3DInversiMagnetotelurik,StudiLapanganGeothermal

Lahendong

ProgressResearch

ImamBRaharjoPhilEWannamaker

DavidPTimiselaAnitaFArumsari

Preparedforthe33thHAGIAnnualMeeting,2008

3DInversiMagnetotelurik,StudiLapanganGeothermalLahendong(ProgressResearch)ImamBRaharjo*,PEWannamaker**,DPTimisela+,AFArumsari+*Dept.ofG&G,Univ.ofUtah,SLC.,USA.,imam.raharjo@utah.edu,www.magnetotelluric.com**EnergyandGeoscienceInstitute,Univ.ofUtah,SLC.,USA+PertaminaGeothermalEnergy,JKT.,ID.,dptimisela@pgeindonesia.com,anitafsa@pgeindonesia.com

0.Abstrak

Prospek geothermal Lahendong terletak di lengan utara pulau Sulawesi, yang sangat ideal untuk pembentukan sistem geothermal andesitik. Sistem geothermal tersebut berupa dua-fasa sampai liquid dominated, dengan ekspresi manifestasi thermal asam, seperti mudpool, fumaroles, dan Danau Linau. Temperature sistem dari pemboran adalah 280-320 derajat Celcius, dengan cadangan terbukti 100 megawatt, dan pada saat ini sudah terpasang PLTP berkapasitas 2x20MW. Pada studi ini, struktur resistivity sistem panasbumi Lahendong, dipetakan dengan mempergunakan metoda 3-D inversi. Metoda yang dipergunakan adalah 3-D finite difference, dengan grid berukuran 115x91x40 nodal pada arah xyz, dengan inversi domain berukuran 31x25x25. Inversi tersebut mempergunakan algoritma Gauss-Newton, dengan regularisasi berupa ketaatan kepada apriori model, dengan smoothing/ roughness yang diikat kepada curvature. Data yang diinversi berupa tensor MT yang diukur pada tahun 2005 sebanyak 39 stasiun dengan pilihan frekuensi 32 sampai 0.056 hertz, 12 frekuensi per dekake. RMS final yang diperoleh adalah tiga dengan starting misfit 15. Hasil 3-D inversi tersebut menunjukkan struktur subsurface dome shape dengan harga tahanan jenis 20-60 ohm.m yang dibungkus oleh lapisan konduktif (35 MW) menembus dome tersebut pada koordinat bawah permukaan yang tepat. Inversi data 3-D MT pada studi ini dapat memberikan gambaran sistem geothermal dengan fokus yang lebih tajam, yang sudah dibuktikan dengan pemboran sumur-sumur dalam.

1.Pengantar

Magnetotelurik (MT) merupakan gelombang elektromagnetik (EM) yang bersumber di ionosphere/ magnetosphere. Gelombang ini dapat dimanfaatkan untuk menginvestigasi struktur resistivity bumi. Dengan berkembangnya teknologi komputasi, teknik ini menjadi popular dan menjadi lebih achievable. Saat ini pemodelan 2-D sudah sangat umum, sedangkan pemodelan 3-D mulai memasuki tahap yang menggembirakan. Paper ini merupakan progress work dari serangkaian integrated study di lapangan Lahendong dan merupakan impelementasi dari metoda 3-D MT untuk memperoleh gambaran struktur resistivity dari bawah permukaan. Hasil yang diperoleh kemudian diuji dengan data bawah permukaan sebagai bahan validasi.

2.LapanganpanasbumiLahendong

Gambaran geologi umum daerah Lahendong dimulai oleh Effendi pada tahun 1976. Ganda, S. & Sunaryo, D., 1982, kemudian melakukan pemetaan geologi secara lebih detil yang dilengkapi dengan dokumentasi alterasi. Robert. D., 1987 melengkapi kajian kebumian Lahendong dengan fokus pada interpretasi foto-udara. Siahaan (2006) kemudian melakukan update dokumentasi ekspresi thermal di daerah Lahendong yang berbasis kepada GIS. Secara ringkas, geologi daerah Lahendong dan sekitarnya disajikan dalam paragraf berikut.

