Mengenal Ocean Bottom Seismometer -- Sensor Gempa untuk Akuisisi Data Gempa di Laut Lepas

1. Perbandingan antara Seismometer Konvensional dengan Ocean Bottom Seismometer

Seismometer merupakan alat untuk merekam getaran gempabumi. Dari data rekaman ini, waktu tiba gelombang dapat dimanfaatkan untuk memberikan informasi terkait bagaimana mekanisme sumber dari gempabumi, serta lokasi terjadinya gempa bumi. Selama ini, penggunaan seismometer hanya terbatas untuk wilayah daratan saja, dimana data gempabumi hanya direkam secara pasif untuk memperoleh respon waveform. Seiring berkembangnya teknologi, Ocean Bottom Seismometer (OBS) ditemukan untuk melakukan akuisisi data gempabumi di wilayah lepas pantai. Pada OBS, energi seismik yang dihasilkan dari gempabumi dan getaran tremor digunakan sebagai source. Lebih ekstensif lagi, pada beberapa tipe alat, digunakan pula sumber suara buatan untuk menciptakan energi seismik tersebut.

Salah satu kelemahan seismograf konvensional terletak pada instrumen sensornya yang cukup besar, berat, dan tidak praktis. Kompleksnya instrumen sensor ini bertujuan mengakomodir kebutuhan alat akan sensitivitas yang baik, hasil signal to noise ratio yang optimum, serta respon frekuensi yang memadai. Hal ini dilakukan untuk menanggulangi rendahnya frekuensi yang terekam pada event gempa-gempa besar. Beranjak dari permasalahan tersebut, OBS dirancang seefisien mungkin untuk melakukan perekaman data. Desain OBS melibatkan package sensor dengan kapasitas yang lebih besar daripada seismograf konvensional, dimana rentang frekuensi OBS dapat mencapai 0.01-30 Hz. Durasi perekaman OBS pun tergolong cukup lama, yaitu dapat mencapai 6 – 12 bulan. Oleh karenanya, diperlukan pencatat jam yang lebih akurat. 

Controlled seismic source atau sumber buatan OBS diperlukan untuk menghasilkan gambaran beresolusi tinggi dari bagian atas kerak bumi. Sistem tersebut menggunakan stasiun perekaman yang banyak, umumnya berjarak 100 meter, dan banyak titik shot dengan jarak spasi yang berdekatan. Adapun shot yang digunakan dapat berupa array air gun atau instrumen lain yang sejenis. Setelah coverage target terpenuhi, struktur, perlapisan geologi, dan patahan bawah permukaan dapat didelineasi satu sama lain. Controlled seismic source ini tidak dapat merekam pada frekuensi rendah. Sejumlah instrumen perlu dipasang untuk menghindari acoustic release pada OBS untuk skala survey yang besar—oleh karena itu, diperlukan pula Remoted Operated Vehicles sensor (ROVs) untuk mengatasi hal tersebut.

Gambar 1. Proses deploy Ocean Bottom Seismometer/OBS

 (Manuel dkk., 2012)

OBS merupakan perangkat yang berfokus pada akuisisi data lokal, dengan controlled seismic source yang terbatas pada skala kecil. Akan tetapi, OBS dapat secara luas diaplikasikan sebagai dasar untuk mengumpulkan data dasar laut (seabed).

Baik seismograf konvensional maupun OBS, keduanya menggunakan perambatan gelombang P dan S untuk memperoleh informasi terkait raypath dan perambatan gelombang tersebut. Kelebihan lain dari OBS adalah kemampuannya untuk merekam shear wave secara langsung pada seabed menggunakan geofon tiga komponen. Tentu hal ini dapat menghasilkan lebih banyak informasi tambahan untuk tahap interpretasi.

OBS pada umumnya tidak diproduksi oleh industri instrumen, melainkan dirangkai secara mandiri oleh institusi-institusi tertentu (Gambar 1). Oleh karenanya, proses validasi alat menjadi cukup rumit: eksplorasi laut memerlukan waktu cukup lama; kalibrasi instrumen membutuhkan biaya yang relatif mahal; dan dibutuhkan ketelitian tinggi untuk mengontrol kualitas respon alat dan spesifikasi alat.

Gambar 2 menunjukkan data mentah yang diperoleh dari stasiun single component yang direpresentasikan dalam plot jarak-waktu. Pada bentuk dasarnya, data seismik yang telah diproses, akan memberikan informasi terkait hubungan antara gradien kecepatan dan kedalaman  pada kerak subsea. Waveform yang menjalar merupakan fungsi dari tekanan, gelombang shear, dan gelombang permukaan.

