5

BAB II

KONSEP DASAR METODE POTENSIAL DIRI

Dikatakan Potensial diri karena potensial dihasilkan dari dalam bumi

dengan berbagai sumber melalui proses fisika dan kimia. Metode ini bersifat

pasif, dalam artian kita tidak memberikan sumber arus tambahan jadi pengukuran

potensial dikur secara alamiah antara dua titik pada permukaan tanah. Potensial

yang diukur mencakup satu milivolt (mV) sampai satu volt dengan tanda positif

dan negatif. Perbedaan antara positif dan negatif ini merupakan faktor penting

dalam menginterpretasikan anomali dari potensial dirit yang akan dijelaskan nanti.

Berikut ini beberapa jenis anomali dari potensial diri yang ada berikut dengan

struktur geologinya.

Potensial alami didalam bumi terdiri dari 2 komponen yaitu komponen

yang selalu konstan dan tidak memiliki arah dan komponen yang selalu berubah

ubah terhadap waktu. Komponen yang konstan biasanya disebabkan oleh proses

elektrokimia yang terjadi di bumi, kemudian komponen yang berubah-ubah

disebabkan oleh berbagai macam proses yang menyebabkan adanya perbedaan

potensial dari arus bolak balik yang induksikan oleh petir dan perbedaan medan

magnet bumi yang juga dipengaruhi oleh curah hujan yang tinggi. Dalam

eksplorasi mineral, komponen dari potensial diri yaitu potensial mineral dan

potensial lingkungan (background potential).

6

Bagan 2.1 Sumber dan tipe anomali SP

Sumber Tipe anomali

Mineral potential

Sulphide ore bodies

Negative ≈ hundreds of mV

(pyrite, chalcopyrite, pyrrhotite

sphalerite, galena)

Graphite ore bodies

Magnetite + other electronically

conducting minerals

Coal

Manganese

Quartz viens positive ≈ tens of mV

Pegmatites

Background Potential

Fluid Streaming, geochemical reactions etc Positive +/- Negative ≤ 100 mV

Bioeletric (plants, trees) Negative, ≤ 300 mV or so

Groundwater movement

Positive or Negative up to

hundreds of mV

Topography Negative up to 2 mV

Faktor utama yang mempengaruhi potensial diri secara umum ialah air

tanah. Potensial diproduksi oleh aliran air tanah, dengan berperan sebagai

elektrolit dan pelarut dari mineral yang berbeda. Ada tiga cara dalam

7

mengkonduksikan listrik melalui batuan yaitu dengan dielektrik, elektrolitik, dan

konduksi elektronik. Konduktivitas listrik (σ, inversi dari resistivitas) dari batuan

berpori bergantung pada porositasnya ( bentuk pori-porinya) dan pada pergerakan

air ( atau cairan lainnya) melewati celah pori-pori ( bergantung pada sifat

mobilitas ionik dan konsentrasi larutan, fiskositas (η), temperatur serta tekanan).

Bagan 2.2 Macam-macam tipe potensial

Electrokinetic

Variable with time

(electrofiltration)

(electromechanical)

(streaming)

Diffusion potential

Electrochemical

potential

Liquid-junction

Nernst potential

(shale)

Mineral potential Constant

2.1 Potensial Elektokinetik

Elektokinetik potensial (Ek) terbentuk akibat pergerakan elektrolit melalui

celah berpori atau kapiler. Potensial diukur sepanjang kapiler tersebut. Potensial

yang dihasilkan oleh proses ini biasanya dikategorikan sebagai electrofiltration,

electrochemical and streaming potential.

8

Elektrokinetik

πηδεμ

4PC

Ek E= (2.1)

Dimana : ε, μ dan η adalah konstanta dielektrik , resistivitas dan dinamik

viskositas dari tanggapan elektrolit; δP adalah perbedaan tekanan; dan CE adalah

koefisien kopling dari elektrofiltrasi.

Menurut hukum Helmhotz’s aliran listrik terjadi karena gradien hidrolik

dan kuantitas yang dikenal dengan koefisien kopling elektrofltrasi (CE ), yang

merepresentasikan sifat fisis dan kelistrikan dari elekktrolit dan dari jaringan

melalui medium lektrolit yang terlewati.

Potensial akan cenderung meningkat secara positif dengan arah aliran air

sebagai muatan listrik yang mengalir pada arah yang berkebalikan. Dengan

konsentrasi muatan negatif sulit mengalir dan dapat menghasilkan anomali SP

pada ketinggian topografi.

