Geofisika: Metode Magnetik

PENGANTAR GEOFISIKA
“Metode Magnetik”

Oleh :

Nursami Fajriani (60400114056)

Kelas : Geofisika B

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS SAINS DAN TEKHNOLOGI

UNIVERSITAS ISLAM NEGRI ALAUDDIN MAKASSAR

2016

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr.Wb

Atas segala Rahmat dan Karunia-Nya kita selalu haturkan kepada Allah SWT yang senantiasa memberikan kemudahan kepada hambanya baik dalam bentuk pertolongan apapun. Salah satu nya itu adalah dalam kelancaran penyusunan makalah ini.

Makalah ini di buat untuk memudahkan dalam proses pembelajaran baik penyusun maupun pembaca itu sendiri, selain itu dapat membuat Ilmu Pengetahuan kita dapat bertambah, khususnya dalam bidang Geofisika. Makalah ini berjudul “Metode Magnetik” yang memuat tentang ruang proses eksplorasi dalam bidang magnetik.

Dengan terselesaikannya makalah ini, Penyusun berharap sekiranya makalah ini bermanfaat untuk kedepannya, walaupun banyak terdapat kekurangan di dalamnya. Penyusun mengaharapkan kritik dan saran.Terima Kasih

Wassalamualaikum Wr.Wb

Samata. Kamis 19 Mei 2016

Nursami Fajriani

BAB I
PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Metode geofisika merupakan ilmu yang mempelajari tentang bumi yang berdasaran pengukuran fisis di permukaan bumi. Sifat fisis yang umum digunakan diantaranya kemagnetan, kepadatan, kekenyalan, dan tahanan jenis dapat menafsirkan struktur lapisan tanah, berat jenis batuan, dan mutu air (Todd, 1959). Secara umum, metode geofisika di katagorikan atas metode aktif yang membuat medan gangguan kemudian mengukur respon dan metode pasif yang mengukur medan alami dari bumi. Bumi dianalogikan sebagai batang magnet raksasa dan memiliki medan magnet yang berasal dari dalam inti bumi. Metode magnetik merupakan salah satu metode geofisika yang memanfaatkan medan magnet bumi.

Pengukuran dilapangan yang diukur berupa besaran fisis yaitu kuat medan magnet dan densitas medan magnet, sehingga di dapat intensitas medan magnetic total. Analisis anomaly medan magnet digunakan untuk mengintepretasikan susceptibilitas struktur geologi yang menonjol pada daerah tersebut

I.2 Rumusan Masalah

Memahami metode magnetik dari prinsip kerja serta jangkauannya

I.3 Manfaat

Manfaat dalam makalah ini memberikan pemahaman mengenai proses metode magnetik sert penerapannya dalam dunia eksplorasi bumi

