FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PERCEPATAN GRAVITASI

A.     TEMPORAL BASED VARIATIONS (VARIASI BERDASARKAN WAKTU)

     1.    Strategi Koreksi Kelelahan Alat dan Pasang Surut

Pengamatan berulang pada satu lokasi dapat menghasilkan nilai percepatan gravitasi yang berbeda, sehingga memerlukan drift and tidal correction. Drift correction  merupakan koreksi akibat kelelahan alat dan tides correction merupakan koreksi pasang surut akibat efek gravitasi yang berasal dari benda luar angkasa. Untuk membuat koreki yang efektif dari faktor-faktor ini harus diketahui bahwa kedua faktor tersebut bergantung pada fungsi waktu, yaitu perubahan gravitasinya terjadi secara perlahan-lahan dalam fungsi waktu.

Salah satu cara untuk menghitung komponen pasang surut dari medan gravitasi bumi dengan meletakkan base station yang dekat dengan daerah survey untuk memantau medan gravitasi di lokasi survey saat bersamaan dengan pengukuran medan gravitasi lain sedang dilakukan di daerah survey yang sama. Perhitungan komponen pasang surut menghasilkan variasi waktu pasang surut dari medan gravitasi bumi yang digunakan untuk memperbaiki pengamatan survey. Prosedur ini jarang digunakan karena:

·      Memerlukan dua alat gravitimeter, sehingga tidak layak secara ekonomi.

·      Penggunaan dua instrument memerlukan mobilisasi dua kru lapangan yang dapat menambah biaya survey.

·      Teknik ini hanya mampu menghapus komponen pasang surut tidak akan menghapus drift instrument. Penggunaan dua instrument yang berbeda akan menunjukan arus yang berbeda, sehingga diperlukan koreksi drift tambahan.

2  2.      Koreksi Pasang Surut dan Kelelahan Alat : Prosedur di Lapangan

Dalam penerapan koreksi diperlukan beberapa prosedur pengamatan, yaitu:

·      Menetapkan satu atau lebih lokasi base stasion. Lokasi base stasion harus mudah diakses dalam pengukuran medan magnet bumi.

·      Menetapkan lokasi titik-titik pngukuran gravitasi yang tepat dalam survey.

·      Sebelum mengukur medan gravitasi di titik-titik pengukuran, terlebih dahulu dilakukan pengukuran di base stasiun yaitu merekam gravitasi relative di base stasiun dan waktu dimana pengukuran gravitasi dilakukan.

·      Kemudian dilakukan pengukuran ke titik-titik pengukuran gravitasi.

·      Setelah beberapa periode waktu, biasanya 1 jam, kemudian kembali lagi ke base stasiun untuk mengukur medan gravitasi relatif dan waktu dimana dilakukan pengukuran, prosedur ini dilakukan secara berulang per jam selama pengukuran.

·      Pada akhir pengukuran kembali ke base stasiun dan membuat satu pembacaan akhir graviti.

Sumber: Arifin, Kamar Shah. 2004

1   3.      Koreksi Pasang Surut dan Kelelahan Alat : Reduksi Data

Dengan menggunakan data hasil pengamatan secara perulangan menghasilkan grafik linear sehingga diperlukan koreksi yang menggunakan interpolasi linear untuk menghasilkan prediksi variasi waktu dari medan gravitasi. Contoh hasil pengamatan:

Sumber: Arifin, Kamar Shah. 2004

Untuk mencari nilai linear interpolasi dapat menggunakan persamaan:

Sumber: Arifin, Kamar Shah. 2004

Data hasil pengamatan sbelum di interpolasi linear menghasilkan grafik Raw Gravity, yaitu niali gravity pada base stasiun yang tetap menghasilkan nilai yang berbeda-beda pada setiap kali perulangan, sedangkan nilai titik-titik pengukuran gravity menghasilkan nilai yang menanjak secara linear, seperti yang terlihat pada grafik dibawah ini:

Sumber: Arifin, Kamar Shah. 2004

Sedangkan pada data hasil pengamatan yang sudah di interpolasi linear menghasilkan grafik Reduced Gravity, yaitu setalah diinterpolasi niali gravity di base stasiun menghasilkan nilai 0 yang menandakan bahwa data telah di koreksi dan nilai di titik-titik pengukuran gravity juga menunjukan tren yang berbeda dari sebelum diinterpolasi. Proses ini merupakan hasil dari koreksi pasang surut dan keelahan alat.