Kaldera besar Tondano merupakan struktur yang dominan, sehingga studi formasi batuan di daerah tersebut dikelompokkan dalam produk volkanik Prakaldera dan Postkaldera Tondano. Beberapa pusat erupsi paska kaldera kemudian terbentuk di dalam depresi Tondano. Salah satu struktur depresi yang penting adalah depresi Pangolombian yang bertindak sebagai host dari Lapangan Panasbumi Lahendong. Di dalam depresi Pangolombian dijumpai sejumlah aktivitas erupsi baru, antar lain G. Lengkoan, G. Kasuratan, G. Tampusu dan D. Linau yang merupakan produk dari erupsi preatik. Produk dari pusat-pusat erupsi tersebut merupakan penyusun utama litologi daerah Lahendong dan sekitarnya. Kelompok Pra depresi Pangolombian terutama tersusun oleh basaltic andesit, dengan pelamparan di sebelah utara dan selatan dari daerah depresi. Adapun batuan penyusun Paska Pangolombian tersusun oleh, diurutkan dari paling tua: (1) Lava andesit basaltik dari G.Kasuratan, tersingkap di daerah selatan Danau Linau; (2) Lava andesit basaltik dan endapan piroklastik G.Tampusu, tersingkap di sisi timur depresi Pangalombian; (3) Lava andesit basaltik, obsidian, dan tuff dari G.Lengkoan, tersingkap di sebelah barat dari depresi Pangalombian; (4) Hydrothermal breccias produk erupsi Danau Linau yang terdeposisi di sekitar struktur rim Linau. Fragmen batuan yang terperangkap di dalam hydrothermal breccias tersebut meliputi basalt, andesit, and pumis dengan variasi intensitas alterasi. Gambar 1 menunjukkan situasi daerah Lahendong dan sekitarnya.

Manifestasi panasbumi di daerah Lahendong diekspresikan oleh singkapan aktif batuan alterasi, mata air panas, solfatar, fumaroles, steaming ground, mudpool dan hydrothermal eruption vent D. Linau (Gambar 2). Di beberapa tempat, temperatur dari manifestasi tersebut menunjukkan kondisi superheated (di atas boiling point tekanan udara luar). Struktur geologi memegang peran vital dalam kontribusi permeabilitas di reservoir dan kemunculan di permukaan dari ekspresi thermal tersebut. Dari hasil pemboran sumur-sumur di lapangan Lahendong, diperoleh temperatur sistem sebesar ~ 280-320 derajat Celcius, dengan cadangan terbukti 100 megawatt, dan pada saat ini sudah terpasang PLTP berkapasitas 2x20 MW. Di bagian utara (cluster LHD-5), system berupa liquid dominated, kemudian secara gradual menjadi 2-fasa di sebelah selatan (cluster LHD-4) dengan suhu yang lebih tinggi. Dari Gambar 1 tampak dijumpai dispersi warna di air danau Linau yang menunjukkan disolusi asam dari fumaroles di sebelah tepi barat.

3.MetodaMT

Investigasi dengan elektromagnetik didasarkan kepada persamaan Maxwell yang menyatakan hubungan antara medan listrik dan magnet. Di dalam magnetotelurik medan elektrik E dan medan magnetik H yang berasal dari magnetosphere/ ionosphere diakuisisi dalam time series yang kemudian ditransformasikan dalam domain frekuensi dengan Transformasi Fourier. Medan

listrik diukur dengan dua pasang porouspot yang saling tegak lurus (Gambar 3), sedangkan medan magnetik diukur dengan dua buah coil yang saling tegak lurus. Keempat sensor tersebut diletakkan horizontal untuk menangkap plane wave EM yang merambat secara tegak lurus ke permukaan bumi. Kedua medan tersebut mengandung informasi tensor impedansi bawah permukaan, Z:

E = Z H. (1)

Secara umum data yang sudah terproses menghasilkan empat set kurva tahanan jenis semu, xx, xy, yx, dan yy serta fase dari masing-masing set sebagai fungsi perioda T. Besaran yang lazim ditampilkan adalah xy, yx, xy, dan yx yang diperoleh dari: xx = 1/ (i o) |Zxx|2 , (2) xy = 1/ (i o) |Zxy|2 , (3) yx = 1/ (i o) |Zyx|2 , (4) yy = 1/ (i o) |Zyy|2 . (5) Adapun fase masing masing set merupakan tangent dari argumen Z. Karena MT merupakan gelombang EM yang berfrekuensi rendah, gelombang MT mempunyai sifat difusif (ref. persamaan telegrapher). Sifat ini membatasi resolusi model yang cenderung semakin kasar sebagai fungsi kedalaman/ frekuensi. Dalam lingkungan geologi 1-D berlaku Zxx = Zyy = 0, Zxy = - Zyx 0, yang membuat analisa data MT menjadi mudah. Adapun dalam lingkungan 2-D dipunyai tensor : Zxx = Zyy = 0, Zxy Zyx 0. Dalam tatanan geologi yang lebih rumit, keempat elemen tensor Z masing masing tidak sama. Andre Tikhonov (USSR) dan Louis Cagniard (France) merupakan pelopor metoda MT pada awal tahun 1950an.