9

2.2 Potensial Elektrokimia

Potensial Difusi

( )( ) ( )21 /ln CC

IInFIIRT

Eca

cad +

−=

(2.2.1)

Dimana: Ia dan Ic adalah pergerakan dari anion (+ve) dan kation (-ve) secara

berturut – turut; R adalah konstanta gas (8,314 JK-1mol-1); T adalah temperature

absolute (K) ; n adalah valensi ion ; F adalah konstanta faraday (96487 C mol-1) ;

C1 dan C2 adalah larutan konsentarasi

Potensial Nernst

( )21 /ln CCnFRTEd =

(2.2.2)

Kasus khusus dalam persamaan difusi dimana Ia = Ic.

Perubahan potensial disfusi (Ed) secara transient dapat mencapai diatas

nilai pulahan mV. Hal ini terjadi akibat perbedaan mobilitas dari elektrolit-

elektrolit yang memiliki perbedaan konsentrasi pada air tanah. Potensial Nersnt

(EN ) terjadi ketika perbedaan potensial diantara kedua elektroda yang dicelupkan

pada larutan homogen dimana konsentrasi larutan tersebut berbeda-beda. Terlihat

persamaan potensial Nernst merupakan kasus khusus untuk persamaan potensial

difusi dan dapat dengan mudah terkombinasikan pada bentuk potensial

elektrokimia. Larutan garam dapur (NaCl) ada 25oC dengan rasio konsentrasi 5:1,

10

potensial elektrokimia sekitar ±50 mV. Potensial Nerst sangat penting pada well

logging, dimana kasus ini disebut pula sebagai potensial serpihan batuan. Terlihat

dari persamaan tersebut bahwa potensial elektrokimia bergantung pada

temperature dan konsentrasi. Temperatur dan konsentrasi yang tinggi akan

membuat nilai potensial membesar, karena alasan inilah pengukuran potensial diri

sangat penting dalam eksplorasi sumber-sumber geothermal, dimana temperatur

benar-benar memiliki elevasi dan konsentrasi garam di dalam air tanah sangat

tinggi.

2.3 Potensial Mineral

Gambar 2.1 Pengaruh anomali SP terhadap kurva potensial.

m

c

a

y

s

m

d

Salah

mineral itu

chalcopyrite

anomali pad

yang memili

sphalerite.

Reynold,M

Telford,K.

Sato

mengenai pr

diri, walaup

h satu yang

sendiri. A

e serta beber

da mineral p

iki sifat seba

GambarM.,John, An

Spont

M.,Golder,L

dan Moone

roses elektro

pun belum

mempengar

Anomali neg

rapa kondukt

potensial me

agai konduk

r 2.2 Mekanin Introductioteneous (Sel

L.P.,Sherif,RPotentia

ey (1960) te

okima sehing

ada hipote

ruhi dalam

gatif yang b

tor listrik ya

emiliki sifat

ktor yang kur

isme Self-poon to Appliedf-potential M

R.E.,Aplied Gal Method, h

elah menyed

gga menyeba

esis yang d

eksplorasi m

besar dapat

ang baik. Wa

t konduktor

rang baik se

otential padad and EnviroMethod), hal

Geophysics Shal 295

diakan penjel

abkan terjad

dapat menje

mineral yaitu

diamati pa

alaupun seba

yang bagus

eperti yang t

a pyrite omental Geol 498

Second Edit

lasan yang c

dinya anoma

elaskan seca

11

u potensial

ada pyrite,

agian besar

s, ada juga

erjadi pada

ophysics:

tion: Self-

cukup baik

li potensial

ara khusus

12

mengenai mineral mineral yang diamati. Postulat mereka adalah dua reaksi

elektrokimia half-cell dari tanda yang berkebalikan, satu katoda diatas water

table, yang lainnya anoda di bawahnya. Pada bagian katoda half cell terjadi

reduksi kimia yang mendapatkan elektron sedangkan pada sel anoda terjadi reaksi

kimia, yang mendapatkan elektron sedangkan pada sel anoda terjadi reaksi

oksidasi yaitu menghilangnya elektron. Zona mineral itu sendiri berfungsi hanya

untuk menghubungkan elektron dari anoda pada katoda. Hal yang penting dari

efek potensial diri ini secara keseluruhan ditentukan oleh perbedaan potensial

oksidasi (Eh) diantara solusi-solusi pada dua half cells. Mekanisme ini

diilustrasikan pada gambar. Aliran elektron elektron dan ion ion yang

meninggalkan bagian atas permukaan adalah muatan negatif, dan dibawahnya

positif.

Dalam hipotesa ini, masih banyak adanya kekurangan pada masalah

pengumpulan beberapa anomali yang terobservasi walaupun peningkatan kualitas

penelitian sudah ada pada penjelasan sebelumnya. Sebagai contoh, Sato dan

Mooney memberikan potensial yang mungkin maksimum pada beberapa sumber,

seperti graphit (0,78 V, pyrite (0,73 V), dan galena (0,33 V) (Reynolds, hal 295).