Sumber: Arifin, Kamar Shah. 2004

B.     SPATIAL BASED VARIATIONS (VARIASI BERDASARKAN JARAK)

1     1.      Latitude Correction

Peningkatan gravitasi bumi akibat lintang dipengaruhi oleh rotasi bumi dan lengkungan khatulistiwa. Akibat rotasi bumi pada porosnya mengahsilakn percepatan sentrifugal yang bernilai maksimum di equator dan bernilai 0 di kutub. Hal tersebut berlawanan dengan percepatan gravitional bumi, sedangkan apabila geoid didekatkan dengan massa bumi dan adanya perataan kutub maka gravitasi di kutub dapat meningkat. Efeknya yaitu menetralkan sebagian massa yang menarik ke khatulistiwa.

Sumber: Arifin, Kamar Shah. 2004

Koreksi latitude diperoleh ddengan differensisai persamaan:

Sumber: Telford;1990

 Jarak horizontal = dan Re adalah jari-jari bumi (~6368km). Koreksi bernilai maksimum di sudut lintang 45⁰ sebanding dengan 0.01 mGal/(13m) dan bernilai 0 di equator dan kutub. Koreksi ditambahkan percepatan gravitasinya seiring semakin dekatnya dengan equator.

 .   

   2.Free-air Correction

Karena gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak, maka perlu melalukan koreksi perubahan elevasi antara stasiun dengan datum permukaan. Perbedaan ketinggian titik sangat mempengaruhi nilai gravitasi, dengan hubungan semakin tinggi maka nilai gravitasi semakin kecil dan semakin rendah nilai gravitasi semakin besar. Untuk meminimalkan variasi ketinggian diperlukan koreksi udara bebas yang besarnya 0.3086 mGal/m. Koreksi ini dilakukan dengan cara jika titik pengukuran diatas datum maka ditambahkan, dan dikurangkan apabila berada dibawahnya.

Sumber: Telford, 1990

1    3.      Bouguer Correction

Massa yang terletak diantara titik datum menimbulkan efek gravitasi, koreksi bouger bertujuan untuk menghilangkan atau mereduksi efek gravitasi oleh massa tersebut dengan besar 0.04193 rho hmGal dimana h merupkan ketinggian titik terhadap datum dalam meter dan rho merupakan densitas Bouger. Penentuan rho menggunakan metode Nettleton yaitu mencari koreksi Bouguer sebagai fungsi densitas yang paling kecil korelasinya dengan ketinggian dalam sebuah lintasan.

1     4.      Variation in Gravity Due to Excess Mass

Koreksi ini digunakan karena adanya kelebihan massa dalam suatu luasan topografi. Graviti meter akan merekam nilai yang berbeda yang sesuai dengan massa di daerah survey. Niali gravitasi di alat gravitimeter akan terbaca lebih besar jika massa besar dan bernilai kecil jika massa keci, sehingga diperlukan koreksi. Massa yang berlebih akan diseimbangkan massa nya dengan cara mendekatkan terhadap lempengan terdekat, seperti pada gambar dibawah ini.

Sumber: Arifin, Kamar Shah. 2004

Telford,W.M.,dkk. 1990. Applied Geophysics Second Edition. Cambridge University Press.                             New York.

Wahid, Abdul. Survey Geofisika, Metode Gravitasi.PPT

Shah, Kamar. 2004. G-Gravity Method.pdf

Razali, Mulkal. 2012. Sistem Koordinat.Pdf

 http://networkedblogs.com/zVH6K

MEDAN GRAVITASI BUMI (GRAVITY OF THE EARTH)

Bentuk bumi sangat kompleks dan tidak teratur atau dikatakan bumi tidak berbentuk bulat homogen sempurna, sehingga percepatan gravitasi di setiap permukaan bumi tidak konstan. Nilai g sangat bergantung pada bentuk bumi sesungguhnya dan penyebaran volume bumi yang dinyatakan dalam rapat massa. Karena bentuk bumi sangat kompleks, maka dibutuhkan suatu model yang sederhana untuk mendekati bentuk bumi yang sesungguhnya untuk dilakukan perhitungan secara matematis yaitu melalui  pendekatan ellipsoid dan geoid yang termasuk dalam ilmu Geodesi.

