CIVIL INVESTIGATION AND UXO DETECTION WITH GPR

Ground Penetrating Radar(GPR) is an electromagnetic (EM)geophysical method for high resolution detection, imaging and mapping of subsurface soils and rock conditions. The idea of using the propagation of high frequency EM wave for subsurface can be traced back to beginning of the century. In the addition to its numerous military and civil applications, radar is now very important tool in ground investigation, normally from the near surface to depth of several tens of meters.During more than two decades of development, GPR system have became the geophysical tools that provide the subsurface window for a variety of geological, engineering, environmental and archeological applications.

figure 1 flow chart for a typical GPR system(after Davis et al., 1989)

The most common operation mode of GPR is the reflection mode, whereby traces of returned waves are collected either continously or in stations along a line, thus creating a time cross section or profile image of the subsurface.

figure 2 GPR data acquisition use antenna 200MHz and 400MHz

GPR data are displayed on printer paper or on a computer screen during acquisition(i.e., during real time). For a given transect the data consist of a cross-section of signal amplitudes(intenities) versus location(along the two-way time axis and the horizontal axis).

Before survey in the field commenced, antenna calibrations were carried out at "place calibration". The purpose of calibration is to get the best parameters base on local gelogical setting and condition.

figure 3 Magnetic/metal good anomaly(calibration at field) use antenna 400MHz. depth metal cylinder 30cm and diameter 5cm, high 15 cm.

figure 4 Calibration magnetic/metal model for antenna 400MHz and 200MHz(Cal1)

figure 5 Acquisition and Result of model(Cal1)

figure 6 Result of magnetic/metal good anomaly(Cal 1) in time domain

Result of spectrum analysis is colours value for each model characteristics, in Antam calibration the model (magnetic/metal model) it have value 9000-11500 (colors range in histogram) . These values will be reference of magnetic or metal model in the field

figure 7 Result of magneti/metal good anomaly(Cal1) in frequency domain

As usually, anomaly in the field are clear to definite if hyperbole shape of  metallic/magnetic goods found as a respond. Processing in base camp did for further analysis.

Field processing, was doing until time domain processing. If in data section (time domain) the hyperbole anomaly were not found, the area was declared clear. If there is a hyperbole anomaly (on time domain data section), further analyze was done using frequency analysis.

The result of frequency analysis is determined with color bar, and then we compare with data calibration and at field calibration to get the value correlation between data in the field and its calibration.

flow of processing

figure 8 GPR data for UXO identification in frequency domain(Clear)

Spectrum analysis or frequency analysis is frequency method to identify of value of each rock or magnetic, compactness, etc which can be approach with value(color) percentage of amplitude. From time domain data will be transformed to frequency domain, with approximate anomaly on time domain we will be see the anomaly on frequency domain value of each rocks, magnetic anomaly or others anomaly. 

figure 9 GPR data for UXO identification in time domain(Clear)

figure 10 GPR data for UXO identification in time domain(Clear)

figure 11 Frequency analysis(Clear)

figure 12 Frequency analysis(Clear)

figure 13 Frequency analysis(Clear)

METODE GPR 3DIMENSI

Pengukuran GPR untuk model 3D harus disesuaikan dengan design lintasan yang akan kita buat, ini membantu untuk kemudahan disaat menampilkan data 2D kedalam 3D view. Tampilan 3D sangat membantu dalam interppretasi kemenerusan, baik itu lateral maupun vertikal.

gambar rawdata GPR

Hasil pengukuran dilapangan biasanya hanya menampilkan data direct wave dan juga air wave. Untuk mendapatkan respon data dibawahnya digunakan filter dan gain sehingga data yang lebih dalam bisa terlihat jelas. Pemilihan band frekuensi sangat menentukan apakah data bisa d filter atau tidak, terlalu tinggi akan menghilangkan data, terlalu rendah maka noise yang ada tidak hilang. Analisi frekuensi sangat membantu kita untuk membuat band frekuensi yang kita gunakan.

gambar interpretasi data GPR

Interpretasi data GPR sebenarnya mirip dengan interpretasi data seismik yaitu pendekatan di strength reflectivity, perbedaan reflektivitas itu yang menjadi acuan untuk menentukan batas lapisan yang satu dengan yang lainya.

Hasil interpretasi dari data 2D di plot di 3D view sehingga didapatkan view dari data 2D menjadi data 3D. Kemenerusan reflektor terlihat lebih jelas untuk dilihat kesemua arah sehingga pola interpretasi kita semakin gamblang, dan orang awam pun akan lebih mudah melihat dan mengerti lapisan-lapisanya.

gambar 3D view data GPR

Dari data slice reflektor data 2D, kita akan dapatkan database yang merupakan data 2D, dari data slice tersebut kita lakukan gridding untuk mendapatkan data surface sehingga terlihat konfigurasi reflektor-reflektornya,kita juga bisa membuat layering berdasarkan lapisan yang sudah kita buat di data 2D.