Gambar 2. Sayatan seismik dari data single component hasil akuisisi menggunakan single OBS. Direct, reflection, dan refraction wave berhasil teridentifikasi (Manuel dkk., 2012).

2.   Desain Mekanis dari OBS

Gambar 3 menunjukkan konfigurasi survey seismik lepas pantai menggunakan OBS sebagai perekam respon sinyal seismik. Sinyal yang diciptakan oleh air gun dapat merambat beberapa kilometer ke dalam lapisan bumi sebelum mencapai sensor dan terekam sebagai gelombang berfrekuensi rendah. Desain yang detail diperlukan, termasuk dalam menentukan ukuran air gun, serta berapa besar kekuatan yang diperlukan agar sinyal yang diterima pada sensor lebih besar daripada ambient noise di lautan. Wadah dari sensor geophone ini dirancang agar memiliki efek coupling yang baik dengan seabed sehingga getaran seismik dapat terkonversi dalam pergerakan geofon, dan output elektrik yang dihasilkan bernilai maksimum. Hydrophone sendiri merupakan sensor piezoelektrik yang berfungsi untuk mengubah sinyal tekanan dalam air, menjadi sinyal impedansi listrik tinggi. Medium perambatan sinyal analog di antara sensor dan analogue to digital converter (ADC) didesain sedemikian rupa sehingga tidak menyebabkan noise lain. Hal ini dibantu dengan penggunaan geofon bersensitivitas tinggi.

OBS merupakan sistem pengirim dan perekam sensor seismik. Sistem ini didesain supaya dapat bekerja pada kedalaman 6000 meter di bawah lautan untuk masa tiga bulan. Satu jam setelah OBS dipasang pada dasar laut, rantai elektrolitik pada geofon terlepaskan dan geofon bergerak ke bawah. Setelah penembakan shot berhasil dilakukan, sinyal akustik dikirim ke OBS dan motor bergerak melepaskan release actuator dari berat jangkar, sehingga OBS dapat mengapung karena gaya buoyancy. Secara umum, rangkaian OBS berisi rangkaian elektronik akuisisi, data storage, instrument release, dan baterai.

Gambar 3. Skema survey seismik refraksi lepas pantai menggunakan OBS
(Manuel dkk., 2012)

2.1.              Geofon

Dua sensor utama pada OBS adalah: 1). hidrofon, yang sensitif terhadap fluktuasi tekanan dalam water column di dekat dasar laut; 2). Geofon yang merespon getaran dari dasar laut. Geofon memiliki tiga komponen yang saling tegak lurus, dan didesain dengan sensor kecepatan magnetik bersensitivitas tinggi. Sensor ini berisi massa seismik termagnetisasi, yang dililiti oleh coil. Pergerakan dari massa akan menyebabkan medan magnet, sehingga menginduksi arus listrik pada coil (Gambar 4). Sinyal tersebut kemudian teramplifikasi, dan menggambarkan kecepatan pergerakan permukaan sesuai dengan arah sumbu sensor dimana geofon diletakkan.

Performa dari sistem geofon tergantung pada beberapa hal: 1). Ketepatan geofon mengikuti pergerakan tanah (ground motion); 2). Kondisi signal to noise ratio serta linearitas sensor geofon; 3). Rentang dinamik pada amplifier, serta resolusinya; 4). Rentang dinamik pada analog to digital converter. Hal yang rumit dari mendesain geofon adalah memastikan bahwa sinyal yang terekam dapat merepresentasikan pergerakan tanah secara akurat pada seluruh komponen. Kondisi ini cukup sulit dicapai, mengingat bahwa wilayah dasar laut pada umumnya merupakan wilayah sedimentasi yang tidak tenang. Pada lokasi ini, dasar laut memiliki gradien densitas di dekat permukaan, dimana sedimen yang terakumulasi hanya terkompaksi dengan lambat, dan apabila terkompaksi, material sedimen ini bersifat elastis. Untuk memperoleh coupling terbaik, geofon harus dapat menggantikan material yang lunak supaya bisa tertanam pada dasar laut yang lebih kompak.

Coil geofon didesain untuk bekerja pada frekuensi resonansinya, dan kondisi tersebut tergantung pada massa yang terdapat dalam geofon, serta konstanta pegas yang dimiliki oleh geofon tersebut. Geofon OBS tidak cocok merekam sinyal dengan frekuensi yang sangat rendah, berbeda halnya dengan geofon konvensional. Signal to noise ratio yang inheren, serta dynamic range pada coil geofon yang sedikit bergerak, membuat geofon ini sesuai untuk digunakan pada controlled source OBS.

