## KARAKTERISASI PARAMETER FISIK BATUAN VULKANIK GUNUNG ARJUNO-WELIRANG, JAWA TIMUR

## Yulia Nur Fajrina
Jurusan Teknik Geofisika, FTSP Institut Teknologi Sepuluh Nopember e-mail: fajrina.yulia@gmail.com
Abstrak. Sebuah  kawasan  yang  memiliki  aktivitas  vulkanik,  mempunyai  potensi  sumber  daya  yang dapat  dimanfaatkan  sebagai  sumber  energi  panas  bumi  hingga  cadangan  hidrokarbon.  Namun eksplorasi untuk lingkungan vulkanik masih menjadi tantangan terutama untuk metode seismik.Tujuan dari penelitian ini ialah untuk mengkarakterisasi  fisik dan analisa hubungan antara parameter densitas, kecepatan  Vp,  atenuasi,  dan  resistivitas  pada  batuan  vulkanik  studi  kasus  Gunung  Arjuno-Welirang. Penelitian    diawali  dengan  pengambilan  sampel  di  lapangan  dan  pembuatan coring batuan  sehingga didapatkan  45 coring batuan,  dari  16  sampel  batuan,  yang  mewakili  6  satuan  batuan.  Kemudian dilakukan  pengukuran  parameter  resistivitas  dengan  metode  konfigurasi axial  resistivity ,  pengukuran densitas  dengan  prinsip  Archimedes,  dan  pengukuran  kecepatan  Vp  serta  atenuasi  dengan  transmisi gelombang  ultrasonik.  Maka  didapatkan  hasil  rentang  parameter  densitas  batuan  vulkanik  Arjuno- Welirang  berkisar  antar  2400  –  2900  kg/m 3 ,  sedangkan  rentang  resistivitas  bervariasi  dari  30-185 kOhm.m.  Kemudian  rentang  nilai  kecepatan  Vp  bervariasi  dari  5100-6700  m/s,  dengan    koefisien atenuasinya memiliki rentang  0.05–0.23x10 -3 dB/m, dimana nilai densitas akan berbanding lurus dengan kecepatan  Vp,  dan  nilai  resistivitas  akan  berbanding  terbalik  dengan  densitas-kecepatan  Vp. Berdasarkan  perbedaan  trend  dan  sebaran  data  pada crossplot ,  maka  batuan  vulkanik  sampel  dapat dikelompokkan  3  kategori  produk  batuan  vulkanik,  yakni  produk  kategori  lava,  piroklastik,  dan  lava vesikular.  Berdasarkan  analisa  petrolog,  batuan  vulkanik  Arjuno-Welirang  memiliki  tipe  intermediate- mafik  dengan  nama  batuan  dominasi  andesit-basaltik  dan  basalt.  Diharapkan  karakterisasi  ini  dapat menjadi referensi untuk memodelkan bawah permukaan dan membantu metode eksplorasi geofisika di lingkungan vulkanik.
Kata Kunci: atenuasi; batuan vulkanik; densitas; kecepatan Vp; resistivitas
Abstract. An area where has volcanic activity, have the potential of natural resources that can be utilized as  a  source  of  geothermal  energy  as  far  as  a  hydrocarbon  reserves.  However,  exploration  for  volcanic province is still a challenge for geophysicist, especially for seismic methods. The purpose of this study is to characterize  the  physical  and  analyze  the  relation  between  parameters  of  density,  velocity  Vp, attenuation, and resistivity in the volcanic rock for Mt. Arjuno-Welirang casr study. The study begins by field sampling and coring the rocks so it was gotten 45 coring rocks, from 16 rock samples, representing 6 lithologies, then measuring the parameters of  resistivity  with  the configuration method  axial  resistivity, density measurements by Archimedes principle, and measurement Velocity Vp and attenuation by using the ultrasonic  wave  transmission.  Then  the  results  obtained  that  parameter  ranges  of  Arjuno-Welirang density volcanic rocks are between 2400 - 2900 kg / m3, while the resistivity ranges varying from 30-185 kOhm.m,  then  the  range  of  values  velocity  Vp  are  5100-6700  m  /  s,  the  attenuation  coefficient  ranges 0.05-0.23x10-3dB / m. The density parameter proportional to velocity Vp, and the resistivity values will be inversely  proportional  to  the  density-velocity  Vp.  Based  on  the  differences  in  trends  and  distribution  of data on crossplot, volcanic rock samples can be grouped by  three categories of products of volcanic rock, the  product  of  lava,  pyroclastic  and  lava  vesicular.  Based  on  an  analysis  of  volcanic  rocks  petrology Arjuno-Welirang has a type of intermediate-mafic rock with the name of domination basaltic andesite and basalt.This  characterization  is  expected  to  be  a  reference  for  advancing  subsurface  modeling  and geophysical exploration method in volcanic province.
Keywords: attenuation; volcanic rock; density, resistivity; velocity Vp