Ellipsoid merupakan bentuk matematis model permukaan bumi. Geoid adalah bentuk matematis permukaan bumi berdasarkan nilai equipotensial (nilai gaya berat).

 Sumber: Bahan Mata Kuliah Geomatika oleh Mulkal Razali, M.Sc

Besarnya percepatan gravitasi bumi dipengaruhi oleh 5 faktor, yaitu:

·         Sudut lintang (Latitude)

·         Elevasi (Elevation)

·         Topografi (Topography of the surrounding terrain)

·         Gaya tarik benda langit (Earth tides)

·         Variasi apat massa bawah permukaan (Density variation in the subsurface)

Adanya rotasi bumi yaitu perputaran bumi pada porosnya mengakibatkan adanya gaya sentrifugal dan terbentuk flat pada kedua kutubnya yang mempengaruhi jari-jari bumi yang disebut dengan efek flattening, sehingga jari-jari bumi di khatulistiwa 21 km lebih besar daripada jari-jari di kutub. Akibatnya, terjadi perbedaan percepatan gravitasi di kutub dan khatulistiwa.

Perbedaan percepatan gravitasi bumi di kutub dan khatulistiwa sebesar (3.39 + 6.63 – 4.85) = 5.17 Gal. Hal tersebut didasarkan pada: (Hammer, 1943)

1.        Adanya percepatan sentrifugal di khatulistiwa sedangkan dikutub tidak ada, sehingga menyebabkan gravitasi di khatulistiwa lebih besar yaitu 3.39 Gal.

2.        Jari-jari dikutub lebih pendek dibandingkan dengan jari-jari dikhatulistiwa, sehingga gravitasi di kutub lebih besar yaitu 6.63 Gal.

3.        Akibat bentuk bumi ellipsoid, maka distribusi massa di khatulsitiwa lebih besar daripada di kutub, sehingga menyebabkan gravitasi di khatulistiwa sebesar 4.85 Gal lebih besar daripada di kutub.

Bentuk permukaan bumi yang disederhanakan memungkinkan untuk meningkatkan kepadatan dengan kedalaman, namun tidak untuk variasi lateral yang merupakan objek eksplorasi gravitasi, karena referensi geoid dan elipsoid pada variasi lateral sering tidak sesuia.

Sumber: Telford.W.M, dkk. Apllied Geophysics. 1990

Anomaly yang terdapat pada massa local menyebabkan geoid melengkung. Geoid yang melengkung dibawah benua terjadi karena massa diatasnya dan menarik kebawah akibat adanya cekungan laut dengan kepadatan air rendah (lihat gambar). Akan tetapi, deviasi atau penyimpangan ellipsoid yang tidak berkorelasi dengan benua atau lempeng litosfer diakibatkan adanya perbedaan kepadatan dibawah lempeng litosfer. Deviassi antara dua permukaan sebesar 100 m.

PENGUKURAN GAYA BERAT

Pengukuran gravitasi dapat dilakukan dengan tiga metode, yaitu:

1.    Pengukuran Benda Jatuh Bebas (Falling Body Measurement)

Percepatan gravitasi dapat diukur secara langsung dan sederhana dengan cara hanya menjatuhkan sebuah benda dari ketinggian tertentu dan mengukur perubahan kecepatan (akselerasi) pada saat jatuh, percobaan ini telah dilakukan oleh Galileo Galilei. Dalam percobaan ini, Gellieo Gallei telah menjatuhkan berbagai macam benda dari menara pisa yang miring. Gallieo Gallie menyimpulkan bahwa percepatan jatuhnya benda tidak bergantung pada massanya. 

