GEOFISIKA ( 18 Files )
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
Identifikasi Perubahan Muka Air Tanah Berdasarkan Data Gradien
Vertikal Gaya Berat Antar Waktu
SUPRIYADI, M. AHGANIYA NAUFAL, SULHADI
Jurusan Fisika Universitas Negeri Semarang Jl. Sekaran Gunungpati Semarang
E-mail: [email protected]
*) PENULIS
KORESPONDEN
TEL: 085726930893 / 081226407475
ABSTRAK: Telah dilakukan penelitian gradien vertikal gaya berat antar waktu di wilayah Kota
Semarang untuk periode Oktober 2013 dan Mei 2014 dengan menggunakan gravimeter Scintrex
Autograv CG-5. Hasil penelitian menunjukan daerah yang mengalami kenaikan muka air tanah
adalah Bulu, Bulu Lor, Barusari, Tugumuda, Karangampel, Dadapsari, Panggung Lor dan
Bandarharjo. Daerah yang mengalami penurunan muka air tanah adalah Purwodinatan,
Mlatiharjo, Kemijen, Miroto, Simpang Lima, Mugassari, Kuningan, Tawang Mas, Tanjung Emas
bagian timur, Bangunharjo, Rejosari, Bugangan, Jagalan dan Kranggan. Kenaikan muka air
tanah disebabkan mengetahui perubahan muka air tanah. Metode gradien vertikal gaya berat
gaya berat antar waktu dapat diaplikasikan untuk mengetahui perubahan densitas bawah
permukaan secara vertikal. Pengukuran gaya berat antar waktu dilakukan sebanyak dua
periode yaitu oleh intrusi air laut dan penambahan air tawar dari daerah selatan penelitian.
Penurunan muka air tanah disebabkan oleh aktifitas penduduk sehari-hari. Kenaikan dan
penurunan muka air tanah pada daerah penelitian berada pada kisaran 1 sampai 5 meter.
Kata Kunci: Gradien vertikal, gaya berat mikro antar waktu, muka air tanah
PENDAHULUAN
Metode gaya berat merupakan metode geofisika yang berdasarkan hukum Newton
tentang gravitasi. Metode ini mengukur variasi percepatan gravitasi di bumi yang
merefleksikan variasi densitas pada bawah permukaan.
Seiring dengan perkembangan zaman, metode gaya berat mengalami
perkembangan dalam hal teknik pengukuran. Beberapa teknik pengukuran metode
gaya berat adalah pengukuran gradien vertikal, antar waktu, dll. Pengukuran dengan
teknik antar waktu yaitu mengukur nilai percepatan gravitasi secara periodik. Apabila
nilai percepatan gravitasi pada suatu titik berbeda dalam suatu periode diasumsikan
terjadi perubahan densitas pada titik tersebut. Pengukuran dengan teknik gradien
vertikal yaitu mengukur nilai percepatan gravitasi pada suatu titik dengan tinggi
pengukuran yang berbeda. Apabila nilai gradien vertikal percepatan gravitasi pada titik
pengukuran tidak nol maka diasumsikan terjadi perubahan densitas secara vertikal
pada titik tersebut.
Gradien vertikal gaya berat antar waktu merupakan pengembangan dari metode
gradien vertikal gaya berat dengan pengukuran secara periodik. Gradien vertikal gaya
berat antar waktu adalah selisih nilai gradien vertikal gaya berat pada periode yang
berbeda. Penerapan gradien vertikal gaya berat telah diterapkan untuk keperluan
survei situs arkeologi (Stefanelli et al, 2008), penentuan bidang batas (Tatchum et al,
2008), dinamika air tanah (Supriyadi, 2012) dan penelusuran gua bawah tanah (Butler,
1984).
Skema pengukuran gradien gaya berat vertikal (Gambar 1) dibuat dari dua buah
kotak dengan ketinggian antar kotak masing-masing 1 meter, sehingga variasi finitedifference dari gradien vertikal dapat ditentukan. Pengukuran gaya berat dengan dua
beda ketinggian yaitu pengukuran dipermukaan tanah (hi-1) dan pengukuran diatas
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-29
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
permukaan tanah (hi), maka turunan vertikal pertama pengukuran dapat dihitung
dengan persamaan berikut:
g gi 1 gi
z hi 1 hi
(1)
dengan g/ z = gradien vertikal gaya berat, gi-1 = nilai gaya berat pada permukaan
tanah, gi = nilai gaya berat diatas permukaan tanah, hi-1 = ketinggian gravimeter pada
permukaan tanah, hi = ketinggian gravimeter diatas permukaan tanah
Gravimeter diatas permukaan tanah (hi)
Gravimeter dipermukaan tanah (hi-1)
Gambar 1. Ilutrasi pengukuran gradien vertikal gaya berat
Jika pengukuran pada periode awal digunakan sebagai acuan awal (t 1), maka nilai
gradien vertikal gaya berat antar waktu diperoleh dengan menggunakan persamaan
berikut:
g
g
g
t t2 t1
z
z
z
(2)
dengan g/ z ( t) = gradien vertikal gaya berat antar waktu, g/ z (t 2 ) = gradien vertikal
gaya berat periode selanjutnya, g/ z (t 1 ) = gradien vertikal gaya berat periode awal.