## PENDAHULUAN
Letak Indonesia yang berada di kawasan Cincin Api Pasifik menyebabkan Indonesia memiliki banyak
gunung api yang aktif dan potensi gempa bumi yang cukup  tinggi.  Cincin  Api  Pasifik  adalah  sebuah
kawasan  aktif  dari  segi  tektonik  dan  vulkanik  yang
mengelilingi  Samudra  Pasifik. Di  Indonesia, sebaran gunung  aktif  dibagi  menjadi  empat  busur  gunung api,  yakni  Busur  Gunung  Api  Sunda,  Busur  Gunung Api Banda, Busur Gunung Api Halmahera, dan Busur Gunung  Api  Sulawesi  Utara-Kepulauan  Sangihe (Sutikno,  2002).  Sebuah  kawasan  yang  memiliki aktivitas vulkanik, mempunyai potensi sumber daya alam  yang  dapat  dimanfaatkan  sebagai  sumber energi  panas  bumi  hingga  cadangan  hidrokarbon. Sampai  saat  ini  karakterisasi  fisik  yang  berhasil dilakukan  oleh  metode  geofisika  untuk  lingkungan vulkanik hanya metode gravity ,
geolistrik, magnetik dan elektromagnetik. Sedangkan  metode  sesimik  yang  memanfaatkan kecepatan  gelombang  belum  mendapatkan  hasil eksplorasi yang baik. Tujuan dari penelitian ini ialah untuk mengkarakterisasi fisik dan analisa hubungan antara parameter densitas, kecepatan Vp, atenuasi, dan  resistivitas  pada  batuan  vulkanik  studi  kasus Gunung Arjuno-Welirang, serta menganalisa petrologi batuan vulkanik.

## Geologi Regional
Gambar 1.  Komponen Satuan Batuan dan Struktur Geologi Komplek Gunung Arjuno-Welirang.
Gunung Arjuno  –  Welirang secara administrasi terdapat  di  3  wilayah  kabupaten,  Kabupaten Malang,  Mojokerto,  dan  Pasuruan  dengan  letak geografis pucak terdapat pada 7 o 40' - 7 o 53' LS 112 o 31’7" - 112 o 42'52" dan memiliki ketinggian masing- masing,  G.  Arjuno  3339m  dpl.,  dan  G.  Welirang 3156m  dpl.  Kedua  gunung  api  ini  merupakan  tipe gunung  api  strato  tipe  A.  Batuan  penyusun kompleks gunung tersebut ialah andesit-basaltik.
G.  Arjuno-Welirang  dihasilkan  oleh  tiga  buah erupsi  pusat  (Gambar  1)  dari  G.  Arjuno  Tua,  G. Arjuno  Muda  dan  G.  Welirang  berupa  aliran  lava, aliran piroklastik, jatuhan piroklastik dan lahar yang sebarannya ke arah Utara dan Barat (Berita Berkala Vulkanologi, 1992).