BAB II
PEMBAHASAN

A.Sejarah Metode Magnetik

Sejarah perkembangan Metode Magnetik telah dikenal sekitar 400 tahun yang lalu. Orang yang pertama kali melakukan penelitian magnetisasi bumi secara ilmiah adalah Sir William Gilbert(1540 – 1603). Gilbert adalah orang yang pertama kali melihat bahwa medan magnet bumi ekivalen dengan arah utara – selatan sumbu rotasi bumi. Penemuan Gilbert kemudian diperdalam oleh Van Wrede (1843) untuk melokalisir endapan bijih besi dengan mengukur variasi magnet di permukaan bumi. Hasil penelitiannya kemudian dibukukan oleh Thalen (1879) dengan judul :” The Examination Of Iron Ore Deposite By Magnetic Measurement” yang kemudian menjadi pionir bagi pengukuran magnetisasi bumi (Geomagnet) Metode magnet adalah salah satu metode geofisika yang digunakan untuk menyelidiki kondisi permukaan bumi dengan memanfaatkan sifat kemagnetan batuan yang diidentifikasikan oleh kerentanan magnet batuan. Metode ini didasarkan pada pengukuran variasi intensitas magnetik di permukaan bumi yang disebabkan adanya variasi distribusi (anomali) benda termagnetisasi di bawah permukaan bumi. Variasi intensitas medan magnetik yang terukur kemudian ditafsirkan dalam bentuk distribusi bahan magnetik dibawah permukaan, kemudian dijadikan dasar bagi pendugaan keadaan geologi yang mungkin teramati. Pengukuran intensitas medan magnetik dapat dilakukan di darat, laut maupun udara. Susceptibilitas magnet batuan adalah harga magnet suatu batuan terhadap pengaruh magnet, yang pada umumnya erat kaitannya dengan kandungan mineral dan oksida besi. Semakin besar kandungan mineral magnetit di dalam batuan, akan semakin besar harga susceptibilitasnya. Metoda ini sangat cocok untuk pendugaan struktur geologi bawah permukaan dengan tidak mengabaikan faktor kontrol adanya kenampakan geologi di permukaan dan kegiatan gunungapi. Metode magnetik sering digunakan dalam eksplorasi minyak bumi, panas bumi, dan batuan mineral serta bisa diterapkan pada pencarian prospeksi benda-benda arkeologi. 2.2 Anomali Magnet Anomali magnet terjadi karena adanya variasi medan magnet kearah spasial secara regional. Pola anomali ini dicirikan oleh pergantian antara anomali positif-negatif dan sejajar dengan sumbu pemekarannya. Pola ini dikenal dengan sebutan “zone of striped magnetic anomalies”. Hasil inverse anomali ini, dengan dibantu oleh data radiometri, umur lantai samudra yang bertambah terhadap jarak dari sumbu pemekaran dan kecepatan rata-rata pemekarannya dapat diturunkan. Intensitas medan magnet dipermukaan bumi diukur menggunakan magnetometer. Hasil pengukuran dari magnetometer ini berupa penjumlahan dari medan magnet bumi utama, variasi medan magnet bumi yang berhubungan dengan variasi kerentanan magnet batuan, medan magnet remanen dan variasi harian akibat aktivitas di matahari. Variasi medan magnet bumi yang berhubungan dengan variasi kerentanan magnet batuan sangat berhubungan dengan variasi k. Harga anomaly pada suatu titik amat digunakan dengan cara menghilangkan medan pertama, ketiga, dan keempat pada harga megnet pengukuran. Anomali magnetik dapat diturunkan dengan menggunakan hubungan Poisson’s dari persamaan yang berhubungan dengananomali gaya berat (gravitasi).

B. Pengertian Metode Magnetik

Metode magnetik merupakan salah satu metode eksplorasi geofisika yang dilakukan dengan meninjau hasil pengukuran anomali magnetik. Anomali ini diakibatkan oleh perbedaan suseptibilitas atau permeabilitas magnetik di satu daerah dari daerah di sekelilingnya. Intensitas magnetik diukur menggunakan magnetometer. Variasi intensitas magnetik (anomali) diakibatkan oleh perbedaan distribusi mineral yang bersifat ferromagnetik, paramagnetik, dan diamagnetik. Metode ini digunakan pada studi geotermal karena mineral-mineral ferromagnetik akan kehilangan sifat kemagnetannya bila dipanaskan hingga temperatur tertentu, sehingga digunakan untuk mempelajari daerah yang kemungkinan memiliki potensi geotermal. Metode magnetik didasarkan pada pengukuran variasi intensitas medan magnetik di permukaan bumi yang disebabkan oleh adanya variasi distribusi benda termagnetisasi di bawah permukaan bumi(suseptibilitas). Variasi yang terukur (anomali) berada dalam latar belakang medan yang relatif besar. Variasi intensitas medan magnetik yang terukur kemudian ditafsirkan dalam bentuk distribusi bahan magnetik di bawah permukaan, yang kemudian dijadikan dasar bagi pendugaan keadaan geologi yang mungkin. Metode magnetik memiliki kesamaan latar belakang fisika dengan metode gravitasi, kedua metode sama-sama berdasarkan kepada teori potensial, sehngga keduanya sering disebut sebagai metoda potensial. Namun demikian, ditinjau dari segi besaran fisika yang terlibat, keduanya mempunyai perbedaan yang mendasar. Dalam magnetik harus mempertimbangkan variasi arah dan besar vektor magnetisasi. sedangkan dalam gravitasi hanya ditinjau variasi besar vektor percepatan gravitasi. Data pengamatan magnetik lebih menunjukan sifat residual yang kompleks. Dengan demikian, metode magnetik memiliki variasi terhadap waktu jauh lebih besar. Pengukuran intensitas medan magnetik bisa dilakukan melalui darat, laut dan udara. Metode magnetik sering digunakan dalam eksplorasi pendahuluan minyak bumi, panas bumi, dan batuan mineral serta serta bisa diterapkan pada pencarian prospeksi benda-benda arkeologi.