METODE PENELITIAN
Pengukuran gaya berat dilakukan di kota Semarang khususnya Kec. Semarang
Utara, Kec. Semarang Tengah dan Kec. Semarang Timur dengan jumlah titik
pengukuran tiap periode 93 titik (Gambar 2). Pengukuran gaya berat menggunakan
gravimeter Scintrex Autograv CG5. Pengukuran dengan teknik gradien vertikal gaya
berat dilakukan dengan menggunakan skema pengukuran seperti pada Gambar 1 untuk
masing-masing periode sehingga nilai gradien vertikal gaya berat diperoleh dengan
menggunakan Persamaan (1). Pengukuran dilakukan selama dua periode yaitu periode
Oktober 2013 sebagai acuan awal dan periode Mei 2014. Nilai gradien vertikal gaya
berat antar waktu diperoleh dengan mencari selisih nilai gradien vetikal gaya berat
periode Mei 2014 dengan periode Oktober 2013. Pada penelitian ini, penulis melakukan
pemodelan kedepan untuk mengetahui karakteristik gradien vertikal gaya berat
terhadap dinamika air tanah, dan pemodelan inversi untuk mengetahui persebaran
densitas bawah permukaan.
Karakteristik gradien vertikal gaya berat akibat dinamika air tanah dapat
diketahui dengan membangun sebuah model (pemodelan kedepan). Model dibangun
dengan memasukan parameter densitas air tanah (densitas air tanah = 1 gram/cm3
(Telford, 1990) dengan porositas batuan 30 % (Sarkowi, 2008). Model dibangun dalam
tiga jenis (Tabel 1) yaitu Model 1 sebagai acuan awal , Model 2 saat terjadi penambahan
air tanah dan Model 3 saat terjadi pengurangan air tanah. Hasil yang diperoleh dari
pemodelan kedepan adalah kontur gradien vertikal gaya berat akibat dinamika air
tanah.
Pemodelan inversi dilakukan dengan memasukan data gaya berat antar waktu.
Mesh yang digunakan dalam pemodelan inversi berukuran 4800x5300x150 meter (x,y,z).
Metode interpretasi yang dilakukan yaitu mengkorelasikan data lapangan gradien
vertikal gaya berat antar waktu dengan hasil pemodelan inversi. Hasil yang diperoleh
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-30
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
dari pemodelan inversi adalah penampang perubahan densitas antar waktu dalam rupa
3D. Gambar 2 merupakan peta lokasi pengukuran gaya berat.
Gambar 2. Lokasi pengukuran gaya berat
Model
1
2
3
X (m)
160
160
160
Y (m)
160
160
160
Tabel 1. Parameter Pemodelan Kedepan
Ketebalan (m)
40
50
30
Kedalaman Batas Atas (m)
60
50
70
Densitas (gram/cm3)
0.3
0.3
0.3
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gradien Vertikal Gaya Berat Akibat Perubahan Muka Air Tanah
Nilai gradien vertikal gaya berat akibat perubahan muka air tanah diperoleh
dengan mengurangkan nilai gradien vertikal gaya berat model saat terjadi perubahan
muka air tanah (Model 2 atau Model 3) dengan model awal (Model 1). Model akuifer
berada pada koordinat X= 170-330 m, Y= 170-330 m dan batas atas untuk masingmasing model pada kedalaman 60 m (Model 1), 50 m (Model 2), 70 m (Model 3). Crosssection model dan nilai gradien vertikal gaya berat akibat perubahan muka air tanah
ditampilkan pada Gambar 3 (a,b,c,d).
Nilai gradien vertikal gaya berat akibat kenaikan muka air tanah diperoleh dengan
mengurangkan nilai gradien vertikal gaya berat Model 2 dengan Model 1. Kenaikan
muka air tanah dalam model terjadi pada koordinat X= 170-330 m, Y= 170-330 m dan
kenaikan muka air tanah sebesar 10 m pada kedalaman 50-60 m. Selisih nilai densitas
pada model kenaikan muka air tanah (Gambar 3.a) bernilai 0,3 g/cm3 yang ditunjukan
pada area penambahan air tanah. Nilai gradien vertikal gaya berat akibat kenaikan
muka air tanah memiliki rentang nilai -0,00085 mGal/m s.d. 0 mGal/m (Gambar 3.b).
Hasil pemodelan menunjukan bahwa kenaikan muka air tanah memberikan selisih nilai
gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai negatif. Cross-section model kenaikan
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-31
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
muka air tanah dan nilai gradien vertikal gaya berat akibat kenaikan muka air tanah
ditunjukan pada Gambar 3.a-b.
Gambar 3. Simulasi gradien vertikal gaya berat antar waktu akibat perubahan muka
air tanah, (a) Cross-section model kenaikan muka air tanah, (b) Gradien vertikal akibat
kenaikan muka air tanah, (c) Cross-section model penurunan muka air tanah, (d)
Gradien vertikal akibat penurunan muka air tanah
Nilai gradien vertikal gaya berat akibat penurunan muka air tanah diperoleh
dengan mengurangkan nilai gradien vertikal Model 3 dengan Model 1. Penurunan muka
air tanah dalam model terjadi pada koordinat X= 170-330 m, Y= 170-330 m dan
penurunan muka air tanah sebesar 10 m pada kedalaman 60-70 m. Selisih nilai densitas
pada model penurunan muka air tanah (Gambar 3.c) bernilai -0,3 g/cm3 yang ditunjukan
pada area pengurangan air tanah. Nilai gradien vertikal gaya berat akibat penurunan
muka air tanah memiliki rentang nilai 0 mGal/m s.d. 0,00075 mGal/m (Gambar 3.d).
Hasil pemodelan menunjukan bahwa penurunan muka air tanah memberikan selisih
nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai positif. Cross-section model
penurunan muka air tanah dan nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu akibat
penurunan air tanah ditunjukan pada Gambar 3.c-d.
Gradien Vertikal Gaya Berat Antar Waktu
Gradien vertikal gaya berat diperoleh dengan mengukur nilai percepatan gravitasi
dengan ilustrasi pengukuran seperti pada Gambar 1. Metode pengukuran tersebut
bertujuan untuk mendapatkan nilai gradien vertikal gaya berat secara langsung.