## Karakter Fisik Batuan
 Densitas Batuan Vulkanik
Untuk mengetahui densitas bulk ada beberapa faktor  yang  mempengaruhi  nilainya  di  antaranya komposisi  mineral  (densitas  mineral  dan  fraksi volume); porositas (pori dan fracture ) dan porositas fluida  pori    batuan  (Schoen,  2011).  Untuk mendapatkan  nilai  densitas bulk batuan  digunakan persamaan di bawah ini:
(1)
dimana:
densitas mineral-mineral, densitas fluida fraksi volume
Densitas batuan  beku  sangat dipengaruhi  oleh kandungan  pH  mineralnya  (felsik  -  mafik).  Rentang nilai densitas antar batuan beku cenderung kecil jika dibandingkan  batuan  sedimen  (pengaruh volume fracture ),  namun  nilainya  lebih  tinggi  dibanding batuan sedimen.
 Kecepatan Vp Batuan Vulkanik
Velocity  Vp  ialah  kecepatan  gelombang kompresional yang mampu ditempuh suatu batuan. Kecepatan Vp memiliki hubungan  persamaan yang berbanding lurus dengan densitas. Menurut Mavko, 2009 persamaan  umum  densitas-kecepatan batuan beku  yang  sering  digunakan  di  antaranya
menggunakan  persamaan  Christensen  &  mooney (1995) dan Godfrey (1997):
(2)
(3)
dimana:
ρ  = Densitas Vp= Kecepatan Vp
 Atenuasi Gelombang Seismik Batuan Vulkanik
Atenuasi  ialah    gabungan  antara  pelepasan energi  dan  penyerapan  frekuensi  medium. Pengaruh  atenuasi  pada  gelombang  seismik  yakni dengan  penurunan  amplitudo  dan  melebarnya sinyal  (panjang  gelombang).  Koefisien  atenuasi batuan  beku  lebih  kecil  dibanding  batuan  lainnya ( high  attenuation ).  Koefisien  atenuasi  dan  faktor dispasi, dirumuskan dengan :
(4)
dimana:
= koefisien atenuasi (dalam dB m -1 )
= amplitudo pada jarak x 1 = amplitudo pada jarak x 2 x 1, x 2 = jarak (m)
 Resistivitas Batuan Vulkanik
Aliran  arus listrik  di  dalam  batuan dipengaruhi oleh  banyaknya  elektron  bebas.  Faktor  yang mempengaruhi nilai resistivitas batuan : kandungan air,  tekstur  batuan,  jenis  batuan,  porositas  dan permeabilitas,  mineral  lempung,  salinitas  (Schoen, 2011).

## METODOLOGI Tahapan Penelitian
Tahapan  metodologi  pada  penelitian  ini dimulai  dengan  studi  literatur  dan  tinjauan  geologi untuk  mempelajari  karakter  fisik  batuan  vulkanik, parameternya,  serta  kondisi  geologi  lapangan penelitian.  Kemudian  dilakukan  pengambilan sampel  di  lapangan  berupa  blok  batuan  dan hand sampling ,  serta  proses coring .  Dari coring yang
didapat,  dilakukan  berbagi  pengukuran  parameter fisik  batuan  dan  pendeskripsian  petrologi,  serta dianalisa  hubungan  antara  parameter  fisik  dan pengaruh petrologi batuan terhadap parameter fisik (Gambar 2).
Gambar 2.  Diagram Alir Penelitian.

## Data Penelitian
Penelitian  diawali dengan pengambilan sampel di  lapangan  (Gambar  3)  dan  pembuatan coring batuan  (Gambar  4)  sehingga  didapatkan  45 coring batuan,  dari  16  sampel  batuan,  yang  mewakili  6 satuan batuan. Enam satuan batuan tersebut, yakni Lava  Anjasmara  (Qla),  Lava  Tua  Arjuno  Welirang (Qltaw),  Aliran  Piroklastik  Tua  Arjuno  Welirang (Qaptaw), Lava Erupsi Samping (Qes) Lava Welirang I
(Qlw I), Aliran Piroklastik Welirang (Qapw).