gambar slicing horizone dari data 2D

SUBBOTTOM PROFILING GPR SURVEY

Ground penetrating radar is a general term to describe methods that use radio waves to probe subsurface objects or geologic features, it is a non- invasive electromagnetic geophysical technique for subsurface exploration and characterization. In a manner akin to radar principles, GPR system transmit impules of electromagnetic energy(radio wave) into the ground and detect their corresponding echoes reflected from interfaces of varying electromagnetic properties beneath the surface. The application of GPR technology for the purpose of estimating term between water and bottom of water(river,lake and so on).

figure 1 scheme of GPR method

 

figure 2 Acquisition data GPR

figure 3 rawdata GPR

Field data was collected using a RTA ground penetrating radar system. Two separate antenna arrangements were used to generate "low" and "high"/low, medium and high. Continuous GPR measurements were recorded as the antenna arrangements were towed separately over the river adjacent to manual measurement locations.

figure 4 Final result GPR processing

The GPR data aws processed using the reflexw and others software to help good result. MATLAB software was also used to facilitate further post-processing and spectrum analysis. 

figure 5 Final GPR result for subbottom profiling at river

Figure 5 also illustrates how the GPR arrangement may provide a means for delineation of the bottom of water. horizone 1(blue) is term between water with mud, while horizone 2(red) is thick of mud to compact soil/bedrock.

EKSPLORASI BATUBARA DENGAN METODE MAGNET

Metode magnet untuk batubara memang masih trus dikembangkan,karena keterkaitan antara respon yang didapatkan dari pengukuran magnet dengan korelasi dengan kondisi geologi daerah survey. 

Korelasi pengukuran magnet dengan eksplorasi batubara sebenarnya tidak berkaitan secara langsung, tetapi didaerah dengan endapan dan aliran lava ataupun intrusi akan membantu zonasi dan identifikasi keterdapatan batubara, secara pendekatan skunder, batubara lebih didekati di daerah sedimentasi bukan di daerah batuan vulkanik atau intrusi, tapi tidak jarang batubara diapit oleh lava vulaknik sehingga mengakibatkan batubara menjadi kalori lebih tinggi tapi karena ada tekanan dari semua arah sehingga batubara relatif lebih tipis.

gambar peta lokasi pengukuran

Pendekatan dari segi sedimentasinya ini banyak diterapkan di daerah sumatera dengan kombinasi dan formasi yang beragam, mulai dari pasir,batuan vulkanik,andesit,ignimbrit,tufa,sandstone, dan lainya. Ini menjadikan metode magnet berguna untuk memetakan batubara. Bewaral dari informasi geologi berupa geologi regional dan identifikasi batubara regional, maka dengan melakukan grid survey yang konstan akan membantu untuk mendeliniasi struktur, sediment dengan batuan lainya dan juga ketebalanya.

gambar overlay data Lidar dengan data magnetik

Data magnetik untuk interpretasinya membutuhkan data-data pendukung seperti data lidar,data mapping,data geologi regional. Data lidar sendiri membantu interpretasi data magnet apakah daerah tersebut merupakan daerah endapan,aliran lava ataupun daerah struktur(struktur permukaan), sedangkan data mapping untuk mengidentifikasi serpihan batubara dan body batubara dan arah dip-strikenya. Data geologi regional dibutuhkan untuk membantu interpretasi apakah batubara yang ada di daerah sedimen itu merupakan batubara muda(beda formasi) atau kah kemenerusan formasi lainya, sehingga ada keterkaitan interpretasi yang solid dari beberapa data

gambar reduce to pole data

Pengeboran dilakukan untuk membuktikan apakah daerah dengan zona sediment merupakan batubara atau bukan, dan pengukuran akurasi ketebalanya. Pengeboran ini sangat menentukan apakah data yang kita ambil benar atau tidak dan juga prosesnya karena ini berkaitan dengan cost yang sangat tinggi, keakuratan interpretasi sangat bergantung dengan QC data magnet itu sendiri, mulai dari penentuan lintasan,arah lintasan,traverse,informasi-informasi lapangan yang berkaitan dengan pengukuran seperti sungai,rumah dan apapun yang membantu interpretasi, karena geophysicist tidak tiap hari berada di lapangan bersama operator.

gambar reduce to pole data magnet

Data reduce to pole belum tentu mengindikasikan keterdapatan batubara di zona biru(sediment) tetapi harus diingat bahwa respon yang di peroleh dari data RTP(reduce to pole) hanya merupakan composite dari data permukaan sampai kedalaman tertentu, sehingga dibutuhkan proses lain untuk mengetahui sebaran vertikalnya. Ini bisa dilakukan dengan menerapkan filter pada data sehingga kita yakin apakah yang kita rekomendasikan untuk dilakukan pengeboran adalah daerah sedimen yang berasosiasi dengan batubara.

