JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.2, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
B-63
Estimasi Poisson’s Ratio untuk Analisis Derajat Saturasi Air pada Reservoir Geotermal Menggunakan Data MEQ Mariyanto, Bagus Jaya Santosa, dan Ayi Syaeful Bahri Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak—Lapangan “Mar” merupakan lapangan di Indonesia yang memproduksi sumber energi geotermal. Untuk memantau kondisi reservoir geotermal dapat dilakukan dengan analisis gelombang microearthquake (MEQ). Data MEQ diolah dengan cara melakukan picking terhadap waktu tiba gelombang P (tp) dan waktu tiba gelombang S (ts) untuk menentukan hiposenter event MEQ. Selanjutnya dilakukan analisis dengan diagram Wadati untuk menentukan nilai vp/vs di setiap lokasi event MEQ sehingga dapat diestimasi distribusi nilai Poisson’s ratio pada batuan di reservoir geotermal. Poisson’s ratio merupakan sifat elastisitas batuan yang mengindikasikan tingkat rekahan yang mana bernilai lebih tinggi pada batuan yang tersaturasi air daripada batuan pada kondisi normal. Distribusi persebaran nilai Poisson’s ratio digunakan untuk menganalisis derajat saturasi air dengan mengorelasikannya terhadap data resistivitas. Hasil penelitian menunjukkan telah diperoleh 135 lokasi hiposenter MEQ dengan distribusi nilai Poisson’s ratio bervariasi dari 0,101 sampai 0,448. Zona dengan nilai derajat saturasi air yang tinggi diindikasikan oleh zona dengan sebaran distribusi nilai Poisson’s ratio yang tinggi dan nilai resistivitas yang rendah. Kata Kunci—geotermal, microearthquake (MEQ), Poisson’s ratio, saturasi air
I. PENDAHULUAN
G
eotermal atau panas bumi merupakan sumber energi panas yang terkandung di dalam air panas, uap air, dan batuan bersama mineral ikutan dan gas lainnya yang secara genetik semuanya tidak dapat dipisahkan dalam suatu sistem. Elemen-elemen penting penyusun sistem geotermal terdiri dari tiga yaitu: adanya sumber panas, adanya batuan reservoir yang permeabel dan adanya fluida yang membawa aliran panas [1]. Sumber panas berasal dari panas yang dihasilkan dari instrusi batuan beku. Batuan reservoir merupakan batuan tempat fluida terakumulasi. Sistem geotermal di Indonesia umumnya merupakan sistem hidrothermal yang mempunyai temperatur tinggi (>2250C), hanya beberapa diantaranya yang mempunyai temperatur sedang (150‐2250C) [2]. Indonesia merupakan negara yang memiliki potensi geotermal terbesar di dunia dengan cadangan sekitar 40% dari cadangan dunia. Jumlah itu setara dengan energi sebesar 29 GW. Sesuai dengan Peraturan Presiden RI Nomor 5 Tahun 2006 tentang Kebijakan Energi Nasional (KEN) bahwasanya pemanfaatan panas bumi ditargetkan menjadi energi primer yang optimal dengan pemanfaatan lebih dari 5 % pada tahun 2025 [3]. Aktivitas eksplorasi dan eksploitasi sangat
diperlukan agar sumber energi geotermal dapat dimanfaatkan dengan optimal. Aktivitas kegempaan merupakan salah satu fenomena yang terjadi pada area produksi lapangan geotermal “Mar”. Gempa kecil atau microearthquake terjadi dengan magnitudo kurang dari 3 Mw [4]. Injeksi fluida pada saat proses produksi akan menghasilkan tekanan yang melawan formasi batuan dan menciptakan rekahan hidrolik (hydraulyc fracture). Rekahan yang terbentuk akan menyebabkan timbulnya microaerthquake yang melepaskan energi gelombang seismik [5]. Oleh karena adanya aktivitas kegempaan ini, untuk melakukan monitoring pada zona reservoir geotermal Wayang Windu dapat digunakan data microarthquake (MEQ) yang merupakan data dari hasil pengukuran dengan metode seismik pasif. [6]. Data MEQ dapat digunakan untuk mengistimasi nilai Poisson’ ratio [7]. Penentuan Poisson’s ratio dapat dilakukan dengan analisis diagram wadati dengan memasukkan waktu tiba gelombang P dan S yang mana nilai ini diestimasi dari dari kecepatan gelombang primer (vp) dan kecepatan gelombang sekunder (vs) yang terukur dari data seismik atau data sonik [8,9]. Poisson’s ratio merupakan sifat elastisitas batuan yang mengindikasikan tingkat rekahan (fracturing) pada batuan tersebut yang mana nilai Poisson’s ratio akan lebih tinggi dari kondisi normal pada batuan yang terisi cairan [9]. Eksperimen laboratorium menunjukkan pengukuran Poisson’s ratio pada batuan kering dan tersaturasi air memiliki nilai masing-masing 0,1 dan 0,3 [10]. Lapangan Geotermal East Mesa, California memiliki batuan dengan nilai Poisson’s ratio yang lebih tinggi sebesar 0,4. Estimasi Poisson’s ratio dari data yang diperoleh dengan metode seismik pasif berguna untuk mengindikasikan derajat saturasi air pada reservoir geotermal [7]. II. METODE A. Kajian Literatur Kajian literatur diambil dari beberapa sumber baik dari buku, internet, artikel, jurnal penelitian terdahulu maupun data-data lain yang terkait penelitian. Tujuannya adalah mempermudah pemahaman tentang penelitian yang akan dilakukan.
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.2, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) B. Pengumpulan Data Penelitian Data yang digunakan dalam penelitian ini antara lain: data microeartquake (MEQ) yang merupakan data primer dengan format .sac dan data pendukung berupa distribusi sebaran resistivitas daerah penelitian. C. Penentuan Hiposenter Pengolahan data MEQ diawali dengan menentukan letak hiposenternya. Data MEQ dengan format .sac akan dapat dibaca dengan menggunakan software Winquake yang merupakan software untuk mengetahui bentuk gelombang MEQ yang terukur. Dengan menggunakan software Winquake dapat dilakukan penentuan waktu tiba gelombang P dan gelombang S. Data yang didapatkan adalah waktu datang gelombang P, waktu datang gelombang S dan posisi dari stasiun berupa nilai latittude dan longitude-nya. Selanjutnya data-data yang diperoleh dari pengolahan dengan software Winquake digunakan sebagai data masukan untuk penentuan hiposenter gempa menggunakan software Hypo71. Pengolahan dengan software Hypo71 dilakukan dengan memasukkan tiga jenis data, yaitu data stasiun yang meliputi nama stasiun dan letak stasiun seismometer, data model bumi berupa kecepatan gelombang P (vp) pada tiap kedalaman lapisan bumi dan fase gelombang P dan S yang meliputi nilai waktu datang gelombang datang P dan S dan jenisnya. D. Distribusi Poisson’s ratio Estimasi nilai Poisson’s ratio didapatkan melalui analisis diagram Wadati menggunakan Microsoft Excel dengan data masukan berupa waktu tiba gelombang P (tp) untuk plot data pada sumbu-x dan selisih waktu tiba gelombang S (ts) dengan waktu gelombang P (tp) atau ts-tp untuk plot data sumbu-y dari setiap stasiun seismometer yang mengukur terjadinya satu event MEQ. Dari diagram Wadati, akan didapatkan nilai vp/vs yang merupakan nilai perbandingan kecepatan gelombang P (vp) dengan kecepatan gelombang S (vs). Dengan nilai vp/vs dapat ditentukan nilai Poisson’s ratio dengan melakukan perhitungan. Hal yang sama juga dilakukan untuk event-event MEQ lainnya sehingga akan didapatkan nilai Poisson’s ratio untuk setiap satu event MEQ. Selanjutnya dilakukan pemetaan distribusi persebaran nilai Poisson’s ratio menggunakan software Oasis Montaj. Data masukan pada pengolahan menggunakan software Oasis Montaj berupa data lokasi hiposenter MEQ sebagai data titik x, y, z dan data nilai Poisson’s ratio sebagai data parameter fisis. Dari pengolahan ini akan didapatkan gambaran tiga dimensi distribusi persebaran Poisson’s ratio. Untuk memudahkan analisis maka dibuatlah cross section (penampang) dua dimensi. E. Korelasi Data Korelasi data dilakukan dengan membandingkan dan menyocokkan antara data hasil pengolahan dari data primer dengan data pendukung yang diperoleh secara langsung tanpa melalui proses pengolahan data. Pada penelitian tugas akhir ini, data hasil pengolahan dari data primer berupa distribusi
B-64
persebaran Poisson’s ratio sedangkan data distribusi persebaran resistivitas sebagai data pembandingnya.