## Metode Penelitian
Pengukuran  densitas  sampel coring batuan dilakukan dengan
menggunakan prinsip
Archimedes. Untuk melakukan pengukuran densitas dilakukan  dengan  mengambil  data  variabel  ukur massa  kering  (Mk),  berat  kering  (Wk),  berat  basah atau  berat  batuan  saat  batuan  tersaturasi  air  dan dibuat dalam keadaan melayang (Wsat).
Pengukuran  data  resistivitas  dilakukan  dengan menggunakan  alat  ukur  resistivity  meter  yang terhubung  dengan elektroda pada batuan. Elektroda  dibuat  dari  lempengan  tembaga  yang menyentuh langsung ke batuan, dimampatkan, dan dihubungkan  ke  resistivity  meter (Abousrafa,  2013) (Gambar  5a).  Variabel  yang  terukur pada  resistivity meter  ini  berupa  arus  injeksi  yang  mengalir  masuk ke  batuan  (Ampere)  dan  beda  potensial  di  kedua ujung batuan (Volt).
Pengukuran  parameter  Vp  dan  atenuasi menggunakan perangkat signal generator, tranducer , receiver ,  dan  osiloskop  (Gambar  5b). Kemudian  variabel  yang  diukur  pada  pengambilan data  kecepatan  Vp  ialah  waktu  tempuh  gelombang longitudinal dan dimensi panjang batuan. Pengukuran  atenuasi  dapat  dilakukan  dengan mengukur peak  to  peak  amplitude pada  suatu batuan dengan dimensi panjang x dan membandingkannya dengan variasi dimensi panjang yang berbeda, namun jenis batuan yang sama.
Gambar 4. Kumpulan Coring Sampel.
Tabel 1. Hubungan Parameter Fisik Batuan Vulkanik Kondisi Dry Rock. Hubungan Parameter Persamaan Keterangan Densitas – Kecepatan Vp Vp = 2.7778ρ - 1.5 Berbanding lurus Resistivitas – Kecepatan Vp Vp = 13328ρ -0.075 Berbanding terbalik Densitas – Resistivitas ρresist= 191.94x 3 - 1370.9x 2 + 3070.2x - 1988.1(x= densitas) Berbanding terbalik Densitas – Koefisien Atenuasi α= 0.2747ρ2 - 1.475ρ + 2.0928 Berbanding terbalik Kecepatan Vp – Koefisien Atenuasi α=  0.0266Vp2 - 0.3093Vp+ 1.0184 Berbanding terbalik Resistivitas – Koefisien Atenuasi α= 0.2747ρ 2 - 1.475ρ + 2.0928
Berbanding lurus

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Analisa Petrologi Batuan Vulkanik
Berdasarkan  analisa  petrologi  batuan  vulkanik Arjuno-Welirang  memiliki  tipe  intermediate-mafik dengan nama batuan dominasi andesit-basaltik dan basalt.  Disebut  tipe  intermediate  hingga  mafik, dikarenakan  komposisi  mineralnya  sebagian  besar sama seperti, kuarsa, plagioklas, piroksen, olivin dan amfibol.  Yang  membedakan  antar  satuan  batuan satu  dengan  satuan  batuan  lainnya  hanya  struktur dan  persantase  komposisi  dominan  mineral (Gambar 6).
Kemudian  berdasarkan  diagram  reaksi Bowen, dapat  diketahui  bahwa  satuan  batuan  yang  lebih mafik  pada  Qla,  dan  Qltaw  memiliki  lingkungan magma  dengan  temperature  yang  tinggi  pada  saat pembentukan kristalnya. Seperti mineral olivine dan piroksen  yang  terbentuk  pada  lingkungan  yang bertemperatur tinggi dibandingkan  dengan  mineral plagioklas  yang  terkristalilsasi  pada  lingkungan bertemperatur  rendah.  Sedangkan  untuk  satuan batuan  lainnya  memiliki  derajat  kristalisasi  dengan temperature  menengah  karena  memiliki  kristal- kristal yang intermediate.

