.

Notebook

Notebook ataupun laptop digunakan untuk mengoperasikan ataupun mengatur data akuisisi. Selanjutnya pengolahan data dapat dilakukan di sini pula. 5.

GPS

GPS

digunakan

untuk

menentukan

posisi

serta

elevasi

tempat

pengambilan data.

Gambar III.5.6 Global Positioning System (GPS)

130

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

6.

Alat ukur panjang

Alat ini digunakan untuk menentukan panjang spasi tiap pengukuran. Pada survey ini kali ini kita menggunakan benang untuk membantu pengukuran spasi, tiap 5 meter.

Gambar III.5.7 Akuisisi Data GPR

5.4.Pengolahan Data Data hasil akuisisi dismpan dalam bentuk .rd3, yang selanjutnya akan diolah dalam program ReflexW, sehingga hasil akuisisi dapat diinterpretasikan gambaran bawah permukaannya. Tampilan menubar pada ReflexW

131

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Berikut adalah flowchart dari pengolahan data GPR dengan ReflexW

Start (Input rawdata) (input rawdata)

Dewow

Static Correction

Gain

Background Removal

Bandpass Frequency

F-K Filter

3D Topography Correction

Finish (Output) (output) Gambar III.5.8 Flowchart prosessing data GPR dengan ReflexW

132

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Berikut adalah langkah-langkah pengolahan data GPR: Membuat Project Membuat folder penyimpanan hasil tiap langkah dalam menubar Project Buat project baru di folder tertentu

Gambar III.5.9 Menu Project

Mengimport Rawdata Mengimport rawdata format rd.3 yang akan diolah pada menubar Modules

Gambar III.5.10 Mengimport rawdata dengan format rd.3

133

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Jenis spesisfikasi nama file

Parameter yang penampang yang akan tersisi sendiri setelah memasukan rawdata

nama file

Gambar III.5.11 Parameter Data

Lalu akan keluar rawdata yang akan diproses

Gambar III.5.12 penampang rawdata

134

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Proses Dewow Pada menu pilih processing – 1D Filter – kemudian pilih substract mean (dewow). Proses Dewow berfungsi untuk menghilangkan komponen VLF (Very

Low Frequency). Pada area pengukuran yang dekat dengan transmitter kan mengandung, energi dengan frekuensi rendah yang berasosiasi dengan area induktif dan elekstrotatik. VLF ini sering menghasilkan komponen variasi waktu yang melambat dan terekam pada data. Energi ini menyebabkan naik atau turunnya frekuensi pada level base yang terekam oleh sinyal (noise). Efek ini dikenal sebagai baseline "wow" pada pembacaan GPR. Sinyal wow dapat ditekan dengan mengaplikasikan

high-loss temporal filter pada sinyal yang terdeteksi,

proses ini dikenal sebagai dewow. Karena proses Dewow merupakan langkah processing pertama maka tandai Processing Label dengan angka nol (0).

Gambaran trace ke-2 sebagai salah satu contoh unutk dihilangkan frekuensi rendahnya

Substract-mean (dewow)

Namakan Processing Label

Gambar III.5.13 Window 1-D Filter

135

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Maka setelah diproses hasilnya menjadi seperti di bawah ini

Gambar III.5.14 Penampang setelah dilakukan proses Dewow

Proses Static Correction Pada menu pilih processing – static correction/muting – static correction. Proses

Static

Correction

dilakukan

agar

letak

data

terdapat

pada

ketinggian yang seharusnya, yaitu menempatkan To (z=0) di permulaaan sinyal sehingga

first

arrival

berada

di

To(z=0),

kita

dapat

mempergunakan

wigglewindow untuk memperbaiki first arrival untuk ditempatkan di To yang seharusnya.

Hasil pick dari penampang hasil Dewow wiggle Window

Gambar III.5.15 Window Static Correction

136

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

pick pada Wiggle Window

Gambar III.5.16 Wiggle Window pada menubar view

Maka hasil yang akan keluar setelah proses Static Correction

Gambar III.5.17 Penampang setelah proses Static Correction

Proses Gain Pilih menu processing – gain – manual gain (y) . Proses Gain dilakukan untuk memperkuat sinyal yang melemah akibat atenuasi. Oleh karena itu, kita memplot bagian trace yang ingin diperbesar energinya dengan bentuk logaritma natural, sesuai dengan persamaan.

137

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Pick nilai Gain yang akan diperkuat secara manual berbentuk logaritma natural

Sebelum (energi yang melemah akibat atenuasi)

Sesudah ( proses Gain berguna untuk memperbesar energi)

Gambar III.5.18 Window pick Manual Gain -Y

Nilai hasil pick yang ditabelkan

Gambar III.5.19 Window Manual Gain-Y

138

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Maka hasil dari proses Gain adalah di bawah ini

Gambar III.5.20 penampang setelah proses Gain

Proses Background Removal Pilih menubar 2D-Filter-Background Removal. Proses Background Removal berguna untuk menghilangkan gangguan arah mendatar

Gambar III.5.21 Window 2D filter processing-background removal

139

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

maka hasil dari proses Background Removal adalah

Gambar III.5.22 Penampang setelah proses Background Removal

Proses Bandpassfrequency Pilih menubar 1D-Filter – Bandpassfrequency. Proses Bandpass frequency adalah pengaturan toleransi frekuensi yang digunakan. Nilai di bawah lower cutoff adalah batas nilai frekuensi rendah yang tidak dipakai, nilai antara lower cutoff dan lower plateu adalah nilai frekuensi yang diperlemah, nilai antara lower plateu samapi upper plateu adlah frekuensi yang digunakan, nilai antara upper plateu sampai upper cutoff adalah nilai frekuensi yang diperlemah, sedangkan nilai frekuensi di atas upper plateu tidak digunakan.

Pick nilai cutoff dan plateau

Gambar III.5.23 Window 1D-Filter- bandpassfrequency

140

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Maka hasil dari proses bandpassfrequency

Gambar III.5.24 Penampang setelah proses bandpassfrequency

Proses Correct 3D Topography Proses Correct Topography adalah memasukan data topografi dengan format jarak melintang (x), tebal (y), dan nilai elevasi (z).

Nama file berbentuk top*.*

Gambar III.5.25 Window memilih file topografi dengan format (top*.*)

141

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Lebar (y)

Jarak (x) Elevasi (z)

Gambar III.5.26 Format penulisan data topografi pada file dengan format .txt

Gambar III.5.27 Window Correct 3D topography

142

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Maka hasil penampangnya adalah

Gambar III.5.28 penampang setelah proses correct 3D- Topography dilakukan

Proses F-K filter Pilih processing – fk filter/fk spectrum – generate. Setelah digenerate, pilih zona spectrum dengan mengklik zona yang akan digunakan. Filter ini digunakan untuk membatasi zona spectrum yang digunakan.

Gambar III.5.29 Window FK-Filter

143

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Pilih zona spectrum pada daerah bagian tengah

Gambar III.5.30 Window Zona Spektrum

Nilai spectrum akan tercantum di tabel secara otomatis

Gambar III.5.31 Window table FK-Filter

144

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Maka hasil akhir dari prosesnya adalah

Gambar III.5.32 Penampang setelah Proses FK-Filter

5.5.Pemodelan dan Interpretasi Line1

145

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Pada jarak 0-80 meter dapat dilihat topografi yang cendung naik memperlihatkan nilai kontras warna yang besar pada kedalaman 5 meter. Kontras

warna yang besar menandakan amplitude

tinggi yang biasanya

merupakan cirri dari lapisan batuan yang kompak. Pada jarak 100-124 meter topografi menurun curam lalu naik lagi hingga jarak 150 meter, pada ketebalan kira-kira 1 meter pertama memperlihatkan kontras warna yang besar, namun makin ke dalam kontras warna makin kecil. Kontras warna kecil menandakan lapisan batuan yang lapuk atau nilai amplitudenya kecil. Line 2 Pada

kedalaman

2-4

meter

pada

jarak

lintasan

0-80

meter

memperlihatkan kontras warna yang besar menandakan amplitude besar yaitu penciri lapisan batuan yang cukup kompak. Dan pada kedalaman 2.5-5.5 meter. Pada penampang jarak

antara 80-150 meter memperlihatkan kontras warna

yang rendah mencirikan lapisan batuan yang lapuk.

146

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Line 3

Secara keseluruhan line 3 memperlihatkan kontras warna yang kecil yaitu memiliki amplitude kecil sepanjang lintasan. Pada line 3 memiliki topografi yang cenderung naik ini mengandung lapisan batuan yang lapuk Line 4 terbagi dua pengukuran, disebabkan lingkungan yang tidak memungkinkan untuk dilakukan akuisisi, yaitu menyebrangi sungai.

147

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Line4a

Pada line 4a area pengukuran didominasi dengan kontras warna kecil, namun pada beberapa kedalaman kontras warna agak besar . Pada line 4a ini lapisan didominasi dengan lapisan batuan lapuk Line 4b Pada kedalaman 0.5 meter memperlihatkan kontras warna yang besar, yang menandakan lapisan batuan yang kompak, dan semakin ke dalam kontras warna makin kecil yang menandakan lapisan batuan yang lapuk.

148

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

Line 5

Pada penampang dengan jarak 0-20 meter memperlihatkan kontras warna yang kecil yaitu penciri lapisan batuan lapuk, pada 20-26 meter lapisan kontras warna besar, yaitu penciri batuan kompak. Pada jarak 26-50 meter kontras warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk, sedangkan pada 50-90 meter 149

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

hasil data tidak terlihat jelas ditandai dengan ketidakkonsistenan kontras warna. Pada 90-150 meter kontras warna cukup besar, yaitu mencirikan batuan kompak. LineE

Pada Line E, kedalaman 0-4 meter memperlihatkan kontras warna yang cukup besar

yaitu mencirikan lapisan batuan yang kompak, sedangkan pada

kedalamanl 4-5 meter , kontras warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk.

150