Metode magnetik yang berhubungan dengan ayat dalam Al-Qur’an

Surat Yasin : 36

Terjemahannya:

“Maha Suci Rabb, yang telah menciptakan pasangan-pasangan semuanya, baik dari apa yang ditumbuhkan oleh bumi, dan dari diri mereka, maupun dari apa yang tidak mereka ketahui." – (QS.36:36)

C. Prinsip metode magnetik

Prinsip metode magnetik dalam metode geomagnetik ini, bumi diyakini sebagai batang magnet raksasa dimana medan magnet utama bumi dihasilkan. Kerak bumi menghasilkan medan magnet jauh lebih kecil daripada medan utama magnet yang dihasilkan bumi secara keseluruhan. Teramatinya medan magnet pada bagian bumi tertentu, biasanya disebut anomali magnetik yang dipengaruhi suseptibilitas batuan tersebut dan remanen magnetiknya. Berdasarkan pada anomali magnetik batuan ini, pendugaan sebaran batuan yang dipetakan baik secara lateral maupun vertikal.

Bumi sebagai benda magnet telah di kenal sejak lama. Prinsip dasar dari metode magnetik ini ialah Hukum tarikan Coulomb. Satuan kuat kutub ditentukan oleh syarat bahwa gaya magnetik (F) = 1 dyne cgs. Bila mana dua kutub terpisah 1 cm tanpa media seperti udara (nilai permeabilitas udara = 1). Kutub medan magnet (H) tersebut dinyatakan dengan 1 Oested atau Gaus.

D. Gaya Magnet (F)

Menurut hukum Coulomb untuk kutub magnetik, jika dua buah kutub magnet m₁ dan m₂ yang terpisah sejauh r, maka akan timbul gaya di antara keduanya sebesar:

F= (m₁ m₂/µr²)r₁

Dimana: F = Gaya dalam dyne terhadap m₁ dan m₂

µ = Permeabilitas magnet

r = Jarak antara dua kutub m₁ ke m₂

Konstanta µ = permeabilitas tergantung sifat magnet dari medium di mana kutub tadi berada. Satuan kutub magnet m₁ dan m₂ disebut magnet yang memiliki daya. Satuan daya atau kekuatan kutub ditentukan F=1 dyne, bila dua satuan kutub dipisahkan oleh jarak 1 cm, dan berada dalam suatu medium yang non magnetic misalkan udara, maka µ = 1

Jika muatan yang berinteraksi lebih dari dua buah, maka gaya magnet totalnya adalah:

Jika kedua benda memiliki arah garis gaya magnet yang berlawanan arah, maka kedua benda akan saling tarik menarik.

E. Kuat Medan Magnet (H)

Kuat medan magnet yang dinyatakan dengan (H) di suatu titik di definisiksn sebagai gaya persatuan kutub yang bekerja pada suatu kutub dengan kuat medan magnet pada titik yang berjarak r dari kutub m adalah:

Medan magnet tersebut umumnya dinyatakan sebagai garis-garis gaya yang menunjukan medan magnet. Besaran H dinyatakan dalam oersted yaitu dyne persatuan kutub dan yang dinyatakan dengan jumlah garis gaya magnet. Jadi makin besar gaya magnet maka makin banyak garis gaya magnet tersebut (dalam CGS).