Gambar 1. Proses picking gelombang P dan S dengan Winquake
F. Analisis Derajat Saturasi Air Analisis derajat saturasi air dilakukan secara kualitatif. Derajat saturasi air dianalisis berdasarkan distribusi persebaran nilai estimasi Poisson’s ratio. Tujuan dari proses ini adalah menentukan zona yang memiliki derajat saturasi air yang relatif tinggi yang merupakan zona prospektif. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Picking Gelombang P dan Gelombang S Data MEQ diperoleh dari 12 stasiun seismometer yang terpasang di lapangan geotermal “Mar”. Setiap stasiun pengukuran memiliki lokasi yang berbeda-beda dan menyebar di sepanjang area geotermal. Data MEQ dengan format .sac. yang diolah dengan software Winquake menampilkan rekaman pergerakan tanah dalam dimensi tegangan listrik. Dengan menggunakan software Winquke, dapat dilihat bentuk dari gelombang MEQ dan dilakukan picking terhadap gelombang P dan gelombang S dari gelombang gempa yang ada. Picking merupakan proses penentuan waktu tiba gelombang P (tp) dan waktu tiba gelombang S (ts) yang akan digunakan pada pengolahan data tahap berikutnya. Contoh proses picking gelombang P dan gelombang S salah satu gelombang MEQ yang terjadi di Lapangan Geotermal Wayang Windu dengan menggunakan software Winquake yang ditunjukkan pada Gambar 1. Hasil picking memperlihatkan tp adalah 7:56:55:2 yang ditunjukkan oleh lingkaran warna hijau sementara ts adalah 7:56:55:5 yang ditunjukkan oleh lingkaran warna hitam. Perbedaan waktu hasil picking (ts-tp) sebesar 0,3 detik. Setiap hasil picking menunjukkan bahwa nilai tp selalu lebih kecil daripada ts dikarenakan kecepatan gelombang P (vp) lebih besar dibandingkan kecepatan gelombang S (vs). B. Penentuan Hiposenter MEQ Untuk penentuan hiposenter menggunakan software Hypo71 diperoleh 135 event MEQ yang terjadi di lapangan geotermal “Mar” yang ditunjukkan pada Gambar 2. Prinsip yang digunakan adalah pemodelan inversi yaitu menentukan
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.2, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) parameter model bumi dari pemrosesan data observasi lapangan. Data parameter model bumi berupa lokasi koordinat sumber MEQ yang terdiri dari posisi pada sumbu-x, sumbu-y dan sumbu-z. Sementara itu data observasi berupa waktu tiba gelombang P dan waktu tiba gelombang S. Dari pengolahan data yang telah dilakukan,dapat diketahui letak hiposenter dan episenter. Hiposenter merupakan lokasi terjadi sumber MEQ yang terjadi di bawah permukaan bumi sementara itu episenter merupakan lokasi terjadinya sumber MEQ dilihat secara horisontal pada bidang xy. C. Distribusi Poisson’s ratio Nilai vp/vs diperoleh melalui analisis dengan menggunakan diagram wadati. Prinsip kerja diagram wadati adalah ploting waktu tiba gelombang P (tp) dan gelombang S (ts) pada suatu kurva regresi linear. Gradien kurva merupakan perbandingan antara ts-tp dengan tp. Selanjutnya nilai tp dan ts-tp diplot pada diagram Wadati dengan menggunakan Microsoft Excel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. tp sebagai sumbu-x dan ts-tp sebagai sumbu-y. Gambar 3 menunjukkan bahwa nilai gradien pada diagram adalah 0,743. Nilai gradien pada gambar 3 merupakan perbandingan antara nilai pada sumbu-x dengan nilai pada sumbu-y yaitu (ts-tp)/tp. tp dan ts merupakan hasil dari jarak antara sumber gempa dengan lokasi stasiun pengukuran (D) dibagikan dengan kecepatan gelombang P (vp) dan kecepatan gelombang S (vs). Secara matematis dapat dituliskan tp= D/vp dan ts=D/vs. Dengan melakukan subtitusi diperoleh nilai vp/vs=1+gradien. Setelah