2.    Pengukuran Pendulum (Pendulum Measurement)

Pengukuran percepatan gravitasi dapat diamati melalui osilasi pendulum. Secara sederhana, apabila sebuah bandul digantungkan massa maka bandul tersebut akan berosilasi kea arah vertikal akibat pengaruh gravitasi. Parameter yang menjelaskan osilasi dikenal sebagi periode osilasi. Periode osilasi merupakan waktu yang diperlukan oleh pendulum unutk menyelesaikan satu siklus gerakannya.

Untuk mengukur percepatan gravitasi dapat digunakan persamaan:

3.    Pengukuran Pegas (Mass and Spring Gravity Measurement)

Umunya peralatan gravitimeter menggunakan prinsip pegas. Prinsip sederhananya yaitu, jika sebuah massa digantungkan di pegas, maka gaya gravitasi menyebabkan perenggangan pada pegas yang sebanding dengan gaya gravitasi. Hal ini dapat ditunjukan dengan keseimbangan antara pertambahan panjang pegas dan percepatan gravitasi adalah besarnya massa digantung pada pegas dibagi dengan konstanta k. Konstanta k menggambarkan kekakuan pegas (stiftness) yang memiliki hubungan semakin besar k, maka semkain kaku pegas.

Umumnya pada pengukuran di daerah survey juga menggunakan prinsip dasar dari metode diatas, seperti pengukuran berdasarkan pegas yang banyak digunakan dalam peralatan gravity untuk melakukan eksplorasi. Adapun prosedur pengukuran sebagai berikut:

1.    Penentuan Lokasi Pengukuran

Penentuan lokasi pengukuran terdiri dari:

·           Adanya peta topografi dan geologi, jika tidak ada maka dilakukan pemetaan lokasi pengukuran terlebih dahulu.

·           Diusahakan skala peta sesuai dengan luas lokasi.

·           Ditentukan lintasan pengukuran dan base station (diletakan pada titik yang telah diketahui nilai gravitasinya).

·           Ditentukan lintasan, loop lintasan pengukuran, titik ikat, dan base station secara efektif dan sesuai target.

2.    Pengukuran

·         Letak titik pengukuran harus jelas dan mudah ditemukan, seperti persimpangan, jalan, jembatan, dan lainnya.

·         Lokasi pengukuran harus ada dalam peta.

·         Lokasi pengukuran bersifat permanen, mudah dijangkau, bebeas dari gangguan seperti kendaran, getaran mesin, dan lainnya.

Target observasi harus mempunyai perbedaan kontras densitas yang significant agar dapat dideteksi oleh gravitimeter. Lintasan dibuat dalam bentuk grid dengan lebar umumnya seluas 200m s/d 1 km. Lintasan grid tidak harus tertaur mengikuti grid-grid, namun disesuiakan dengan kondisi daerah survey. Elevasi dan waktu pengukuran harus diketahui secara akurat, hal ini berguna ketika melakukan koreksi data.

Pengukuran metode gaya berat terdiri dari penentuan titik ikat (base station) dan pengukuran titik-titik gaya berat. Base station merupakan titik pengukuran gravitasi tetap yang berfungsi memantau perubahan nilai gravitasi yang diakibatkan oleh perubahan waktu. Untuk Lokasi basestation dipilih dengan spesifikasi lokasi stabil dan mudah dijangkau dengan jumlah base station disesuaikan dari keadaan lapangan. Pengukuran data lapangan meliputi pembacaan gravitimeter, penentuan posisi, waktu, pembacaaan altimeter, dan suhu. Pengambilan data pada titik-titik pengukuran dilakukan dengna sistem loop, yaitu sistem pengukuran yang dimulai dan diakhiri pada titik gaya berat yang sudah diketahui nilanya. Data-data yang diperoleh berupa:

·         Tanggal dan hari pembacaan data yang berguna untuk koreksi pasang surut.

·         Waktu pembacaan data berguna untuk koreksi apungan dan penentuan pasang surut.

·         Pembacaan alat.

·         Koordinat stasiun pengukuran dengan menggunakan GPS.

·         Data inner zone unutk koreksi terrain.

·         Ketinggian titik pengukuran.

JENIS-JENIS GRAVITY METER

Gravitimeter merupakan jenis peralatan dari pengukuran gravity secara relative. Gravitimeter dibagi menjadi dua, yaitu gravitimeter stabil dan gravitimeter tidak stabil. Gravimeter jenis stabil muncul pada tahun 1930-an, namun sekarang telah digantikan dengan pengukuran yang lebih sensitive yaitu gravimeter tidak stabil.