Gambar 4. Desain Geofon dan sayatan transversal dari geofon dimana ruang dari geofon dapat terlihat (Manuel dkk., 2012).

3.   DESAIN ELEKTRONIK

Sistem akuisisi elektronik berisi empat komponen utama: modul analog to digital converter, micro-controller dan data storage, modul pengaturan daya, dan modul time base. Sebagai sumber daya utama, baterai lithium-ion digunakan. Gambar 5 menunjukkan kemasan dari sistem akuisisi yang diterapkan pada OBS.

Micro-controller dan mode penyimpanan pada OBS memiliki beberapa fungsi, seperti: mengatur default configuration dari sistem OBS; menyingkronisasikan waktu dengan sinyal GPS; menghitung drift waktu; dan mengatur mode sleep ketika daya OBS rendah. Modul ini berbasis microcontroller MCF 54455 dan penyimpanan data berkapasitas 4 GB.

Gambar 5. Kemasan sistem akuisisi elektronik (Manuel dkk., 2012).

3.1.              Analog-to-Digital Conversion  (ADC) Module

Gambar 6. Diagram alir sistem kerja modul ADC (Manuel dkk., 2012)

Untuk mereduksi coupling akibat noise, ADC dilengkapi dengan sistem regulator pengontrol noise output. Regulator ini dapat mengurangi interferensi akibat noise dengan memastikan bahwa perubahan pada frekuensi sistem terjadi secara konstan. Tingkat noise pada modul ADC merepresentasikan resolusi akhir dari sistem OBC keseluruhan. Perlakuan khusus perlu diterapkan untuk mendesain modul ini sehingga memiliki kualitas data yang tinggi. Modul ADC ini berbasis pada 24 bit CS5472 ADC dengan 4 channel, yang melakukan sampling pada frekuensi 512 kHz. Selain itu, terdapat pula filter digital dan modul microcontroller dalam modul ADC. Gambar 6 menunjukkan alur kerja dari ADC pada OBS.

Pemilihan desain ADC yang kurang baik akan berakibat pada tingginya Signal to Noise Ratio. Beberapa hal ini dapat diterapkan untuk meningkatkan kualitas desain ADC yang diterapkan pada OBS:

1.   Input pada modul ADC berbasis pada differential amplifier rendah noise.

2.   Desain PCB dibuat sedemikian rupa agar differential trace saling paralel (terminal positif dan negatif memiliki panjang yang sama).

3.   Mengevaluasi desain sesuai dengan standard internasional.

3.2. Microprocessor Module dan Data Storage

Gambar 7. Unit pemrosesan data OBC (Manuel dkk., 2012)

Unit pemrosesan OBC memiliki basis microcontroller MCF54455, yang diintegrasikan dengan microprocessor 32-bit. Gambar 7 menunjukkan unit processing pada seismometer. Berikut ini spesifikasi dari memori pada sistem penyimpanan data seismometer:

·        16 Mb Flash memory

·        MT47H32M16 SDRAM.

·        Memori SRAM CY62167EV30 2 MB terhubung secara langsung ke Flexbus

Adapun sistem interface pada seismometer yaitu:

·        RS232 serial port untuk user interface.

·        SPI port yang terhubung dengan ADC board.

·        ATA port yang terhubung dengan Compact Flash (CF) memory.

Software akuisisi data, merekam data secara kontinu dari modul ADC, melakukan time stamping, dan menyimpan data pada CF memory.

3.3. Power Supply Module

Sistem daya (power supply module) didesain untuk menyediakan tegangan yang diperlukan pada semua sistem OBS. Sistem daya OBS terdiri atas satu set baterai bertegangan 3.6 V.

3.4. Time Base Module and Clock Stability

Pada sistem OBS, kualitas dari model dasar laut tentu dipengaruhi juga oleh waktu terekamnya data. Karena peralatan akuisisi tidak memiliki akses sinyal GPS yang memungkinkan untuk menyingkronisasikan waktu, digunakan modul time base sebagai referensi waktu, dimana perangkat yang digunakan adalah jam Seascan SISMTB versi 4.4 (Gambar 8). Seascan merupakan alat yang stabil terhadap perubahan temperatur. Digunakan pula modul Temperature Compensated Crystall Oscillator (TCXO), serta OCXO (oven-controlled crystal oscillator) yang berbasis skema kompensasi temperatur digital, untuk menyintesis frekuensi referensi 125 Hz. Karena pengamat tidak memiliki akses untuk menyingkronkan waktu pada instrumen, tentu diperlukan stabilitas perhitungan waktu terhadap suhu pada alat-alat yang digunakan. Maka seluruh instrumen pada datalogger harus disesuaikan dengan sistem TCXO sehingga alat dapat berfungsi dengan benar dalam mencatat waktu dan sinyal data.