dilakukan perhitungan didapatkan nilai vp/vs sebesar 1,743 untuk kasus pada Gambar 3. Nilai R2 merupakan koefisien korelasi yang menunjukkan hubungan yang baik antara data tp dan ts-tp yang dikorelasikan. Semakin mendekati nilai 1 nilai R2 menunjukkan nilai yang baik. Nilai R2 pada gambar 3 sebesar 0,995 yang mana menunjukkan nilai koefisien korelasi yang baik karena mendekati nilai 1. Penentuan nilai estimasi Poisson’s ratio didapatkan melalui kalkulasi dengan persamaan yang menghubungkan antara vp/vs dengan Poisson’s ratio. Nilai Poisson’s ratio menunjukkan nilai sifat elastisitas batuan pada tiap titik batuan tempat terjadinya event MEQ. Dari perhitungan yang dilakukan, didapatkan nilai Poisson’s ratio yang bervariasi pada tiap lokasi event MEQ. Distribusi nilai Poisson’s ratio pada tiap lokasi event MEQ dapat dilihat di Lampiran C. Nilai Poisson’s ratio bervariasi dari minimal sebesar 0,101 sampai maksimal sebesar 0,448. Distribusi persebaran nilai Poisson’s ratio digambarkan secara tiga dimensi dengan software Oasis Montaj yang ditunjukkan pada gambar 4. Prinsip kerja software ini adalah interpolasi yang merupakan suatu cara untuk mencari nilai di antara beberapa titik data yang telah diketahui. Pengolahan dengan software ini dilakukan dengan memasukkan nilai posisi x,y dan z dan parameter fisis yang diinginkan. Dalam kasus ini parameter fisis yang dimaksud adalah Poisson’s ratio. Distribusi persebaran nilai Poisson’s ratio yang bervariasi ditunjukkan dengan adanya perbedaan warna. Gambar 4 memperlihatkan zona-zona dengan warna yang
B-65
berbeda-beda. Hal ini menunjukkan perbedaan nilai Poisson’s ratio. Batas perbedaan warna tidak dapat dilihat secara jelas karena tampilannya masih tiga dimensi. Selanjutnya untuk memudahkan analisis data dibuatlah cross section
Gambar 2. Distribusi lokasi hiposenter MEQ
Gambar 3. Contoh analisis diagram Wadati
Gambar 4. Distribusi Poisson’s ratio
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.2, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print)
B-66
(penampang) berdasarkan dominasi banyaknya titik-titik lokasi event MEQ yang tersebar pada suatu garis lurus (line). Line yang ditentukan untuk pembuatan cross section (penampang) ada dua yaitu Penampang 1 (Bidang XZ) dengan line y= 9.207.500 meter dan Penampang 2 (Bidang YZ) dengan line x= 790.500 meter. Selanjutnya hasil kedua penampang dapat dilihat pada Gambar 5 yang merupakan penampang arah Easting dengan kedalaman dan Gambar 6 merupakan penampang arah Northing dengan kedalaman. Titik-titik warna hitam merupakan poyeksi event MEQ yang terjadi terhadap bidang penampang. Perbedaan warna menunjukkan variasi nilai yang berbeda-beda dimulai dari warna biru sampai warna merah yang menunjukkan nilai dari rendah ke tinggi. D. Korelasi Data Korelasi data dilakukan dengan membandingkan antara data distribusi persebaran Poisson’s ratio dengan data distribusi persebaran resistivitas. Hasil korelasi data ditampilkan pada Gambar 7 dan Gambar 8. Gambar 7 merupakan korelasi data bidang ke timur (Easting) dengan kedalaman atau disebut korelasi data cross section 1. Sedangkan Gambar 8 merupakan korelasi data bidang ke utara (Northing) dengan kedalaman atau disebut korelasi data cross section 2. Di sebelah kiri merupakan distribusi persebaran nilai Poisson’s ratio sedangkan di sebelah kanan merupakan distribusi persebaran nilai resistivitas. Nilai resistivitas ditunjukkan dengan adanya perbedaan warna dari warna merah yang menunjukkan nilai yang paling kecil hingga warna biru yang menunjukkan nilai yang paling besar.