Pada pengukuran permukaan tersebut akan menyiratkan nilai maksimum yang

tidak lebih besar dari nilai tersebut, ketika biji mineral muncul di permukaan

bumi. Potensial graphite yang besarnya 1,5 V telah dilaporkan nilainya diatas

graphite yang telah diasumsikan oleh Sato dan Mooney. Studi lapangan yang

potensialnya diukur pada lubang pengeboran penetrasinya zona sulfide, seperti

13

halnya pada permukaan zona atas, memberikan anomali permukaan kira kira sma

ukurannya dengan yang terdapat dalam sulfida itu sendiri, sungguhpun dibawah

permukaan seperti belakangan ini diketahui.

Kebanyakan sulfida adalah konduktor yang baik, dengan pengecualian

pada sphalrite, cinnabar dan stibnite. Anomali potensial diri telah mengobservasi

diatas sphalerite dan pada lubang pengeboran yang melewati bada sphalerite.

Teori Sato dan Mooney mengasumsikan bahwa zona sulfida harus cukup

konduktif untuk memindahkan elektron dari kedalaman pada zona oksidasi

menuju ke permukaan. Kasus seperti sphalerite itu membingungkan, walaupun

spahlerite itu bertindak seperti semi konduktor dan pada banyak kejadian hal

tersebut dekat hubungannya dengan sulfide konduktif.

Laporan terbaru dari Roy (1984) dan Corry (1985) yang tidak menyetujui

hipotesa potensial mineral Sato dan Mooney (Telford, hal. 295). Keduanya hanya

memperlihatkan hasil lapangan yang mengindikasikan pengukuran potensial

sederhana ΔE. Tanpa borehole atau kawat penghubung elektroda permukaan, tak

akan terjadi aliran. Oleh sebab itu perlu adanya tambahan argument untuk

mekanisme ini dan merevisi versi Sato dan Mooney termasuk lamanya waktu

stabil pada sulfida dan iklim yang bervariasi, kurangnya bukti adanya kutub

positif di sekitarnya, ketiadaan anomali potensial diri di permukaan diatas

oksidasi mineral yang tinggi, adanya keganjilan permukaan yang besar, dan

kedalaman penetrasi yang besar (≥1 Km).

14

2.4 Pengukuran Metode Potensial Diri

Pengukuran self-potential sangatlah mudah. Dua porous pot elektroda

yang tidak berkutub dihubungkan pada mulitmeter dengan impedansi input lebih

besar dari 108 ohm dan mampu mengukur paling kecilnya 1 mV. Masing masing

elektroda dibuat dari elektroda tembaga yang dicelupkan pada larutan tembaga

sulfide yang dapat menyerap melalui porous base pada pot, agar dapat

mengalami hubungan listrik dengan tanah. Alternatif lainnya, dapat digunakan

elektroda seng yang mengandung sulfida seng atau perak pada perak klorida.

Gambar 2.4 Porous pot Reynolds.M.,John. An Introduction to Aplied and Enviromental Geophysics:

Spontaneous (Self-potential Method), hal.499

Ada dua teknik pengambilan atau pengukuran SP yakni metode gradien

potensial dan metode amplitudo potensial. Metode gradien potensial

menggunakan dua elektroda dengan berpindah-pindah pada jarak yang tetap,

sekitar 5m atau 10 m. Titik yang menjadi pengamatan adalah titik tengah diantara

15

kedua elektroda dengan satuan mV/m. Berbeda dengan metode pertama, metode

kedua yaitu metode amplitudo potensial dengan membiarkan satu elektroda tetap

di base pada tanah yang bukan mineral dan juga disertai dengan mengukur

perbedaan potensial (mV) dengan porous pot kedua berpindah pindah sepanjang

garis acuan pada jark yag tetap. Perlu untuk dicatat adalah temperatur elektrolit

pada pot yang bergerak agar tidak terlalu berbeda dari elektroda acuan. Koefesien

temperatur untuk tembaga tembaga sulfat sekitar 0,5 mV/oC (sekitar 0,25 mV/oC

untuk elektroda perak perak klorida, Reynold, hal 500).

Seperti yang telah disebutkan diatas, potensial diri mengandung komponen

alternatif yang tetap dan berubah-ubah. Potensial diri dapat memiliki frekuensi

sekitar 5-10 Hz yang disebabkan oleh efek moneter dan periode yang lama dan

mungkin juga mendapatkan amplitudo yang sama dengan potensial mineral.