4.Inversi3DMT

Sejumlah 35 tensor dipergunakan untuk riset/ analisis inversi 3-D, dengan spasi antar stasiun antara 1-2.5 km. Data tensor tersebut telah dikoreksi dengan TDEM. Program inversi yang dipergunakan adalah finite difference, dengan algoritma Gauss-Newton Sasaki (2004, Earth Planets Space) yang diperoleh melalui cooperative agreement. Ukuran dari grid adalah 115x91x40 nodal di dalam arah x-y-z. Adapun domain dari inversi adalah 31x25x25 (Gambar 4). Ukuran lateral sel di daerah interest adalah 150 meter, adapun ukuran vertikal berkembang sebagai fungsi kedalaman, dimulai dari 50an, 100an, 200an dan 300an meter di kedalaman target.

Selama berlangsung proses inversi, algoritma program didesain untuk memodifikasi/ mengupdate parameter step solusi, beserta dekomposisi Cholesky. Selain hal tersebut, regularisasi juga dilakukan terhadap parameter pembobotan untuk smoothing. Regularisasi tersebut berdasarkan ketaatan kepada apriori model, damping curvature, dan pembobotan vertikal sebagai fungsi kedalaman. Sel-sel pada level dangkal mempunyai parameter inversi smooth, kemudian direlaksasi ke arah batas bawah pada model di bagian lebih dalam. Pendekatan ini senada dengan pengaruh relatif dari individual parameter terhadap output/ respon. Untuk memperoleh proses inversi yang efisien, dilakukan penyederhanaan data menjadi

12 frekuensi per siklus dari 32 sampai 0.056 Hz yang berbasis kepada metoda Gauss. Penyederhanaan ini dipandang cukup untuk mewakili spektrum variasi frekuensi pada data dan menyediakan kisaran sensitivitas kedalaman bervariasi dari ~100 m sampai 5 km. Sebagai catatan, rasio ukuran sel juga berpengaruh terhadap kestabilan respon output.

Kualitas data yang dipergunakan dalam inversi ini secara umum sangat bagus untuk frekuensi sampai 0.1 Hz. Pada beberapa stasiun, mulai dijumpai error di sekitar frekuensi tersebut. Walaupun demikian, keberadaan error tersebut tidak begitu mengganggu untuk investigasi struktur resistivity di dalam cakupan kedalaman eksplorasi geothermal. Batas bawah error dalam inversi ini adalah setara ~2 % untuk tahanan jenis semu dan ~1-1,5 derajat pada fase, baik untuk mode rhoxy maupun rhoyx. Konvergensi inversi secara umum langsung diperoleh hanya dalam 6 iterasi. Konvergensi tersebut berawal dari misfit (normalized) ~15 dan berakhir di ~3. Pada kondisi data Gaussian yang ideal, umumnya tidak dijumpai kesulitan untuk mencapai RMS inversi ~1. Pada dataset Lahendong, error pada data sedikit lebih besar dari pada nominal error bars yang ditabulasi dalam original EDI files. Hal ini merupakan tipikal kondisi riil, walaupun pada data yang berkualitas tinggi sekalipun. Contoh data terkalkukasi dan terukur disajikan dalam Gambar 5, yaitu berupa berupa rhoxy, rhoyx, phasexy dan phaseyx, pada frekuensi 1 hertz (ref. persamaan 3 dan 4). Dari gambar tersebut, dapat diverifikasi bahwa terdapat good fit antara respon terukur dengan respon terkalkulasi.

Sebelum dilakukan inversi, distorsi statis pada tensor, MT telah dikoreksi dengan mempergunakan data TDEM. Walaupun demikian, secara parsial masih dijumpai fenomena bahwa struktur pada kedalaman dangkal sampai menengah (200-1000 m) agak menyimpang dari koreksi TDEM, atau masih menunjukkan parsial distorsi statis. Pada riset ini, dilakukan inversi baik pada model dengan implementasi static shift dan tanpa implementasi static shift. Hasil akhir menunjukkan kemiripan struktur tahanan jenis kedua model. Pada paper ini, disajikan model dengan implementasi static shift.

5.DirectInterpretation

Hasil inversi 3-D daerah Lahendong, menunjukkan keberadaan updome struktur resistivity di dalam prospek Lahendong, dengan upflow menunjuk ke arah Danau Linau. Updome tersebut berupa koleksi blok yang mempunyai harga resistivity bervariasi dari 20-60 ohm.m, dan dibungkus oleh lapisan konduktor (

di daerah Lahendong mengklarifikasi keberadaan zona acid shallow tersebut. Pada layer kedua, pada kedalaman 0.6-0.8 km, dijumpai kelompok blok yang berwarna biru muda yang dikelilingi oleh blok berwarna merah. Konfigurasi tersebut mencerminkan area dengan resistivity 20-60 ohm.m yang dibungkus oleh blok-blok berharga ratusan ohm.m), demikian juga dengan tight breccias. Infiltrasi dari air panas/ hydrothermal merubah komposisi mineral yang semula stabil pada suhu pembentukan lava yang sangat tinggi, misal: andesine, pyroxene, hornblende menjadi mineral-mineral baru yang stabil pada suhu hydrothermal. Mineral yang umum dijumpai pada blok propilitik bertemperatur >240 derajat Celcius antara lain illite, wairakite, epidote, adularia, kwarsa. Pada suhu sekitar 300 derajat Celcius dapat dijumpai wollastonite dan garnet. Propilitik blok merupakan zona dengan komposisi mineral dan fluid yang aman untuk dieksploitasi. Fluid dalam propilitik dapat berupa air klorida, campuran air, dan uap, atau dominan uap, dengan pH yang relatif netral (kadang sedikit asam, karena pengaruh descending acid sulfat waters dari zona shallow).

Sumur LHD-23 merupakan sumur dengan kapasitas >35 MW di daerah lahendong, dan ditunjukkan dalam Gambar 7 sebagai kurva yang menembus zona propilitik MT. Sumur tersebut merupakan sumur berarah dengan total kedalaman 2000 m. Lapisan argilik (konduktor) dengan intensitas alterasi 50-60 persen dijumpai pada medium depth (s/d ~1100 m). Litologi pada interval tersebut didominasi oleh alterasi breksi tufa dan alterasi andesit breksi. Kemunculan epidot dimulai pada kedalaman ~1240 m, yang diikuti dengan partial loss ~1360 m. Total loss dijumpai mulai kedalaman ~1700 m sampai dengan total kedalaman. Uji produksi LHD-23 menunjukkan potensi >35 MW, dan merupakan sumur geothermal terbesar di daerah operasi sendiri Pertamina. Dari pandangan struktur resistivity bawah permukaan, sumur LHD-23 terletak pada blok yang tepat, pada koordinat target yang tepat. Sumur-sumur LHD yang terletak di sebelah selatan pada kedalaman ini tampak menembus daerah tepi dari interesting blocks, sehingga diperlukan manuver lebih dalam untuk menembus propilitik dome.

6.Kesimpulan

Prospek geothermal Lahendong terletak di lengan utara pulau Sulawesi, yang sangat ideal untuk pembentukan sistem geothermal andesitik. Sistem geothermal tersebut berupa dua-fasa sampai liquid dominated, dengan ekspresi manifestasi thermal asam, seperti mudpool dan fumaroles. Hasil 3-D MT inversi prospek Lahendong menunjukkan keberadaan updome resistivity structure, dengan upflow utama menunjuk kepada Danau Linau. Struktur ini ditunjukkan oleh konfigurasi blok-blok dengan resistivity 20-60 ohm.m yang dibungkus oleh blok-blok konduktor (

interpretasi blok propilitik pada kedalaman 1.5 km adalah sekitar 3x4 km2, dan masih berkembang ke arah selatan dan barat laut sebagai fungsi dari kedalaman. Sumur LHD-23, berkapasitas >35 MW, menembus blok tersebut, dan menjumpai mineral kunci zona propilitik: epidote. Hasil inversi ini memberikan gambaran yang lebih baik mengenai struktur resistivity prospek Lahendong. Untuk penyempurnaan model, diusulkan untuk dilakukan penambahan stasiun MT di daerah utara dan timur, mengupdate model dengan ukuran grid yang lebih halus, dan melibatkan topografi.

Acknowledgement Dr. Yutaka Sasaki for providing the 3-D codes through Dr. Phil Wannamaker. PT Pertamina (Persero) BODs and PT PGE BODs for providing the funding for the PhD research of the author at the University of Utah, SLC, USA. Panitia Pertemuan Ilmiah Tahunan 33 HAGI 2008.

7.Referensi

Daftar Pusaka Ganda, S., 1987, The Filling Minerals In Hydrothermal System Of Lahendong, North Sulawesi,

Indonesia, Proc. 9th NZ Geothermal Workshop, New Zealand. Raharjo, IB & Wannamaker, P.E, 2008, 3-D MT Inversion Lahendong Case (progress work),

slide shows, WPRB/INAGA Geothermal Workshop Bali. Sasaki, Y, 2004, Three-dimensional inversion of static shifted magnetotelluric data, Earth

Planets Space, 56, 239-248. Wannamaker, P.E., 1987, Stodt., J.A., and Rijo, L., A stable finite element solution for two-

dimensional magnetotelluric modeling, Geophy, J. Roy., Astr. Soc.. Zhdanov, M.S., Keller., G.V., 1994, The Geoelectrical Methods in Geophysical exploration,

Elsevier. Zhdanov, M.S., 2002, Geophysical Inverse Theory and Regularization Problem, Elsevier.

Laporan internal dan paper-paper dalam persiapan publikasi: Ganda, S. dan Sunaryo, D., 1982, Laporan Pendahuluan Geologi Daerah Minahasa, Sulawesi

Utara, Laporan intern PERTAMINA, Jakarta. Robert, D., 1987, Geological Model Of Lahendong Geothermal Field: A Guide For The

Development Of This Field, BEICIP/GEOSERVICES, Report for Divisi Panasbumi PERTAMINA, Jakarta.

Siahaan, E.E, Thamrin. M.H, Silaban, M, Kustono, H, 2006 Update on Thermal Manifestation Documentation in Lahendong, Pertamina Geothermal, Jakarta.

Pertamina Geothermal, ----, Reports on subsurface downhole measurement and production tests, Jakarta.

Websites: www.pertamina.com, www.pgeindonesia.com www.magnetotelluric.com

Gambar 1. Google view dan model terrain daerah Lahendong. Hydrothermal vent D. Linau ditunjukkan oleh danau berwarna hijau/ biru. Posisi vent terletak pada tepi rim Pangalombian (image from Google). Puncak-puncak topografi menunjukkan Lengkoan, Kasuratan, dan Tampusu.

Gambar 2. Panel kiri bawah: Superheated fumarole berasosiasi dengan residu silika di lereng barat D. Linau. Panel kiri atas: altered ground di sebelah utara Danau Linau berasosiasi dengan mudpool. Endapan berwarna abu-abu merupakan produk ejecta dari aktifitas mudpot. Peta dalam WGS84 zone 51N.

Gambar 3. Lay out pengukuran MT di lapangan yang mempergunakan dua set magnetic coils H dan dua pasang elektroda E. Panjang bentangan Ex dan Ey dalam studi adalah sekitar 100 m.

Gambar 4. Panel kiri: outline dari cadangan terbukti dari pemboran prospek geothermal Lahendong dan lokasi penyebaran titik-titik MT (2005) yang dipergunakan dalam analisa 3-D. Panel kanan: Pandangan vertikal dari mesh yang dibahas dalam paper ini. Blok Lahendong merupakan bagian utara dari grid.

Gambar 5. Contoh plot data terukur dan terkalkulasi pada frekuensi 1 hertz setelah iterasi mencapai final RMS. Data terukur disajikan dalam panel-panel sebelah kiri dengan urutan rhoxy, rhoyx, phasexy, phaseyx. Adapun data terkalkulasi tersaji pada panel-panel kanan.

Interpreted propylitic reservoir (up to 60 ohm.m)

Claycap conductor (< 10 ohm m)

LHD-23

imam.raharjo@utah.edu

Gambar 6. Pandangan 3-D dari struktur resistivity bawah permukaan daerah Lahendong. Sayatan terpilih disajikan untuk mewakili shallow level clay cap dan deeper propylitic reservoir. Mesh paling atas merupakan topogafi daerah riset. Danau Linau ditunjukkan oleh daerah berwarna ungu. Blok merah konduktif, blok biru resistif. Lapisan di bawah menunjukkan resistivity pada kedalaman 0.6-0.8 km

Propylitic reservoir (up to 60 ohm m)

Claycap conductor (< 10 ohm m)

LHD-23: > 35MW other wells: small to med prods

imam.raharjo@utah.edu

Gambar 7. Pandangan 3-D dari struktur resistivity bawah permukaan daerah Lahendong. Sayatan terpilih (lower layer) disajikan untuk mewakili kedalaman 1.4-1.6 km. Posisi target LHD-23 dan sumur-sumur geothermal ditunjukkan dalam posisi 3-D terhadap sayatan.