F. Momen Magnet (M)

Satuan kutub terdiri dari kutub +m dan –m saling berlawanan arah yang dipisahkan oleh jarak l, maka moment magnetiknya dapat didefinisikan sebagai berikut:

M = F.l

M = ml r₁ = M r₁

+m=-m

G. Intensitas Magnet (I)

Suatu benda magnetik ditempatkan dalam suatu medan magnet luar, maka benda tersebut akan termagnetisasi oleh medan magnet luar tersebut (terimbas). Benda yang terimbas oleh medan magnet luar tersebut akan memiliki intensitas dan arah kutub yang sama dengan medan yang mengimbas. Secara matematik di definisikan dalam momen magnet persatuan volume, yaitu:

Intensitas magnet selalu mengarah kepada medan magnet yang mengimbasnya, kekuatannya sama dengan medan yang mengimbasnya.

H. Kerentanan / Magnetik Suseptibility (k)

Suatu benda / material diletakkan pada medan magnet luar (H), maka intensitas magnetik (I) akan berbanding lurus dengan kuat medan luar yang menginduksinya. Jadi suseptibilitas dapat diasumsikan sebagai kemampuat suatu benda / material untuk terinduksi oleh magnet luar, yang didefinisikan sebagai berikut:

Dimana k=0 untuk ruang hampa.

Dari persamaan di atas, suseptibilitas merupakan besaran yang menyatakan kemampuan suatu batuan/mineral dalam memberikan respon terhadap medan magnet luar. Kemampuan suatu benda untuk terinduksi, tergantung pada batuan atau mineral yang menyusunnya. Dimana “k” dinyatakan dalam satuan “cgs” sebagai 10^-6 emu/ cc atau cgsu.

1 cgsu = 4µ(10^-3) SI

1SI=1/4 µ cgs

I. Induksi Magnet (B)

Kutub magnet pada suatu benda / material yang terimbas oleh medan magnet luar (H) akan menghasilkan medan magnet itu sendiri H’, kemudian di hubungkan dengan intensitas magnet I ditunjukan oleh rumus:

H’=4π I

Induksi magnet (B), didefinisikan sebagai medan magnet total dalam suatu bidag magnetik. Merupakan penjumlahan dari kuat medan magnet luar dan medan magnet dalam, dengan rumus:

B=H+H’ atau B=H+4πI

Dengan menggabungkan persamaan di atas dengan persamaan sebelumnya, maka diperoleh:

B=H+4kH = (1+4µk)H maka B=µH

Dimana µ = Permeabilitas medium

Permeabilitas medium merupakan suatu ukuran modifikasi oleh induksi pada gaya tarik atau gaya tolak antara kutub magnetik.

Dimana: µ = Permeabilitas medium

B = Induksi magnet

H = Medan magnet

K = Kerentanan magnet (Magnetic Suceptibility)

J. Hysteresis Loop (Lengkung hysteresis)

Hysteresis loop ini menunjukan tentang hubungan B dengan H kedua besaran ini dapat menjadi rumit pada bahan-bahan magnet yang banyak mengandung mineral-mineral ferromagnetic, seperti di tunjukkan pada gambar berikut ini:

Bila suatau benda magnetik dimagnetisasi, B akan meningkat sesuai dengan bertambahnya H, sehingga cenderung mendatar karena kejenuhannya. Bila secara perlahan-lahan medan magnet di tiadakan, penurunan kurva tidak melintasi kurva yang sebelumnya dan menuju nilai B positif saat H=0. ini di kenal sebagai magnetisasi sisa (residual magnetism) dari benda tersebut. Ketika H di kembalikan, maka B menjadi 0 pada H yang negatif, dikenal sebagai gaya paksaan (coercive force).

Sebagian dari kurva histeresis diperoleh pada posisi H yang lebih negatif, sehingga kejenuhan magnetisasi tercapai kembali dan kemudian mengembalikan H pada posisi saat kejenuhan positif semula. Sepanjang sumbu tegak dengan lintasannya pada kurva, dapat ditentukan pengkutuban magnet induksi pada saat medan magnet dihilangkan. Sedangkan pada sumbu datar, yang di tentukan adalah berapa besar medan magnet yang berlawanan diperlukan untuk meniadakan induksi magnetik.