Gradien vertikal gaya berat antar waktu diperoleh melalui mengurangkan nilai gradien
vertikal periode Mei 2014 dengan gradien vertikal periode Oktober 2013. Nilai gradien
vertikal antar waktu memiliki rentang nilai -0,24 mGal/m s.d. 0,12 mGal/m. Variasi
nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu yang terjadi pada daerah penelitian
diasumsikan telah terjadi perubahan densitas pada arah vertikal selama periode
penelitian. Daerah yang memiliki nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu positif
(0,03 mGal/m s.d. 0,12 mGal/m) adalah Simpang Lima, Rejosari, Purwodinatan,
Kuningan dan Tawang Mas. Daerah dengan nilai gradien vertikal gaya berat antar
waktu negatif (-0,03 mGal/m s.d. -0,24 mGal/m) adalah daerah Bulu, Barusari, Bulu Lor,
Dadapsari, Karangampel bagian selatan dan Panggung Lor bagian utara. Gambar 4
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-32
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
merupakan persebaran nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu pada daerah
penelitian.
Gambar 4. Gradien Vertikal Gaya Berat Antar Waktu
Analisa Gradien Vertikal Gaya Berat 4D
Analisa 3D menggunakan teknik pemodelan inversi dengan hasil yang didapatkan
berupa nilai perubahan densitas dalam rupa 3D. Mesh yang digunakan pada data
gradien vertikal gaya berat antar waktu memiliki dimensi x = 4800 m, y = 5300 m, z =
150 m. Pemodelan inversi pada penelitian ini bertujuan untuk mengetahui persebaran
perubahan densitas secara vertikal dan horisontal berdasarkan data gaya berat antar
waktu. Nilai gaya berat antar waktu digunakan sebagai input data pada pemodelan
inversi dalam rupa 3D dengan menggunakan software Grav3D yang bersumber dari
makalah Li dan Oldenburg (1998). Nilai densitas hasil pemodelan inversi adalah
perubahan nilai densitas dalam selang periode pengukuran berdasarkan data gaya
berat antar waktu. Hasil dari pemodelan inversi memiliki rentang nilai perubahan
densitas -0,104 g/cm3 s.d. 0,104 g/cm3 yang ditampilkan pada Gambar 5.a-e.
Perubahan nilai densitas berdasarkan pemodelan inversi diduga akibat perubahan
muka air tanah. Asumsi dinamika yang terjadi di kota Semarang adalah dinamika air
tanah. Thanden et al (1996) menyatakan bahwa kota Semarang bagian utara
merupakan daerah endapan aluvial pantai, endapan aluvial pantai ini terdiri dari
batuan lempung dan pasir (lapisan pembawa air). Marsudi (2001) mengemukakan
bahwa akuifer dangkal pada dataran Semarang terdapat pada kedalaman 5 sampai 30
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-33
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
m di bawah permukaan tanah sekitar (dbpts). Akuifer dalam yang bersifat akuifer
tertekan terdapat pada kedalaman 30 sampai 150 m dbpts.
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-34
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 5. Persebaran perubahan densitas hasil pemodelan inversi 3D yang
ditampilkan pada (a) permukaan, (b) kedalaman 30 m, (c) kedalaman 60m, (d)
kedalaman 90 m, (e) kedalaman 120 m.
Pada kedalaman 30 m (Gambar 5.b) daerah yang memiliki rentang nilai perubahan
densitas 0,0347 g/cm3 s.d. 0,104 g/cm3 adalah daerah Bulu, Bulusari, Panggung Lor
bagian utara, Bandarharjo bagian utara dan Karangampel bagian selatan. Jika
dikorelasikan dengan pemodelan kedepan (perubahan densitas positif) dan data gradien
vertikal gaya berat antar waktu (nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai
negatif), daerah Bulu, Barusari, Panggung Lor bagian utara, Bandarharjo bagian utara
dan Karangampel bagian selatan diduga telah mengalami kenaikan muka air tanah
dangkal pada kedalaman 30 m. Kenaikan muka air tanah dalam terjadi pada
kedalaman lebih dari 90 m (Gambar 5.d-e) yang meliputi daerah Bulu, Bulu Lor,
Barusari, Krobokan, Karangampel, Tugu Muda, Dadapsari, Bandarharjo, Tanjung Emas
bagian barat dan Panggung Lor. Perubahan nilai densitas bernilai positif pada daerah
Bulu, Barusari dan Karangampel berkaitan dengan kenaikan muka air tanah akibat
penambahan air tanah yang berasal dari daerah selatan penelitian. Daerah Panggung
Lor dan Bandarharjo mengalami kenaikan muka air tanah diduga akibat intrusi air laut
dengan asumsi kota Semarang pada bagian utara berbatasan dengan Laut Jawa.
Pendugaan terjadinya intrusi air laut berdasarkan perubahan nilai densitas sebesar
0,104 g/cm3 (densitas air laut 1,04 g/cm3 (Telford et al, 1990) dengan porositas batuan
10%). Kenaikan muka air tanah pada daerah penelitian diduga berada pada kisaran 1
sampai 5 meter.
Nilai perubahan densitas 0 g/cm3 pada kedalaman kurang dari 30 m meliputi
daerah Tanjung Emas, Bandarharjo, Panggung Lor, Kuningan, Tawang Mas,
Mlatiharjo, Bugangan, Bangunharjo, Jagalan, Rejosari, Simpang Lima, Kranggan,
Miroto, Mugassari, Dadapsari, Karangampel dan Purwodinatan. Jika dikorelasikan
dengan data gradien vertikal gaya berat antar waktu, nilai gradien vertikal gaya berat
antar waktu pada beberapa daerah tidak bernilai 0 mGal/m. Daerah dengan nilai
gradien vertikal gaya berat antar waktu 0 mGal/m diduga mengalami dinamika air
tanah pada kedalaman yang lebih dalam.
