Geophone – Bagaimana Kita Mendengarkan Bumi

Geofon adalah alat dasar para geosains yang ingin melihat (atau, lebih tepatnya, mendengar) apa yang terjadi di bawah tanah. Seperti stetoskop, geofon mendengarkan ketukan dan getaran dari jantung bumi.

Getaran tersebut dapat berasal dari berbagai sumber: kendaraan yang berguncang di jalan, pohon yang bergoyang karena angin sehingga akarnya mengangkat tanah, ledakan pertambangan, dan tentu saja gempa bumi.

Bagaimana Cara Kerja Geofon?

Geofon bekerja dengan menggunakan gulungan kawat yang dililitkan di sekeliling massa, yang digantung oleh pegas di atas magnet. Saat massa bergerak, magnet menggerakkan elektron melalui gulungan kawat yang menghasilkan sinyal listrik (tegangan). Seismograf merekam sinyal tegangan ini. Seismograf adalah jenis khusus pencatat data tegangan yang secara akurat mengukur sinyal listrik yang sangat kecil dan sangat besar. Hasilnya, ahli geosains memperoleh tampilan gerakan tanah beresolusi tinggi .

Istilah “geofon” biasanya digunakan untuk menggambarkan jenis sensor getaran frekuensi tinggi yang murni mekanis. Sensor ini tidak memerlukan daya listrik untuk beroperasi dan karenanya disebut juga sebagai sensor “pasif”. Seismometer dan akselerometer “aktif” modern menggunakan sirkuit elektronik untuk meningkatkan sensitivitas pada frekuensi tertentu.

Bahasa Indonesia: Jika Anda menggerakkan geofon pada kecepatan 10mm per detik, ia akan menghasilkan voltase yang sama apakah Anda menggoyangkannya 5 kali per detik (5Hz) atau pada 100Hz. Ini dikenal sebagai “respons linier” geofon. Pita frekuensi sensor adalah tempat amplitudo voltase berada dalam 50% dari respons linier. Dalam contoh, jika Anda menggoyangkan sensor pada 10mm/s tetapi output terbaca kurang dari 5mm/s, maka frekuensi yang Anda uji berada di luar amplop kinerja sensor. Batas frekuensi yang lebih rendah sering kali mendefinisikan geofon. Misalnya, geofon 4,5Hz akan mengeluarkan kurang dari 50% voltase yang benar saat digoyang lebih lambat dari 4,5Hz. Perhatikan bahwa perbedaan ±50% dalam amplitudo setara dengan perbedaan magnitudo gempa bumi sebesar ±0,3 unit.

Ukuran (dan Seis) Itu Penting

Massa yang kecil secara fisik dan pegas yang kaku pada geofon akan memungkinkannya bergetar dengan sangat cepat. Saat Anda meningkatkan massa dan melembutkan pegas, Anda dapat meningkatkan sensitivitas geofon terhadap frekuensi rendah. Namun, hal ini mengurangi sensitivitas geofon terhadap gerakan cepat, dan meningkatkan sensitivitas terhadap kemiringan. Hal ini disebabkan oleh gravitasi yang mulai memengaruhi massa dan pegas. Misalnya, geofon 14 Hz memiliki pegas yang cukup kaku sehingga geofon akan menghasilkan respons linier terlepas dari orientasi sensor. Namun, sensor 4,5 Hz harus dibuat untuk orientasi vertikal atau horizontal dan dipasang dalam orientasi ini dengan sedikit atau tanpa kemiringan.

Saat Anda meningkatkan sensitivitas frekuensi rendah geofon, ukuran fisik perangkat dan biayanya meningkat secara eksponensial. Geofon 2 Hz memiliki volume sekitar 6 kali lebih besar dari geofon 4,5 Hz dan biayanya sekitar 10 kali lebih mahal. Massa di dalam geofon 1 Hz hampir 100 kali lebih besar daripada massa di sensor 4,5 Hz, dan biayanya juga hampir 100 kali lebih mahal.

Massa, kumparan, dan magnet yang lebih besar juga menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi. Jadi, jika sensor kecil mungkin hanya mengeluarkan kecepatan 20 V/m/s, sensor yang lebih besar mungkin mengeluarkan kecepatan 200 V/m/s atau lebih.

Pemilihan geofon bergantung pada rentang frekuensi getaran yang ingin dipantau. Untuk sebagian besar getaran jarak dekat akibat konstruksi atau pembongkaran atau peledakan di dekat lapangan, Anda dapat menggunakan geofon frekuensi tinggi berukuran kecil. Sensor geofon yang ditempatkan beberapa kilometer dari sumber getaran hanya akan mendeteksi gelombang energi frekuensi rendah karena bumi menyerap sebagian besar energi frekuensi tinggi. Dalam kasus ini, geofon 1-2 Hz yang lebih sensitif akan berfungsi paling baik.

Bagaimana Geofon Digunakan?

Geofon frekuensi tinggi berukuran kecil sering digunakan untuk “eksplorasi seismik”. Untuk ini, puluhan atau ratusan geofon disusun dalam bentuk garis atau susunan. Susunan tersebut akan mendeteksi gelombang energi dari sumber tumbukan di dekatnya. Gelombang energi bergerak dari sumber ke geofon penerima, dan melalui analisis data, ia mengungkap struktur di dalam bumi. Analisis ini dapat menentukan sumber potensial minyak atau gas untuk produksi energi, atau digunakan untuk menentukan sifat kecepatan lapisan permukaan tempat suatu struktur dapat dibangun. Sensor ini dapat mendeteksi frekuensi hingga beberapa ribu Hertz.

Geofon 2Hz digunakan oleh observatorium gempa bumi lokal dan otoritas pemantauan kepatuhan. Mereka menggunakan serangkaian geofon 3D (berorientasi Utara-Selatan, Timur-Barat, dan Atas-Bawah) untuk merekam gerakan tanah dari aktivitas peledakan dan gempa bumi di dekatnya. Peristiwa ini biasanya terjadi dalam jarak puluhan hingga ratusan kilometer dari lokasi pemantauan.

Geofon 1Hz kurang umum saat ini karena seismometer aktif modern jauh lebih kecil, lebih murah, dan lebih sensitif untuk mendeteksi osilasi tanah yang lambat. Daripada hanya mendeteksi 1 siklus per detik (1Hz), seismometer dapat merekam gerakan selambat 1 siklus setiap 10 detik (0,1Hz) atau 360 detik (0,003Hz), hingga 50-150Hz. Untuk penelitian gempa bumi, seismometer seperti itu ideal karena 0,01-50Hz umumnya mencakup pita frekuensi energi gempa bumi.