Gravitimeter Stabil

Nettleton (1976), menjelaskan sejumlah gravimeter yang berbeda. Pada dasarnya, semua gravimeter merupakan keseimbangan mekanik yang sangat sensitive dimana masa didukung oleh pegas. Perubahan kecil pada gravitasi dalam memindahkan berat melawan gaya pemulih pegas.

Gambar diatas menunjukan elemen dasar pada gravimeter jenis stabil.  Pada ilustrasi digambar tersebut berlaku Hukum Hook. Perpindahan pegas yang terjadi kecil, yaitu perubahan gaya sebanding dengan perubahan panjang, maka:

        

Dimana k adalah konstanta pegas dalam dyne/cm.  secara mekanik dapat diperoleh nilai k/m kecil dengan membesarkan massa dan pegas lemah, tetapi metode ini untuk meningkatkan sensitivitas yang terbatasi. Periode osilasi dalam sistem ini adalah:

T=

Jika disubtitusikan dua persamaan diatas, maka:

Demikian untuk sensitivitas yang bagus, periode sangat besar dan pengukuran δg membutuhkan waktu yang cukup. Gravimeter stabil sangat sensitive terhadap efek secara fisika, seperti perubahan tekanan, temperature, dan variasi kecil magnetic dan seismic. beberapa contoh gravimeter stabil, yaitu:

1.      Askania Gravimeter

Sinar diputar pada pegas utama. Seberkas sinar cahaya tercermin dari massa ke sel aphotoelectric. Defleksi massa menggantikan berkas cahaya dan perubahan tegangan dalam rangkaian.

Pengulangan tegangan pegas bantu mengembalikan berkas ke posisi awal, yaitu posisi yang sama untuk semua pengukuran yang dilakukan. Gravitimeter stabil menggunakan amplifikasi listrik.

2.      Boliden Gravimeter

Massa berupa kumparan dengan dua pelat logam yang digantungkan diantara dua pelat logam lainnya.

Perubahan gravitasi menyebabkan massa bergerak dan perubahan kapasitansi antara pelat atas dideteksi oleh sirkuit yang sudah di setel. Massa kembali ke posisi nol dengan menyesuaikan arus DC yang terhubung dengan dua pelat koneksi rendah, massa didukung oleh tolakan elektrostatik.

3.      Scintrex CG-3

Peralatan ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan yang lainnya, namun menggunakan rangkaian feedback pelat atas yang mengembalikan massa ke posisi awal.

Gravitimeter Tidak Stabil

Gravimeter tidak stabil juga dikenal sebagai labilized atau astalized gravimeters, instrument ini memiliki gaya pemulihan tambahan dalam melawan gaya pemulihan pegas dalam arti yang sama seperti gravitasi. Instrument ini pada dasarnya berada dalam keadaan keseimbangan stabil dan ini akan memberikan sensitivitas lebih besar dibandingkan gravimeter stabil.  Rentang linearnya kurang dari rentang gravimeter stabil, sehingga instrument ini dioperasikan sebagai instrument null. Beberapa jenis gravimeter tidak stabil yaitu:

1.      LA- Coste Romberg

Peralatan ini menggunakan prinsip jatuh bebas. La- Coste Romberg meupakan peralatan pertama yang menerapkan pegas yang sangat panjang (a zero-length spring). A zero-length spring merupakan tegangan yang sebanding dengan panjang pegas yang sebenarnya, yaitu jika semua gaya eksternal di pindahkan maka pegas akan rusak (collapse) ke titik panjang nol (zero length).

2.      Worden Gravitimeter

Worden Gravitimeter digunakan untuk pengukuran perbedaan gravitasi bumi dalam skala 1:100 000 000 dari gravitasi normal bumi.  Peralatan ini dapat mengukur deengan tingkat akurasi dalam 0,01 miligall atau 1 inchi dalam perubahan ketinggian. Alat ini memiliki speksifikasi tinggi dengan memiliki tiga spring untuk mendapatkan zero-length.