Gambar 5. Cross section bidang XZ
E. Analisis Derajat Saturasi Air Nilai Poisson’s ratio yang tinggi mengindikasikan nilai derajat saturasi air yang tinggi karena adanya air pada batuan akan cenderung memperbesar nilai Poisson’s ratio. Pada gambar korelasi data di Gambar 7 dan Gambar 8, nilai Poisson’s ratio yang tinggi ditunjukkan dengan warna merah sampai ungu sedangkan warna biru menunjukkan nilai yang rendah. Selain itu, nilai resistivitas yang kecil juga mengindikasikan adanya air yang tersaturasi dalam batuan. Pada dasarnya, daerah dengan nilai saturasi air yang tinggi Gambar 6. Cross section bidang YZ secara kualitatif memiliki nilai Poisson’s ratio yang tinggi dan nilai resistivitas yang rendah. Interpretasi Gambar 7 dan Gambar 8 memperlihatkan bahwa zona yang memiliki warna merah sampai ungu pada distribusi persebaran Poisson’s ratio merupakan zona yang memiliki Poisson’s ratio yang tinggi dan pada zona ini juga menunjukkan nilai resitivitas yang rendah sehingga zona ini diindikasikan memiliki derajat saturasi air yang tinggi pula. Warna merah diinterpretasikan sebagai zona dengan derajat saturasi air yang tinggi sedangkan warna ungu diinterpretasikan sebagai zona berubahnya faseGambar air 7. Korelasi data cross section 1 menjadi fase uap air. IV. KESIMPULAN Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian yang telah dilakukan adalah sebagai berikut:
JURNAL SAINS DAN SENI POMITS Vol. 2, No.2, (2013) 2337-3520 (2301-928X Print) a. Didapatkan 135 hiposenter MEQ di lapangan geotermal “Mar”. b. Distribusi nilai Poisson’s ratio bervariasi dari 0,101 sampai 0,448. c. Zona dengan derajat saturasi air yang tinggi diindikasikan pada zona dengan garis warna hitam yang memiliki nilai Poisson’s ratio yang tinggi dan resistivitas yang rendah. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Ayi Syaeful Bahri dan Bapak Bagus Jaya Santosa atas bimbingan dan ilmu yang diberikan. DAFTAR PUSTAKA [1]
Goff F. and Cathy J., "Encyclopedia of Volcanoes: Geotermal System", University of Rhode Island, USA, 2000. [2] Nenny, S., “Sekilas Tentang Panas Bumi”, FTTM ITB, 2005. [3] Djumena, E., “Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Malu Pemanfaatan Panas Bumi Masih Minim”, 2013.
. [4] Julian, B. R. and Foulger, G. R., ‘Monitoring Geothermal Processes with Microearthquake Mechanisms”, Proceedings of Thirty-Fourth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, SGP-TR-187, 2009. [5] Phillips, S. W., J. T. Rutledge, L. S. House, and M. C. Fehler, “Induced Microearthquake Patterns in Hydrocarbon and Geothermal Reservoirs: A Review”, PAEGEOPH, LAUR 00-1328, 2001. [6] Gylfi Pall Herslr and Axel Bjornsson, “Geophysical Exploration For Geothemal Resources Principles and Application”, UNU Geothermal Training Programme Reykjavik, Iceland, 2001. [7] Foulger G., “Geothermal Exploration and Reservoir Monitoring Using Earthquake and Passive Seismic Method” Geotermics, vol 11, No. 4, pp. 259-268, Pergamon Press Ltd, 1982. [8] Zhang J and Bentley L., “Factor Determining Poisson’s ratio”, CREWES Research Report, vol 17, 2005. [9] Manzella, A., “Geophysical Methods in Geothermal Exploration, Italian National Research Council International Institute for Geothermal Research Pisa, Italy, 1990. [10] Somerton W.,” Some Physical Properties Of Cerro Prieto Cores”. Proc. First Symp. Cerro Prieto Geothermal Field, Baja California, Mexico. Berkeley, Lawrence Berkeley Laboratory, LBL-7098. 1978.
Gambar 8. Korelasi data cross section 2
B-67