## B. Analisa  Hubungan  Parameter  Fisik  Batuan Vulkanik
Berdasarkan  perbedaan  trend  dan  sebaran data  pada crossplot, maka  batuan  vulkanik  sampel dapat  dikelompokkan  3  kategori  produk  batuan vulkanik, yakni produk kategori lava, piroklastik, dan lava vesikular.
Berdasarkan hasil penelitian rentang parameter  densitas  batuan  vulkanik  Arjuno- Welirang  berkisar  antar  2400  –  2900  kg/m3, sedangkan  rentang  resistivitas  bervariasi  dari  30- 185 kOhm.m, kemudian rentang nilai kecepatan Vp bervariasi  dari  5100-6700  m/s,  dengan    koefisien atenuasinya memiliki rentang  0.05–0.23x10-3dB/m. Dimana  persamaan  hubungan  antar  parameternya di jelaskan pada Tabel 1.
Gambar 6. Hand Sampling Section pada 6 Satuan Batuan dengan Pembesaran 100x.
(b)
Gambar 5.  (a) Metode Pengukuran Resistivitas;
(b) Pengukuran Kecepatan Vp dan  Atenuasi pada Batuan.
(a)
Untuk  Gambar  7  analisa  3D crossplot parameter berdasarkan satuan batuan
menunjukkan  densitas-kecepatan  Vp  meningkat dari QlwI, Qes, Qla, Qltaw dengan rentang densitas 2.7 – 2.9 g/ cm 3 dan rentang kecepatan Vp 5.7 – 6.7 km/s.  Kemudian  resistivitasnya  menyebar  dari  50- 120  kOhm.m.  Kemudian  untuk  satuan  batuan Qaptaw  dan  Qapw,  nilai  densitas  dan  Vp  memiliki nilai  yang  lebih  kecil  dibandingkan  dengan  nilai satuan batuan lava, yakni memiliki rentang 2.4 – 2.5 g/  cm 3 untuk  densitas  dan  5.0  –  5.5  km/s  untuk kecepatan Vp.
Selanjutnya  untuk  Gambar  8,  3D Crossplot dianalisa  berdasarkan  3  kategori  produk  batuan vulkanik, produk lava, lava vesikuler, dan piroklastik. Untuk  kategori  produk  vulkanik  lava  ditunjukkan dengan  naiknya trend densitas  seiring  dengan naiknya  kecepatan  Vp,  kemudian  resistivitasnya menyebar  dari  50-120  kOhm.m. Trendline kategori lava  ini  diinterpretasikan  bahwa  lava  yang diindikasikan  lebih  mafik  dan  rapat  porositasnya, sehingga menghasilkan nilai densitas dan kecepatan Vp yang tinggi. Kemudian untuk kategori piroklastik dan  lava  vesikuler,  densitas  dan  kecepatan  Vp cenderung  lebih  kecil  dari  kategori  batuan  lava, namun  memiliki  resistivitas  yang  jauh  lebih  tinggi dibandingkan dengan lava.
Sehingga  dapat  digaris  bawahi  bahwa  pada batuan  vulkanik  dengan  kondisi dry  rocks jenis semua  kategori,  lava,  lava  vesikuler,  maupun piroklastik,  kecepatan  Vp  akan  berbanding  lurus dengan densitas, atau dapat didefinisikan kecepatan Vp  akan  naik  seiring  dengan  naiknya  densitas. Sedangkan  resistivitas  akan  berbading  terbalik dengan  densitas-kecepatan  Vp,  atau  dapat didefinisikan resistivitas  akan semakin naik nilainya, apabila  nilai  densitas-kecepatan  Vp  semakin  turun nilainya  (Tabel  1).  Berbeda  dengan  persamaan Archie dimana resistivitas diukur pada batuan yang tersaturasi,  pada  kondisi dry  rock atau  pada  saat batuan  kering,    resistivitas  batuan  yang  memiliki pori  seperti  pada  kasus  piroklastik  (Gambar  9)  dan lava  vesikuler,  lebih  akan  memiliki  nilai  resistivitas yang  tinggi  akibat  perantara  antar  kontak mineralnya  tidak  serapat  dengan  kontak  mineral pada batuan vulkanik produk lava, sehingga batuan ini  tidak  konduktif  dibandingkan  kategori  lava  yang memiliki  sedikit  pori.  Namun  apabila  batuan  ini terisi  fluida,  maka  batuan  berporositas  (piroklastik, lava  vesikuler)  ini  akan  jauh  lebih  konduktif dibandingkan  kategori  produk  lava,  karena  fluida menjadi  konduktor  yang sangat  baik  pada  tiap  pori batuan ini.
Gambar 8.  3D Crossplot Densitas (gram/cm 3 ) -Kecepatan Vp (km/s) –Resistivitas (kOhm.m) Batuan Vulkanik Berdasarkan 3 Kategori Produk Batuan Vulkanik.
Gambar 7. 3D Crossplot Densitas (gram/cm 3 ) -Kecepatan Vp (km/s) –Resistivitas (kOhm.m) Batuan Vulkanik Berdasarkan Satuan Batuan.