Ketika signal ditampilkan, potensial mineral dapat dipecahkan dengan mengukur

sepanjang profil yang sama pada waktu dan hari yang berbeda. Gangguan listrik

dapat juga terjadi jika pengukuran dibuat segera setelah hujan berat atau lebih

dekat dengan permukaan air. Kedalaman maksimum sensitivitas dari metode SP

adalah sekitar 60-100 m, bergantung pada bijih mineral dan lapisan penutup

(overburden) alamiah.

Pengukuran potensial diri dapat juga dibuat diatas air untuk mengukur arus

potensial. Elektroda porous pot dimasukkan pada kontainer supaya dapat melalui

air tanpa menyebabkan kehilangan elektrolit yang dari elektroda tersebut. Metode

16

ini hanya dapat bekerja jika arus aliran yang kecil (lateral of vertical) dengan

water column (Ogilvy et al.1969, Reynold, hal.500), Amplitudo dari setiap

anomali SP yang diperoleh dengan water body yang bergaram (resistivitas 0,3 – 1

Ω m) cenderung mengecil.

2.5 Interpretasi anomali self potential

Anomali SP sering dinterpretasikan secara kualitatif melalui bentuk profil,

amplitudo, polaritas, dan pola kontur. Bagian atas dari bijih mineral diasumsikan

langsung berada dibawah posisi potensial minimum atau maksimum. Jika sumbu

polarisasi yaitu sumbu diantara katoda dan anoda pada bijih mineral adalah

miring/ lereng dari garis vertikal, bentuk profil akan menjadi asimetrik dengan

kemiringan yang curam dan juga positif mengikuti keduanya berada pada sisi

bawah

Kesulitan akan muncul ketika lebih dari dua sifat geologi memberikan

pengaruh besar pada anomali SP baik itu kenaikan atau penurunan yang saling

melapisi. Anomali melebihi graphitic phyllities memiliki karakter sebagian besar

(-740 mV) kurang dari mineral elektrokimia potensial. Anomali kedua (-650mV)

telah dihasilkan oleh elektrokinetik potensial yang berhubungan denan arus air

melalui permeabel yang terpisahkan oleh timbunan (conglomerates). Walaupun

demikian, jika ukuran yang sama terjadi berbeda dip (penukikannya), resultan

anomali dapat digunakan untuk memecahkan persoalan diantara keduanya.

17

Interperetasi selanjutnya adalah bagaimana memperkirakan bentuk dari

bijh besi dibandingkan dengan bentuk geometri yang telah kita ketahui biasanya

bentuk bola atau silinder dengan asumsi arah polarisasi tertentu. Pendekatan

langsung dilakukan dengan menghitung potensial listrik yang berkaitan dengan

model kemudian dibandingkan dengan anomali yang diamati. Dasar teori

interpretasi anomali SP secara kuantitaf pada bola yang berpolarisasi

disumbangkan oleh Petrovski (1928) dan dikembangkan oleh De Witte (1962)

diatas batangan oleh Stern (1945) dan diatas plat tipis oelh Meiser (1962). Bentuk

laind ari model dan metode revisi dari perhitungan telah dikembangkan oleh (e.g

Hongisto 1993). Metode selanjutnya disesuaikan sampai dua bentuk anomali

tersebut seusai dengan batas statistik yang telah ditentukan, metode ini bekerja

unutk data yang sangat terbatas, jika corak geologi yang ada menyebabkan SP

anomali takkan dapat menyesuaikan diri pada bentuk geometri yang diberikan,

akan terjadi masalah yaitu semakin rumitnya pengolahan secara matematik dan

juga metode numerik sehingga sangatlah diperlukan pengolahan datanya dengan

komputer (Fitterman 1979b, Telford, hal.502).

Pendekatan inversi digunakan untuk memanipulasi anomali observasi

untuk menghasilkan model. Model tersebut akan digunakan untuk memperkirakan

ukuran corak geologi, lebih detail pada investigasi geologis dan geofisika (Sill

1983, Telford, hal. 502). Pendekatannya adalah dengan mengasumsikan bahwa

corak geologi menyesuaikan diri dengan bentuk geometri yang diberikan. Untuk

kedalaman pada pusat anomali boleh diperkirakan dengan menggunakan teknik

18

half width. Kelemahan metode ini yaitu sering tidak akuratnya kemudian

pembatasan dari pendekatan yang terjadi bahwa lebar dari anomali mungkin lebih

bersifat mengindikasikan luasnya saja secara fisik bukannya kedalaman bentuk

bijih oleh sebab itu perkiraan kedalaman mungkin akan terjadi kesalahan

sebanyak banyaknya 100%.