METODE GPR UNTUK EKSPLORASI BATUBARA

gambar skema metode GPR

gambar pengambilan data GPR

gambar rawadata GPR

gambar interpretasi data GPR untuk identifikasi batubara

gambar Geology model

gambar analisa spectrum dengan data logging

gambar korelasi data GPR dengan data logging

METODE GPR(Ground Penetrating Radar/GEORADAR)/IDENTIFIKASI BEDROCK DI DAERAH RAWA

Metode geofisika yang sangat populer untuk identifikasi bedrock adalah GPR, kegunaan GPR sangat beragam diantaranya untuk sipil, pertambangan(pasir besi,batubara,mangan,laterit dll). GPR sangat efektif untuk identifikasi bedrock di daerah rawa, karena untuk perusahaan batubara biasanya sangat kesulitan untuk identifikasi bedrock di daerah rawa, karena pengeboran didaerah tersebut sangat berisiko dan untuk metode lainpun sangat sulit diterapkan.

Perbedaan reflektifitas(konstatnta dielektrik) sangat kontras antara soil dan bedrocknya. Untuk soil biasanya lebih lemah dibandingkan dengan lapisan bedrock karena reflektor diarea bedrock sangat strong. Deliniasi lapisan dengan menggunakan GPR lebih efektif tapi untuk identifikasi boulder2 untuk biji besi tidak terlalu bagus disamping karena responya tidak bagus dan juga interferensi antara gelombang elektromagnetik dan medan magnet dari biji menimbulkan difraksi2 yang sangat bernoise.

gambar hasil 1 identifikasi bedrock didaerah rawa menggunakan GPR

gambar hasil 2 identifikasi bedrock didaerah rawa menggunakan GPR

SHALLOW WAVE/SHALLOW SEISMIC

seismik dangkal atau shallow wave yaitu pemanfaat gelombang refleksi atau gelombang seismik dengan source yang tidak terlalu kuat energinya sehingga penetrasi kedalaman yang dihasilkan berkisar antara 0-1000m. Kebutuhanya sangat beragam dari pertambangan,indentifikasi struktur,tinjauan lapisan dangkal untuk batas pengeboran pada saat survey seismik dalam.

gambar 1 rawdata seismik dangkal

data gather shallow wave berfrekuensi antara 0-80 untuk source hammer atau weight drop,tetapi untuk hammer lebih kecil range frekuensinya di susul weightdrop atau airgun karena getaran yang dihasilkan tidak terlalu besar sehingga penetrasi kedalaman antara 0-500m. 

Peningkatan fold sangat penting karena untuk meningkatan resolusi vertikal data itu sendiri dan menggunaakn konfigurasi yang tepat sehingga fold dan strength reflectornya bagus.Di dalam software akuisisi,seismoduler digunakan multiple stack(apparent stack) untuk menghilangkan noise yang mengganggu disaat pengukuran dilakukan atau d saat data tidak bagus karena lokasi penembakan tidak terlalu kompak.

stack pengukuran disaat akuisisi sangat diperlukan untuk mendapatkan data yang lebih bagus dibandingkan data pengukuran menggunakan stack 1,dengan ketebalan soil yang berkisar antara 0-15 meter bisa menggunakan stack 1- sampai stack 12.

gambar 2 lintasan pengukuran seismik menggunakan weightdrop

gambar  3 delineasi struktur untuk eksplorasi batubara

gambar 4 topografi subsurface slicing depth

gambar 5 topografi subsurface slicing depth 3D view

Gabor Deconvolution(Pendekatan wavelet minimum phase untuk model nonstationer)

Penentuan reflektivitas yang merepresentasikan lapisan bawah permukaan sering menjadi suatu penelitian yang penting dalam dunia eksplorasi minyak dan gas bumi.Asumsi selama ini bahwa wavelet yang di gunakan untuk estimasi reflektivitas(dekonvolusi) merupakan time invariant wavelet(wavelet teratenuasi). Pada kenyataanya data seismic yang di rekam dalam seismogram merupakan konvolusi antara wavelet yang teratenuasi dengan reflektivitas lapisan bumi. Maka perlu adanya metode yang mengasumsikan bahwa wavelet bervariasi terhadap waktu atau kedalaman. Adalah dekonvolusi Gabor yang mengasumsikan wavelet teratenuasi(time variant wavelet) dengan mendekomposisikan signal dalam beberapa segemen wavelet dengan windowing(pe-window-an) menggunakan Gaussian window.

gambar 1 time variant wavelet and time invariant wavelet
Q=200
gambar 2 compare Q value in the wavelet applied
Q100
Q75
Q25

FORWARD DAN INVERSI MODELING DATA MAGNETIK

euler deconvolution used for structure in the basement.From reduce to pole data, we can slice the data with upward continuation and correlation with depth information with general basement.

figure euler deconvolution result from upward data(100 scale depth)

figure structure index from euler deconvolution

interpretation of magnetic and gravity data can be used deconvolution of euler,in above shown flow from 3D Euler interpretation of gravity and magnetic data.

picture1 The 3D Euler Sequence for gravity and magnetic interpretationpicture2 Magnetic Data

picture 3 griding result at dx dy dz component

picture 4 Analytic signal using euler process

picture 5 Distibution value at data using euler process