## PENUTUP Simpulan
Dari  penelitian  yang  sudah  dilakukan  dapat diambill kesimpulan bahwa :
1. Rentang  parameter  batuan  vulkanik dry  rocks memiliki  nilai  densitas,  kecepatan  Vp,  faktor atenuasi, dan resistivitas yang tinggi dibandingkan  dengan  batuan  kelompok  lain seperti batuan sedimen.
2. Dari  hasil  pengukuran  dan  analisa  pada  batuan vulkanik dry  rocks ,  nilai  densitas  akan berbanding lurus dengan kecepatan Vp, dan nilai resistivitas  akan  berbanding  terbalik  dengan densitas-kecepatan Vp.
3. Dari  6  satuan  batuan  yang  diambil  yang  telah dianalisa hubungan setiap parameternya, berdasarkan  perbedaan  trend dan  sebaran  data pada crossplot, maka  batuan  vulkanik  sampel dapat  dikelompokkan  3  kategori  produk  batuan vulkanik, yakni produk kategori lava, piroklastik, dan lava vesikular.
4. Tipe  batuan  vulkanik  Gunung  Arjuno-Welirang merupakan  tipe  intermediate  hingga  mafik, dengan  dominasi  batuan  andesit-basaltik  dan basalt.
5. Karena  hasil  parameter  fisik  (densitas,  Vp, atenuasi, dan resistivitas) batuan vulkanik sangat dipengaruhi  oleh  faktor  mineral,  tekstur  dan struktur  batuannya,  maka  deskirpsi  petrologi dapat  membantu  proses  interpretasi  hasil pengukuran dan analisa setiap parameter.

## Saran
Saran dari penelitian ini adalah :
1. Pada  penelitian  ini  dari  1  satuan  batuan  telah diambil  3-5  sampel,  dengan  pengambilan  data sampel  yang  lebih  banyak  10-15  sampel  batuan per  satuan  batuan  dapat  menunjang  akurasi data.  Karena  penelitian  ini  fokus  pada  6  satuan batuan  yang  dominan  dari  15  satuan  batuan lainnya,  maka  pengambilan  sampel  pada  9 satuan  batuan  lainnya  perlu  dilakukan  untuk melengkapi  data  fisika  batuan  keseluruhan Komplek Gunung Arjuno-Welirang.
2. Karena pengukuran penelitian ini dilakukan pada kondisi dry  rocks dengan  batasan    batuan pemukaan,  untuk  penelitian  lanjutan  dapat disarankan  untuk  penambahan  faktor  variabel pengkondisian  sampel  seperti  temperatur, tekanan, dan fracture .
3. Database yang  terkumpul  pada  laporan penelitian  tugas  akhir  ini  dapat  digunakan sebagai  referensi  parameter  input forward modeling pada  perencanaan  desain  akusisi  dan processing serta  parameter  evaluasi  interpretasi pada  inversi modeling berbagai  metode geofisika,  terutama  metode  seismik, gravity , resistivity ,  dan  elektromagnetik  untuk  kondisi lingkungan vulkanik .

## DAFTAR PUSTAKA
Abousrafa, E.M., Somerville, J.M., Hamilton, S.A. Holden, P.W.,  2013. A  Laboratory  Measurement  Technique for  Axial  and  Radial  Resistivity  at  Ambient  or Reservoir  Stress  State  Conditions. Institute  of Petroleum  Engineering,  Heriot-Watt  University, Edinburgh E, UK.
Berita Berkala Vulkanologi, 1992. Edisi Khusus, G. Arjuno- Welirang.
Christensen,  N.I.  dan  Mooney,  W.D.,  1995. Seismic Velocity  Structure  and  Composition  of  The Continental  Crust:  A  Global View .  J.  Geophys.  Res., 100, 9761–9788.
Mavko, G., Mukerji T., Dvorkin J., 2009. The Rock Physics Handbook  :  Tools  for  Seismic  Analysis  of  Porous Media . Cambridge University Press, New York.
Gambar 9.  Lubang-lubang Gas Pori Batuan pada Satuan Batuan Piroklastik Qapw yang Terisi Tuff Halus Kecoklatan.
Schoen,  J.  H.,  2011. Handbook  of  Petroleum  Exploration and  Production .  Volume  8  :  Physical  Properties  of Rocks, Oxford UK, Elsevier.
Sutikno,  Bronto.,  2002. Volkanologi .  Staf  Pengajar  pada Jurusan  Teknik  Geologi  Sekolah  Tinggi  Teknologi Nasional Yogyakarta.
-------------------