K. Sifat-sifat Kemagnetan Batuan dan Mineral

Kekuatan batuan / mineral untuk terimbas oelh medan magnet luar dapat dibedakan menjadi beberapa bagian, tergantung dari atom-atom penyusunnya, seperti Diamagnetik, Paramagnetik, Ferromagnetik, ferrimagnetik, dan Antiferromagnetik. Di bawah ini merupakan penjelasan dari masing-masing bagian.

1. Diamagnetik

Batuan yang berkategori diamagnetik mempunyai harga suseptibilitas (k) negatif, sehingga intensitas imbasan dalam batuan / mineral tersebut memberikan efek magnet lemah dan mengarah berlawanan dengan gaya medan magnet tersebut. Hal ini terjadi karena dalam batuan yang mempunyai kulit electron yang telah jenuh atau tiap electron telah memiliki pasangan, sehingga electron tersebut akan berpresisi jika mendapat medan magnet luar (H). Contoh batuan diamagnetik antara lain: Marmer, Grafit, Bismut, Garam, Kuarsa, dan Gipsum atau Anhidrit.

2. Paramagnetik

Batuan / mineral paramagnetik mempunyai susceptibilitas batuan (k) positif dan sedikit lebih besar dari satu. Interaksi antar atomnya lemah, karena kulit electron terluar belum jenuh (tidak berpasangan). Electron-electron tersebut akan mengisi tempat yang kosong terlebih dahulu sebelum berpasangan.

Adapun momen magnetik batuan paramagnetik ini menyebar secara acak seiring perubahan suhu. Tetapi bila diberi medan magnet luar, momen magnetnya akan searah dengan medan magnet luar, sehingga memperkuat medan magnet luar. Contoh batuan jenis ini antara lain: Piroksen, Olivin, Granit, Biotit dll.

3. Ferromagnetik

Besi, Cobalt, Nikel merupakan bahan / mineral yang bersifat ferromagnetik. Atom-atom penyusunnya mempunyai momen magnet dan interaksi antar atom-atom tetangganya begitu kuat, sehingga momen semua atom dalam suatu daerah mengarah sesuai dengan medan magnet luar yang diimbaskan.

Bahan magnetik yang bersifat ferromagnetic lebih banyak memiliki kulit electron yang hanya diisi oleh satu electron dibandingkan batuan yang bersifat paramagnetik, sehingga material ferromagnetik akan lebih mudah terinduksi oleh medan magnet luar.

4. ferrimagnetik

Pada umumnya mineral dengan sifat kemagnetan tinggi di alam bersifat ferrimagnetik. Bahan-bahan dikatakan ferrimagnetik bila momen magnet pada dua daerah magnet saling berlawanan arah satu sama lain, tetapi garis gaya magnet tidak nol saat H=0. Ini menunjukan adanya gaya magnet yang lebih kuat yang mendominasi daripada yang lainnya.

5. Antiferromagnetik

Suatu bahan mineral akan bersifat antiferromagnetik pada saat kemagnetan benda ferromagnetic naik sesuai dengan kenaikan temperatur yang kemudian hilang setelah temperatur mencapai titik Curie (400⁰C-700⁰C). Harga momen magnetik sangat kecil hingga nol, karena momen magnet saling tolak-menolak dan berlawanan arah. Nilai suseptibilitasnya (k) sangat kecil seperti batuan / mineral yang bersifat paramagnetik, misalnya hematite.

6. Susceptibilitas Magnet pada Batuan dan Mineral

Mineral ferrimagnetik merupakan sumber utama dari anomali magnetik lokal, telah dilakukan percobaan untuk membuat persamaan hubungan antara susceptibilitas batuan dengan konsentrasi Fe₃O_4.Kemagnetan pada batuan sebagian di sebabkan oleh imbasan dari suatu gaya magnet yang berasosiasi dengan medan magnet bumi dan sebagian dari kemagnetan sisa. Kemagnetan imbas suatu formasi batuan merupakan suatu fungsi darikerentanan magnet volume k( volume mgnetic susceptibility), serta besar dan arah dari magnet yang mengimbas.