Gambar 8. Time drift pada modul Seascan. Garis putih merupakan time drift pada kristal yang diukur. Garis merah menunjukkan koreksi time drift pada OBS (Manuel dkk., 2012).

4.   Cabled OBS dan Sistem Sinkronisasi Waktu

Untuk mempelajari proses terjadinya gempabumi di dekat pantai, kita perlu melakukan observasi aktivitas seismik pada dasar samudera di atas zona seismogenik. Cabled OBS merupakan instrument yang dapat membantu aktivitas ini. Pada kasus ini, OBS yang dilengkapi dengan kabel telah dikembangkan agar dapat diinstall di observatory base. Kelebihan utama dari adanya Cabled OBS adalah menyediakan supply daya yang berkelanjutan pada instrumen OBS, serta agar dapat terhubung dalam komunikasi bandwith tinggi. Melalui cara ini, data real-time yang kontinu dapat diakuisisi dengan lebih efisien. Untuk mempermudah transmisi data, jaringan Ethernet dapat disambungkan pada sistem OBS, sehingga data dapat disalurkan dari sensor OBS ke observatory base.

Cabled OBS turut berperan dalam proses sinkronisasi waktu pada OBS. Sistem Precision Time Protocol (PTP) dapat diinstal pada Cabled OBS, tepatnya pada stasiun yang ditempatkan di pantai (land station), dan berfungsi sebagai Grand Master (GM). PTP merupakan perlengkapan berbasis IEEE 1588, yang dapat meningkatkan akurasi pencatatan waktu dalam sub-microsecond, diemisikan dalam sinyal pulse per second. PTP IEEE 1588 juga dipasang pada Cabled OBS untuk mencatat waktu perekaman dari masing-masing waveform yang didapatkan. Gambar 9 Menunjukkan instalasi PTP IEEE 1588 pada Cabled OBS.

Gambar 9. Broadband Seismometer yang tersingkronisasi dengan IEE 1588 (Manuel dkk., 2012).

5.   Kesimpulan

Ø Seluruh sistem yang terkait dengan OBS penting untuk dilengkapi dengan sinkronisasi waktu.

Ø Kalibrasi perlu dilakukan untuk mengetahui ketidakpastian pengukuran.

Ø OBS merupakan perangkat yang praktis untuk diaplikasikan dalam berbagai keperluan akuisisi data laut, seperti dalam bidang oseanografi, teknik sipil, survey dasar samudera, dan survey perkiraan cadangan migas dan tambang.

Ø Geofon pada OBS memiliki sensitivitas tinggi yang cocok diaplikasikan di zona samudera. Untuk memperoleh coupling yang baik dengan dasar samudera, geofon dilengkapi dengan kontainer khusus yang didesain agar coupling horizontal geofon terkondisi dengan baik.

Ø Untuk mengatur gain amplifier dan mengkarakterisasi respon frekuensi pada sensor dan amplifier, model sensor magnetik dikembangkan sebagai referensi pada geofon yang didesain.

Ø Stabilitas dan time drift pada modul time base (Seasan) ditingkatkan dengan penggunaan sistem pengontrol suhu/ Temperature Compensated Crystall Oscillator (TCXO), dan OCXO (oven-controlled crystal oscillator).

Ø Untuk memperoleh data waktu yang tersinkronisasi dengan baik, serta agar memungkinkan untuk memiliki data waktu yang bersifat real time, Cabled OBS dibuat dan dilengkapi dengan IEEE 1588. IEEE 1588 merupakan standard waktu yang memiliki keakuratan kurang dari 1 microsecond.

REFERENSI

Artikel ini disadur dari:

Mànuel, A., X. Roset, J. Del Rio, D. M. Toma, N. Carreras, S. S. Panahi, A. Garcia-Benadí, T. Owen, dan J. Cadena (2012). Ocean Bottom Seismometer: Design and Test of a Measurement System for Marine Seismology. Sensors 2012, 12, 3693-3719; doi:10.3390/s120303693.