Perubahan densitas bernilai negatif pada kedalaman lebih dari 60 m (Gambar 5.c-e)
meliputi daerah Purwodinatan, Mlatiharjo, Kemijen, Miroto, Simpang Lima, Mugassari,
Kuningan, Tawang Mas, Tanjung Emas bagian timur, Bangunharjo, Rejosari,
Bugangan, Jagalan dan Kranggan. Berdasarkan pemodelan kedepan dan korelasi data
gradien vertikal gaya berat antar waktu menunjukan bahwa daerah dengan perubahan
densitas bernilai negatif berkaitan penurunan muka air tanah dalam (nilai perubahan
densitas bernilai negatif dan nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai
positif). Penurunan muka air tanah pada daerah penelitian diduga disebabkan
eksploitasi air tanah untuk kegiatan penduduk sehari-hari dan industri. Penurunan
muka air tanah pada daerah penelitian diduga berada pada kisaran 1 sampai 5 meter.
Perisitwa intrusi air laut yang terjadi pada daerah penelitian diduga karena
eksploitasi air tanah sejak lampau. Eksploitasi air tanah dapat menyebabkan ruang
kosong pada lapisan akuifer sehingga menyebabkan masuknya air laut kedalam lapisan
akuifer. Apabila tidak ada air laut yang masuk kedalam ruang kosong lapisan akuifer
akan terjadi amblesan tanah yang berdampak secara regional. Masalah yang
ditimbulkan oleh eksploitasi air tanah di kota Semarang dapat dicegah dengan
membuat area recharge untuk air tanah.
KESIMPULAN
Nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu akibat dinamika air tanah
menghasilkan anomali gradien vertikal antar waktu positif, negatif atau nol. Nilai
gradien vertikal antar waktu bernilai positif berkaitan dengan terjadinya penurunan
muka air tanah sebaliknya nilai negatif berkaitan dengan terjadinya kenaikan muka air
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-35
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
tanah, sedangkan gradien vertikal antar waktu bernilai nol berkaitan dengan tidak
terjadi dinamika air tanah.
Daerah yang mengalami kenaikan muka air tanah adalah Bulu, Bulu Lor, Barusari,
Tugumuda, Karangampel, Dadapsari, Panggung Lor dan Bandarharjo. Daerah yang
mengalami penurunan muka air tanah adalah Purwodinatan, Mlatiharjo, Kemijen,
Miroto, Simpang Lima, Mugassari, Kuningan, Tawang Mas, Tanjung Emas bagian
timur, Bangunharjo, Rejosari, Bugangan, Jagalan dan Kranggan. Solusi untuk
mengurangi dampak penurunan muka air tanah salah satunya adalah pembangunan
area recharge untuk air tanah di kota Semarang.
Pengukuran gradien vertikal gaya berat antar waktu memerlukan perangkat gps
dan gravimeter yang akurat. Lokasi pengukuran di daerah perkotaan memerlukan
ketelitian pengukuran yang tinggi terutama ketika ada getaran yang ditimbulkan oleh
aktifitas manusia atau dapat menggunakan alat seperti peredam getaran.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih ditujukan kepada DP2M DIKTI yang telah mendanai
penelitian ini melalui Skim HIKOM dan kepada BMKG pusat atas dukungannya untuk
alat Gravimeter.
DAFTAR RUJUKAN
Butler, K. D. 1984. Microgravimetric and Gravity Gradient Technique for Detection of
Subsurface Cavities. J. Geophysics, 49. 1084-1096.
Li, Y., Oldenburg, D.W., 1998. 3-D Inversion of Gravity Data. Geophysics, Vol 63, 109119.
Marsudi. 2001. Prediksi Laju Amblesan Tanah Di Dataran Aluvial Semarang Propinsi
Jawa Tengah. Disertasi tidak diterbitkan. Program Pasca Sarjana ITB.
Sarkowi., 2008. Gradien vertikal gaya berat mikro antar waktu dan hubungannya
dengan dinamika air tanah. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II,
Universitas Lampung, 17-18 November 2008 hal: 49-56, ISBN : 978-979-1165-74-7.
Stefanelli, P., Carmisciano, C., Tontini, F. C., Cochi, L., Beverini, N., Fidcaro, T.,
Embriaco, D., 2008. Microgravity Vertical Gradient Measurement in the Site of Virgo
Interferometric Antenne (Pisa Plain, Italy). Annals Geophysics. Vol. 51. No. 5/6. pp.
877-886.
Supriyadi, Sarkowi., 2012. Metode Gradien Vertikal Gayaberat Mikro Antar Waktu dan
Aplikasinya. Prosiding Seminar Fisika Terapan III. ISBN: 978-979-17494-2-8.
Tatchum, C.N., Tabod, T.C., Koumeto, F., Dicom, E., 2011. A gravity model study for
differentiating vertical and dipping geological contact with application to a Bouguer
gravity anomaly over the Foumban shear zone Cameroon. Geophysics. 47 (1-2), pp. 4355.
Telford, W. M., Geldart, L.P., Sheriff, R.E., 1990. Applied Geophysics Second Edition.
Cambridge University Press. New York.
Thanden, R.E., Sumadirdja, H., Richards, P.W., Sutisna, K., Amin, T.C., 1996. Peta
Geologi Lembar Magelang dan Semarang, Jawa. Pusat Penelitian dan
Pengembangan Geologi. Bandung.
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-36
Identifikasi Perubahan Muka Air Tanah Berdasarkan Data Gradien
Vertikal Gaya Berat Antar Waktu
SUPRIYADI, M. AHGANIYA NAUFAL, SULHADI
Jurusan Fisika Universitas Negeri Semarang Jl. Sekaran Gunungpati Semarang
E-mail: [email protected]
*) PENULIS
KORESPONDEN
TEL: 085726930893 / 081226407475
ABSTRAK: Telah dilakukan penelitian gradien vertikal gaya berat antar waktu di wilayah Kota
Semarang untuk periode Oktober 2013 dan Mei 2014 dengan menggunakan gravimeter Scintrex
Autograv CG-5. Hasil penelitian menunjukan daerah yang mengalami kenaikan muka air tanah
adalah Bulu, Bulu Lor, Barusari, Tugumuda, Karangampel, Dadapsari, Panggung Lor dan
Bandarharjo. Daerah yang mengalami penurunan muka air tanah adalah Purwodinatan,
Mlatiharjo, Kemijen, Miroto, Simpang Lima, Mugassari, Kuningan, Tawang Mas, Tanjung Emas
bagian timur, Bangunharjo, Rejosari, Bugangan, Jagalan dan Kranggan. Kenaikan muka air
tanah disebabkan mengetahui perubahan muka air tanah. Metode gradien vertikal gaya berat
gaya berat antar waktu dapat diaplikasikan untuk mengetahui perubahan densitas bawah
permukaan secara vertikal. Pengukuran gaya berat antar waktu dilakukan sebanyak dua
periode yaitu oleh intrusi air laut dan penambahan air tawar dari daerah selatan penelitian.
Penurunan muka air tanah disebabkan oleh aktifitas penduduk sehari-hari. Kenaikan dan
penurunan muka air tanah pada daerah penelitian berada pada kisaran 1 sampai 5 meter.
Kata Kunci: Gradien vertikal, gaya berat mikro antar waktu, muka air tanah
PENDAHULUAN
Metode gaya berat merupakan metode geofisika yang berdasarkan hukum Newton
tentang gravitasi. Metode ini mengukur variasi percepatan gravitasi di bumi yang
merefleksikan variasi densitas pada bawah permukaan.
Seiring dengan perkembangan zaman, metode gaya berat mengalami
perkembangan dalam hal teknik pengukuran. Beberapa teknik pengukuran metode
gaya berat adalah pengukuran gradien vertikal, antar waktu, dll. Pengukuran dengan
teknik antar waktu yaitu mengukur nilai percepatan gravitasi secara periodik. Apabila
nilai percepatan gravitasi pada suatu titik berbeda dalam suatu periode diasumsikan
terjadi perubahan densitas pada titik tersebut. Pengukuran dengan teknik gradien
vertikal yaitu mengukur nilai percepatan gravitasi pada suatu titik dengan tinggi
pengukuran yang berbeda. Apabila nilai gradien vertikal percepatan gravitasi pada titik
pengukuran tidak nol maka diasumsikan terjadi perubahan densitas secara vertikal
pada titik tersebut.
Gradien vertikal gaya berat antar waktu merupakan pengembangan dari metode
gradien vertikal gaya berat dengan pengukuran secara periodik. Gradien vertikal gaya
berat antar waktu adalah selisih nilai gradien vertikal gaya berat pada periode yang
berbeda. Penerapan gradien vertikal gaya berat telah diterapkan untuk keperluan
survei situs arkeologi (Stefanelli et al, 2008), penentuan bidang batas (Tatchum et al,
2008), dinamika air tanah (Supriyadi, 2012) dan penelusuran gua bawah tanah (Butler,
1984).
Skema pengukuran gradien gaya berat vertikal (Gambar 1) dibuat dari dua buah
kotak dengan ketinggian antar kotak masing-masing 1 meter, sehingga variasi finitedifference dari gradien vertikal dapat ditentukan. Pengukuran gaya berat dengan dua
beda ketinggian yaitu pengukuran dipermukaan tanah (hi-1) dan pengukuran diatas
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-29
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
permukaan tanah (hi), maka turunan vertikal pertama pengukuran dapat dihitung
dengan persamaan berikut:
g gi 1 gi
z hi 1 hi
(1)
dengan g/ z = gradien vertikal gaya berat, gi-1 = nilai gaya berat pada permukaan
tanah, gi = nilai gaya berat diatas permukaan tanah, hi-1 = ketinggian gravimeter pada
permukaan tanah, hi = ketinggian gravimeter diatas permukaan tanah
Gravimeter diatas permukaan tanah (hi)
Gravimeter dipermukaan tanah (hi-1)
Gambar 1. Ilutrasi pengukuran gradien vertikal gaya berat
Jika pengukuran pada periode awal digunakan sebagai acuan awal (t 1), maka nilai
gradien vertikal gaya berat antar waktu diperoleh dengan menggunakan persamaan
berikut:
g
g
g
t t2 t1
z
z
z
(2)
dengan g/ z ( t) = gradien vertikal gaya berat antar waktu, g/ z (t 2 ) = gradien vertikal
gaya berat periode selanjutnya, g/ z (t 1 ) = gradien vertikal gaya berat periode awal.
METODE PENELITIAN
Pengukuran gaya berat dilakukan di kota Semarang khususnya Kec. Semarang
Utara, Kec. Semarang Tengah dan Kec. Semarang Timur dengan jumlah titik
pengukuran tiap periode 93 titik (Gambar 2). Pengukuran gaya berat menggunakan
gravimeter Scintrex Autograv CG5. Pengukuran dengan teknik gradien vertikal gaya
berat dilakukan dengan menggunakan skema pengukuran seperti pada Gambar 1 untuk
masing-masing periode sehingga nilai gradien vertikal gaya berat diperoleh dengan
menggunakan Persamaan (1). Pengukuran dilakukan selama dua periode yaitu periode
Oktober 2013 sebagai acuan awal dan periode Mei 2014. Nilai gradien vertikal gaya
berat antar waktu diperoleh dengan mencari selisih nilai gradien vetikal gaya berat
periode Mei 2014 dengan periode Oktober 2013. Pada penelitian ini, penulis melakukan
pemodelan kedepan untuk mengetahui karakteristik gradien vertikal gaya berat
terhadap dinamika air tanah, dan pemodelan inversi untuk mengetahui persebaran
densitas bawah permukaan.
Karakteristik gradien vertikal gaya berat akibat dinamika air tanah dapat
diketahui dengan membangun sebuah model (pemodelan kedepan). Model dibangun
dengan memasukan parameter densitas air tanah (densitas air tanah = 1 gram/cm3
(Telford, 1990) dengan porositas batuan 30 % (Sarkowi, 2008). Model dibangun dalam
tiga jenis (Tabel 1) yaitu Model 1 sebagai acuan awal , Model 2 saat terjadi penambahan
air tanah dan Model 3 saat terjadi pengurangan air tanah. Hasil yang diperoleh dari
pemodelan kedepan adalah kontur gradien vertikal gaya berat akibat dinamika air
tanah.
Pemodelan inversi dilakukan dengan memasukan data gaya berat antar waktu.
Mesh yang digunakan dalam pemodelan inversi berukuran 4800x5300x150 meter (x,y,z).
Metode interpretasi yang dilakukan yaitu mengkorelasikan data lapangan gradien
vertikal gaya berat antar waktu dengan hasil pemodelan inversi. Hasil yang diperoleh
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-30
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
dari pemodelan inversi adalah penampang perubahan densitas antar waktu dalam rupa
3D. Gambar 2 merupakan peta lokasi pengukuran gaya berat.
Gambar 2. Lokasi pengukuran gaya berat
Model
1
2
3
X (m)
160
160
160
Y (m)
160
160
160
Tabel 1. Parameter Pemodelan Kedepan
Ketebalan (m)
40
50
30
Kedalaman Batas Atas (m)
60
50
70
Densitas (gram/cm3)
0.3
0.3
0.3
HASIL DAN PEMBAHASAN
Gradien Vertikal Gaya Berat Akibat Perubahan Muka Air Tanah
Nilai gradien vertikal gaya berat akibat perubahan muka air tanah diperoleh
dengan mengurangkan nilai gradien vertikal gaya berat model saat terjadi perubahan
muka air tanah (Model 2 atau Model 3) dengan model awal (Model 1). Model akuifer
berada pada koordinat X= 170-330 m, Y= 170-330 m dan batas atas untuk masingmasing model pada kedalaman 60 m (Model 1), 50 m (Model 2), 70 m (Model 3). Crosssection model dan nilai gradien vertikal gaya berat akibat perubahan muka air tanah
ditampilkan pada Gambar 3 (a,b,c,d).
Nilai gradien vertikal gaya berat akibat kenaikan muka air tanah diperoleh dengan
mengurangkan nilai gradien vertikal gaya berat Model 2 dengan Model 1. Kenaikan
muka air tanah dalam model terjadi pada koordinat X= 170-330 m, Y= 170-330 m dan
kenaikan muka air tanah sebesar 10 m pada kedalaman 50-60 m. Selisih nilai densitas
pada model kenaikan muka air tanah (Gambar 3.a) bernilai 0,3 g/cm3 yang ditunjukan
pada area penambahan air tanah. Nilai gradien vertikal gaya berat akibat kenaikan
muka air tanah memiliki rentang nilai -0,00085 mGal/m s.d. 0 mGal/m (Gambar 3.b).
Hasil pemodelan menunjukan bahwa kenaikan muka air tanah memberikan selisih nilai
gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai negatif. Cross-section model kenaikan
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-31
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
muka air tanah dan nilai gradien vertikal gaya berat akibat kenaikan muka air tanah
ditunjukan pada Gambar 3.a-b.
Gambar 3. Simulasi gradien vertikal gaya berat antar waktu akibat perubahan muka
air tanah, (a) Cross-section model kenaikan muka air tanah, (b) Gradien vertikal akibat
kenaikan muka air tanah, (c) Cross-section model penurunan muka air tanah, (d)
Gradien vertikal akibat penurunan muka air tanah
Nilai gradien vertikal gaya berat akibat penurunan muka air tanah diperoleh
dengan mengurangkan nilai gradien vertikal Model 3 dengan Model 1. Penurunan muka
air tanah dalam model terjadi pada koordinat X= 170-330 m, Y= 170-330 m dan
penurunan muka air tanah sebesar 10 m pada kedalaman 60-70 m. Selisih nilai densitas
pada model penurunan muka air tanah (Gambar 3.c) bernilai -0,3 g/cm3 yang ditunjukan
pada area pengurangan air tanah. Nilai gradien vertikal gaya berat akibat penurunan
muka air tanah memiliki rentang nilai 0 mGal/m s.d. 0,00075 mGal/m (Gambar 3.d).
Hasil pemodelan menunjukan bahwa penurunan muka air tanah memberikan selisih
nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai positif. Cross-section model
penurunan muka air tanah dan nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu akibat
penurunan air tanah ditunjukan pada Gambar 3.c-d.
Gradien Vertikal Gaya Berat Antar Waktu
Gradien vertikal gaya berat diperoleh dengan mengukur nilai percepatan gravitasi
dengan ilustrasi pengukuran seperti pada Gambar 1. Metode pengukuran tersebut
bertujuan untuk mendapatkan nilai gradien vertikal gaya berat secara langsung.
Gradien vertikal gaya berat antar waktu diperoleh melalui mengurangkan nilai gradien
vertikal periode Mei 2014 dengan gradien vertikal periode Oktober 2013. Nilai gradien
vertikal antar waktu memiliki rentang nilai -0,24 mGal/m s.d. 0,12 mGal/m. Variasi
nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu yang terjadi pada daerah penelitian
diasumsikan telah terjadi perubahan densitas pada arah vertikal selama periode
penelitian. Daerah yang memiliki nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu positif
(0,03 mGal/m s.d. 0,12 mGal/m) adalah Simpang Lima, Rejosari, Purwodinatan,
Kuningan dan Tawang Mas. Daerah dengan nilai gradien vertikal gaya berat antar
waktu negatif (-0,03 mGal/m s.d. -0,24 mGal/m) adalah daerah Bulu, Barusari, Bulu Lor,
Dadapsari, Karangampel bagian selatan dan Panggung Lor bagian utara. Gambar 4
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-32
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
merupakan persebaran nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu pada daerah
penelitian.
Gambar 4. Gradien Vertikal Gaya Berat Antar Waktu
Analisa Gradien Vertikal Gaya Berat 4D
Analisa 3D menggunakan teknik pemodelan inversi dengan hasil yang didapatkan
berupa nilai perubahan densitas dalam rupa 3D. Mesh yang digunakan pada data
gradien vertikal gaya berat antar waktu memiliki dimensi x = 4800 m, y = 5300 m, z =
150 m. Pemodelan inversi pada penelitian ini bertujuan untuk mengetahui persebaran
perubahan densitas secara vertikal dan horisontal berdasarkan data gaya berat antar
waktu. Nilai gaya berat antar waktu digunakan sebagai input data pada pemodelan
inversi dalam rupa 3D dengan menggunakan software Grav3D yang bersumber dari
makalah Li dan Oldenburg (1998). Nilai densitas hasil pemodelan inversi adalah
perubahan nilai densitas dalam selang periode pengukuran berdasarkan data gaya
berat antar waktu. Hasil dari pemodelan inversi memiliki rentang nilai perubahan
densitas -0,104 g/cm3 s.d. 0,104 g/cm3 yang ditampilkan pada Gambar 5.a-e.
Perubahan nilai densitas berdasarkan pemodelan inversi diduga akibat perubahan
muka air tanah. Asumsi dinamika yang terjadi di kota Semarang adalah dinamika air
tanah. Thanden et al (1996) menyatakan bahwa kota Semarang bagian utara
merupakan daerah endapan aluvial pantai, endapan aluvial pantai ini terdiri dari
batuan lempung dan pasir (lapisan pembawa air). Marsudi (2001) mengemukakan
bahwa akuifer dangkal pada dataran Semarang terdapat pada kedalaman 5 sampai 30
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-33
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
m di bawah permukaan tanah sekitar (dbpts). Akuifer dalam yang bersifat akuifer
tertekan terdapat pada kedalaman 30 sampai 150 m dbpts.
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-34
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 5. Persebaran perubahan densitas hasil pemodelan inversi 3D yang
ditampilkan pada (a) permukaan, (b) kedalaman 30 m, (c) kedalaman 60m, (d)
kedalaman 90 m, (e) kedalaman 120 m.
Pada kedalaman 30 m (Gambar 5.b) daerah yang memiliki rentang nilai perubahan
densitas 0,0347 g/cm3 s.d. 0,104 g/cm3 adalah daerah Bulu, Bulusari, Panggung Lor
bagian utara, Bandarharjo bagian utara dan Karangampel bagian selatan. Jika
dikorelasikan dengan pemodelan kedepan (perubahan densitas positif) dan data gradien
vertikal gaya berat antar waktu (nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai
negatif), daerah Bulu, Barusari, Panggung Lor bagian utara, Bandarharjo bagian utara
dan Karangampel bagian selatan diduga telah mengalami kenaikan muka air tanah
dangkal pada kedalaman 30 m. Kenaikan muka air tanah dalam terjadi pada
kedalaman lebih dari 90 m (Gambar 5.d-e) yang meliputi daerah Bulu, Bulu Lor,
Barusari, Krobokan, Karangampel, Tugu Muda, Dadapsari, Bandarharjo, Tanjung Emas
bagian barat dan Panggung Lor. Perubahan nilai densitas bernilai positif pada daerah
Bulu, Barusari dan Karangampel berkaitan dengan kenaikan muka air tanah akibat
penambahan air tanah yang berasal dari daerah selatan penelitian. Daerah Panggung
Lor dan Bandarharjo mengalami kenaikan muka air tanah diduga akibat intrusi air laut
dengan asumsi kota Semarang pada bagian utara berbatasan dengan Laut Jawa.
Pendugaan terjadinya intrusi air laut berdasarkan perubahan nilai densitas sebesar
0,104 g/cm3 (densitas air laut 1,04 g/cm3 (Telford et al, 1990) dengan porositas batuan
10%). Kenaikan muka air tanah pada daerah penelitian diduga berada pada kisaran 1
sampai 5 meter.
Nilai perubahan densitas 0 g/cm3 pada kedalaman kurang dari 30 m meliputi
daerah Tanjung Emas, Bandarharjo, Panggung Lor, Kuningan, Tawang Mas,
Mlatiharjo, Bugangan, Bangunharjo, Jagalan, Rejosari, Simpang Lima, Kranggan,
Miroto, Mugassari, Dadapsari, Karangampel dan Purwodinatan. Jika dikorelasikan
dengan data gradien vertikal gaya berat antar waktu, nilai gradien vertikal gaya berat
antar waktu pada beberapa daerah tidak bernilai 0 mGal/m. Daerah dengan nilai
gradien vertikal gaya berat antar waktu 0 mGal/m diduga mengalami dinamika air
tanah pada kedalaman yang lebih dalam.
Perubahan densitas bernilai negatif pada kedalaman lebih dari 60 m (Gambar 5.c-e)
meliputi daerah Purwodinatan, Mlatiharjo, Kemijen, Miroto, Simpang Lima, Mugassari,
Kuningan, Tawang Mas, Tanjung Emas bagian timur, Bangunharjo, Rejosari,
Bugangan, Jagalan dan Kranggan. Berdasarkan pemodelan kedepan dan korelasi data
gradien vertikal gaya berat antar waktu menunjukan bahwa daerah dengan perubahan
densitas bernilai negatif berkaitan penurunan muka air tanah dalam (nilai perubahan
densitas bernilai negatif dan nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu bernilai
positif). Penurunan muka air tanah pada daerah penelitian diduga disebabkan
eksploitasi air tanah untuk kegiatan penduduk sehari-hari dan industri. Penurunan
muka air tanah pada daerah penelitian diduga berada pada kisaran 1 sampai 5 meter.
Perisitwa intrusi air laut yang terjadi pada daerah penelitian diduga karena
eksploitasi air tanah sejak lampau. Eksploitasi air tanah dapat menyebabkan ruang
kosong pada lapisan akuifer sehingga menyebabkan masuknya air laut kedalam lapisan
akuifer. Apabila tidak ada air laut yang masuk kedalam ruang kosong lapisan akuifer
akan terjadi amblesan tanah yang berdampak secara regional. Masalah yang
ditimbulkan oleh eksploitasi air tanah di kota Semarang dapat dicegah dengan
membuat area recharge untuk air tanah.
KESIMPULAN
Nilai gradien vertikal gaya berat antar waktu akibat dinamika air tanah
menghasilkan anomali gradien vertikal antar waktu positif, negatif atau nol. Nilai
gradien vertikal antar waktu bernilai positif berkaitan dengan terjadinya penurunan
muka air tanah sebaliknya nilai negatif berkaitan dengan terjadinya kenaikan muka air
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-35
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
tanah, sedangkan gradien vertikal antar waktu bernilai nol berkaitan dengan tidak
terjadi dinamika air tanah.
Daerah yang mengalami kenaikan muka air tanah adalah Bulu, Bulu Lor, Barusari,
Tugumuda, Karangampel, Dadapsari, Panggung Lor dan Bandarharjo. Daerah yang
mengalami penurunan muka air tanah adalah Purwodinatan, Mlatiharjo, Kemijen,
Miroto, Simpang Lima, Mugassari, Kuningan, Tawang Mas, Tanjung Emas bagian
timur, Bangunharjo, Rejosari, Bugangan, Jagalan dan Kranggan. Solusi untuk
mengurangi dampak penurunan muka air tanah salah satunya adalah pembangunan
area recharge untuk air tanah di kota Semarang.
Pengukuran gradien vertikal gaya berat antar waktu memerlukan perangkat gps
dan gravimeter yang akurat. Lokasi pengukuran di daerah perkotaan memerlukan
ketelitian pengukuran yang tinggi terutama ketika ada getaran yang ditimbulkan oleh
aktifitas manusia atau dapat menggunakan alat seperti peredam getaran.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih ditujukan kepada DP2M DIKTI yang telah mendanai
penelitian ini melalui Skim HIKOM dan kepada BMKG pusat atas dukungannya untuk
alat Gravimeter.
DAFTAR RUJUKAN
Butler, K. D. 1984. Microgravimetric and Gravity Gradient Technique for Detection of
Subsurface Cavities. J. Geophysics, 49. 1084-1096.
Li, Y., Oldenburg, D.W., 1998. 3-D Inversion of Gravity Data. Geophysics, Vol 63, 109119.
Marsudi. 2001. Prediksi Laju Amblesan Tanah Di Dataran Aluvial Semarang Propinsi
Jawa Tengah. Disertasi tidak diterbitkan. Program Pasca Sarjana ITB.
Sarkowi., 2008. Gradien vertikal gaya berat mikro antar waktu dan hubungannya
dengan dinamika air tanah. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi-II,
Universitas Lampung, 17-18 November 2008 hal: 49-56, ISBN : 978-979-1165-74-7.
Stefanelli, P., Carmisciano, C., Tontini, F. C., Cochi, L., Beverini, N., Fidcaro, T.,
Embriaco, D., 2008. Microgravity Vertical Gradient Measurement in the Site of Virgo
Interferometric Antenne (Pisa Plain, Italy). Annals Geophysics. Vol. 51. No. 5/6. pp.
877-886.
Supriyadi, Sarkowi., 2012. Metode Gradien Vertikal Gayaberat Mikro Antar Waktu dan
Aplikasinya. Prosiding Seminar Fisika Terapan III. ISBN: 978-979-17494-2-8.
Tatchum, C.N., Tabod, T.C., Koumeto, F., Dicom, E., 2011. A gravity model study for
differentiating vertical and dipping geological contact with application to a Bouguer
gravity anomaly over the Foumban shear zone Cameroon. Geophysics. 47 (1-2), pp. 4355.
Telford, W. M., Geldart, L.P., Sheriff, R.E., 1990. Applied Geophysics Second Edition.
Cambridge University Press. New York.
Thanden, R.E., Sumadirdja, H., Richards, P.W., Sutisna, K., Amin, T.C., 1996. Peta
Geologi Lembar Magelang dan Semarang, Jawa. Pusat Penelitian dan
Pengembangan Geologi. Bandung.
ISBN 978-602-71279-1-9
FG-36