Suatu benda yang mudah terimbas oleh medan magnet luar memiliki kerentanan magnet yang tinggi. Unsur-unsur yang mengontrol kerentanan magnet batuan diantaranya adalah jumlah serta ukuran butir dan penyebaran mineral ferrimagnetik yang terkandung.

Harga kerentanan magnet (k) untuk tiap sampel batuan berbeda-beda. Batuan beku dan batuan metamorf pada umumnya mempunyai harga “k” yang relatif besar dibandingkan dengan sedimen. Batuan basa dan ultrabasa mempunyai harga “k” paling tinggi, batuan gunung api asam dan batuan metamorf mempunyai kerentanan magnet sedang hingga rendah, dan batuan sedimen pada umumnya mempunyai kerentanan magnet yang sangat rendah.

L. Medan Magnet di Alam

Jarum magnet selalu berorientasi pada setiap titik di sepanjang permukaan bumi. Anomali magnet memiliki arah dan besarannya sendiri yaitu Inklinasi (I), Deklinasi (D), Medan magnet tegak (Vertikal Magnetic Field / Z), Medan magnet datar (Horizontal Magnetic Vield / H), dan Medan Magnet Total (Total Magnetic Vield / F).

Pada gambar di bawah ini dapat dilihat hubungan geometris antara Inklinasi, Deklinasi, magnet datar dan medan magnet total.

Dimana : Y = Utara Geografi

H = Magnet Horizontal / Utara / Meridian magnet setempat (Local Magnetic Meridian)

X = Timur Geografi

Z = Magnet Tegak

T = Magnet Total

Hubungan geometriknya adalah sebagai berikut:

H = T Cos I

Y = H Cos D

Z = T Sin I

X = H Sin D

X² + Y² + Z² + = H² + Z² = T²

Dimana :

I = Sudut inklinasi (Sudut yang dibentuk oleh utara magnet dan magnet total)

D= Sudut deklinasi (Sudut yang dibentuk antara utara geografi dan utara magnet)

T = Magnet total = Magnet bumi

Dalam satuan S.I (Sistem Internasional) H adalah dalam Ampermeter (Am^-1), dalam sistem cgs, H dinyatakan dalam Oersted. Kuat medan magnet (H) suatu bahan tergantung dari sistem atom-atom penyusun bahan itu sendiri. Dan kuat medan magnet yang terukur di permukaan bumi 90% berasal dari dalam bumi internal field), sedangkan sisanya 10% adalah medan magnet dari kerak bumi (eksternal field).

MAGNETOMETER

GSM 19T adalah peralatan standar proton magnetometer / gradiometer yang dirancang supaya bisa di bawa-bawa dengan mudah atau di gunakan sebagai base station sebagai alat pengamatan metode geofisika yang berhubungan dengan medan magnet bumi, dan dapat juga di aplikasikan untuk pengamatan geoteknik , eksplorasi arkeologi, pengamatan medan magnet, penelitian gunungapi, dll.

Gambar dari bagian-bagian peralatan Overhauser Magnetometer GSM-19T

AKUISISI DATA

Data dilapangan meliputi posisi titik pengamatan, serta nilai medan magnet total bumi dengan satuan nano tesla (nT) dari hasil pengukuran alat Magnetometer di lapangan dan di Base Station.

Base Station

Base station berfungsi sebagai pengamatan medan magnet disatu tempat secara berkesinambungan dengan cara menempatkan alat magnetometer di suatu tempat yang relatif rendah dari gangguan dan tidak berpindah-pindah dengan setingan pembacaan waktu tertentu. Di bawah ini merupakan contoh kurva dari pembacaan di Base station:

Field Acquisition

Selain data base, yang utama adalah data lapangan yang didapat dari hasil pengamatan dengan menggunakan alat magnetometer di titik tertentu pada area yang diinginkan, suapaya dapat diketahui penyebaran nilai anomalimagnetnya di daerah tersebut, seperti contoh gambar di bawah ini: