Banyak orang bilang secara historis konsep gelombang elektromagnetik muncul sebagai paduan daya imajinasi dan ketajaman akal pikiran berlandaskan keyakinan akan keteraturan dan kerapian aturan-aturan alam, mulai dari hukum Coulomb (muatan listrik menghasilkan medan listrik yang kuat), hukum Biot-Savart (aliran muatan atau arus listrik menghasilkan medan magnet di sekitarnya), hukum Faraday (perubahan medan magnet dapat menimbulkan medan listrik), hingga persamaan Maxwell yang menggabungkan semua hukum listrik dan magnet yang mendahuluinya. Maxwell berhasil membuktikan bahwa jika perubahan medan magnet dapat menimbulkan perubahan medan listrik, pastilah perubahan medan listrik menimbulkan perubahan medan magnet. Perkembangan keilmuan elektromagnetika pun terus berlanjut seiring penerapannya di berbagai bidang.
Pada bidang geofisika, fenomena elektromagnetik merupakan salah satu “senjata” ampuh untuk mengetahui distribusi parameter-parameter fisika di bawah permukaan bumi dikarenakan karakteristiknya yang “merambat dan bercerita” dengan membawa karakter seperti panjang gelombang, amplitudo, frekuensi, dan kecepatan . Metode elektromagnetik (EM) ini biasanya digunakan untuk eksplorasi benda-benda konduktif atau benda-benda yang mampu menghantarkan listrik serta mampu memberikan respons terhadap gaya magnet. Tujuan dari dilakukannya metode ini adalah pada pemanfaatan dari perubahan komponen-komponen medan akibat variasi konduktivitas untuk menentukan struktur bawah permukaan. Medan EM yang digunakan dapat diperoleh dengan sengaja, seperti dengan membangkitkan medan di sekitar daerah observasi (teknik aktif) atau memanfaatkan sumber EM alami (teknik pasif).
Salah satu metode dengan sumber EM alami di geofisika adalah metode magnetotelurik. Metoda magnetotelurik ini merupakan teknik sounding induktif pasif yang mengukur variasi medan magnet dan medan listrik alami di permukaan. Fungsi transfer antara medan listrik dengan medan magnet pada domain frekuensi ini mengandung infomasi mengenai distribusi resistivitas bawah permukaan. Beberapa studi menunjukkan adanya kaitan erat antara resistivitas dengan porositas, kandungan fluida (air, uap air atau gas) dan temperatur formasi batuan.
Medan EM yang berdifusi ke bawah permukaan bumi berasal dari sumber alami, yaitu aktivitas elektromagnetik di ionosfer maupun atmosfer. Respons bumi atau benda anomali di bawah permukaan akan berbeda berdasarkan konduktivitas anomali tersebut. Medan EM ini ditimbulkan oleh berbagai proses fisik yang cukup kompleks dengan spektrum frekuensi sangat lebar. Pada frekuensi yang cukup rendah (kurang dari 1 Hz), angin matahari (solar wind) yang mengandung partikel-partikel bermuatan listrik berinteraksi dengan medan magnet permanen bumi sehingga menyebabkan variasi medan EM.
Ketika mengenai lapisan magnetosfer bumi, proton dan elektron yang terkandung di dalam plasma solar wind dibelokkan dengan arah yang saling berlawanan sehingga menghasilkan medan listrik. Variasi intensitas dan kecepatan dari solar wind ini menghasilkan gelombang elektromagnetik yang bervariasi terhadap waktu. Variasi pada frekuensi audio (di atas 1 Hz) terutama disebabkan oleh aktivitas meteorologis berupa petir di daerah ekuator bumi. Gelombang EM yang dihasilkan pada saat terjadi petir dikenal sebagai sferics. Petir yang terjadi di suatu tempat menimbulkan gelombang EM yang terperangkap antara ionosfer dan bumi dan menjalar mengitari bumi.
Prinsip penerapan metode MT berawal dari arus telurik yang merupakan gelombang EM yang menjalar dan teratenuasi akibat penjalaran dari ionosfer ke permukaan bumi. Pada jarak yang cukup jauh dengan sumber, gelombang EM diasumsikan sebagai gelombang bidang dengan komponen vertikal yang cukup besar dan memiliki rentang frekuensi dari 10 kHz hingga 10-4 Hz. Medan EM yang bervariasi terhadap waktu ini dianggap sebagai pemancar (transmitter) yang akan berpenetrasi ke dalam permukaan bumi dan akan mengalami kontak dengan medium bumi (dianggap sebagai konduktor) sehingga menghasilkan “arus Eddy”. Selanjutnya arus Eddy inilah yang menghasilkan medan magnet sekunder sesuai hukum Ampere sehingga medan magnet dan medan listrik sekunder akan terekam oleh detector atau penerima (receiver).
Informasi mengenai resistivitas medium yang terkandung dalam data magnetotelurik dapat diperoleh dari penyelesaian persamaan Maxwell. Persamaan Maxwell yang menggambarkan perilaku medan EM adalah sintesis hukum-hukum yang berlaku untuk fenomena listrik-magnet. Dalam bentuk diferensial, persamaan Maxwell dalam medium untuk domain frekuensi dapat dituliskan dalam empat persamaan.
Persamaan Maxwell pertama diturunkan dari hukum Faraday yang menyatakan bahwa perubahan fluks magnetik menyebabkan medan listrik dengan gaya gerak listrik berlawanan dengan variasi fluks magnetik penyebabnya. Persamaan kedua merupakan generalisasi hukum Ampere dengan mempertimbangkan konservasi muatan. Persamaan tersebut menyatakan bahwa medan magnet timbul akibat fluks total arus listrik yang disebabkan oleh arus konduksi dan arus perpindahan. Persamaan ketiga terkait dengan hukum Gauss, yaitu fluks listrik pada suatu ruang sebanding dengan muatan total yang ada dalam ruang tersebut. Terakhir, persamaan keempat yang secara konsep mirip dengan persamaan ketiga berlaku untuk medan magnet, tetapi dalam hal ini tidak ada monopol magnetik.
Nilai medan yang terukur di permukaan mengandung informasi mengenai konduktivitas batuan bawah permukaan sehingga dengan mengukur medan listrik dan medan magnet secara bersamaan di suatu lokasi yang sama dan dengan menggunakan perbandingan dari nilai medan tersebut pada berbagai frekuensi, kita dapat menentukan nilai konduktivitas batuan untuk setiap kedalaman pada daerah tersebut. Pada metode magnetotelurik ini variabel yang paling berpengaruh adalah frekuensi atau kebalikannya, yakni periode. Jika frekuensi semakin besar, atau periode rendah, daya pengukuran kedalaman akan semakin rendah dan atenuasi lebih cepat, dan begitu pula sebaliknya. Sementara itu, nilai impedansi yang merupakan rasio antara medan listrik dan medan magnet berpengaruh pada struktur resistivitas dari tempat yang diukur.
Alat ukur magnetotelurik terdiri dari tiga sensor sinyal magnetik (magnetometer) dan dua pasang sensor sinyal listrik (elektrode) beserta unit penerima yang berfungsi sebagai pengolah sinyal dan perekam data. Pada pengukuran medan listrik ini, terdapat empat buah elektrode nonpolarisasi yang dibagi rata pada dua arah sumbu-x (Ex) dan dan dua arah sumbu-y (Ey). Pasangan elektrode Ey dan coil Hy sebaiknya diarahkan tegak lurus terhadap stuktur, sedangkan pasangan elektrode Ex dan coil Hy disejajarkan dengan struktur yang kemudian diukur tegangan antara elektrode tersebut. Kawat pada instrumen ini sebaiknya ditempatkan di atas tanah.
Bahan bacaan:
- Reynolds, John M. 1997. An Introduction to Applied Environmental John Wiley and Sons: New York.
- http://geofisika.net/magnetotellurik-mt/
Penulis:
Candra Mecca Sufyana, Peneliti di Lab Fisika Sistem Kompleks ITB.
Kontak: candra86mecca(at)gmail.com
