ANALISIS INVERSI WAVEFORM TIGA KOMPONEN UNTUK MENENTUKAN MOMEN TENSOR GEMPA-GEMPA BUMI DI PULAU JAWA PADA TAHUN 2010

(1)

ANALISIS INVERSI WAVEFORM TIGA KOMPONEN

UNTUK MENENTUKAN MOMEN TENSOR

GEMPA-GEMPA BUMI DI PULAU JAWA

PADA TAHUN 2010

Muh. Rodli Masykur, Bagus Jaya Santosa

Prodi Geofisika, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 60111, Indonesia

E-mail: rodli09@mhs.physics.its.ac.id, bjs@physics.its.ac.id

Abstrak

Pulau Jawa termasuk daerah rawan gempa.Dalam lima tahun terakhir IRIS

mencatat sekitar 294 gempa di Indonesia, 28 di antaranya terjadi di pulau Jawa. Hal ini karena pulau Jawa dan Sumatra terletak di antara tiga zona yang dapat mengakibatkan gempa bumi di Indonesia, yaitu Palung Sunda, Sesar Sumatra (Sesar Semangko), serta Sesar Mentawai, Sesar Batee dan Sesar Andaman.

Analisis seismogram menggunakan waveform tiga komponen dilakukan untuk mendapatkan momen tensor dan mengetahui pola bidang patahan subduksi di pulau Jawa. Penelitian ini diawali dengan request beberapa event gempa tahun 2010 dari IA dan atau Geofon. Kemudian dengan software ISOLA dilakukan konversi dan preprocessing data, input data yang meliputi: crustal model, event

info, memilih stasiun, persiapan data mentah, dan pendefinisian sumber seismik,

menghitung fungsi Green, melakukan inversi dan plot hasil inversi. Selanjutnya menggambarkan Fault-Plane penyebab gempa bumi menggunakan software

hcplot.

Hasil analisis ini diketahui bahwa pola bidang patahan yang berkembang di pulau Jawa adalah pola sesar normal (normal fault) dan sesar naik (reverse fault) sejajar busur pulau.

Kata kunci: Inversi waveform tiga komponen, momen tensor, gempa bumi

1. Pendahuluan

Wilayah Indonesia terletak di antara dua samudra, dua benua dan tiga lempeng tektonik mega. Indonesia terletak pada jalur pusat-pusat gempa bumi global circum-Pacific. Hal inilah yang menyebabkan beberapa daerah di Indonesia sering terjadi gempa bumi dengan intensitas dan kekuatan gempa mulai dari skala terkecil sampai skala terbesar, terutama di Sumatra, Irian Jaya, Selatan Jawa, dan Sulawesi.

Gempa-gempa yang terjadi di Sumatra dan Jawa merupakan implikasi geodinamik dari deformasi aktif di sekitar Sunda (Java) Trench (Lasitha, S dkk.,

(2)

2006). Busur Java Trench merupakan hasil tumbukan antara lempeng lautan, yaitu lempeng India-Australia dan lempeng Euroasia. Interaksi lempeng-lempeng yang terjadi di Selatan Busur Java Trench menciptakan sebuah palung Sunda.

Dalam lima tahun terakhir IRIS mencatat sekitar 294 gempa di Indonesia, 28 di antaranya terjadi di pulau Jawa. Sementara yang lain sebagian besar terjadi di pulau Sumatra dan Irian Jaya, selebihnya terjadi di Sulawesi, Sumbawa dan pulau

lain. Semua gempa pulau Jawa tersebut dengan kekuatan Mw≥ 5,0.

Menurut McCaffrey (2009), Sesar di sekitar Sumatra dan Jawa berdasarkan sejarahnya menyebabkan gempa bumi yang merusak. Untuk meminimalisir kerusakan akibat gempa perlu mengetahui karakteristik sumber gempa bumi. Pemahaman terhadap karakteristik sesar yang mengakibatkan gempa bumi diperlukan untuk memperkirakan dan mengetahui karakter dan akibat kegempaan. Karena itulah dilakukan pemodelan momen tensor gempa bumi (Lay dan Wallace, 1995; Kayal, 2008; Shearer, 2009). Dalam memodelkan momen tensor ini dapat dilakukan dengan menggunakan metode inversi yang memanfaatkan waveform ataupun waktu tiba gelombang P (Kayal, 2008; Sokos dan Zahradnik, 2008).

Karena gelombang seismik merambat dari sumber menuju stasiun observasi dalam ruang tiga dimensi, maka penentuan CMT (Centroid Moment Tensor) gempa bumi menggunakan fungsi Green satu komponen, yakni pada arah sumbu Z saja, tentu belum cukup untuk mengakomodasi komponen X dan Y pada koordinat kartesian. Agar bisa menggunakan seluruh data seismogram, maka untuk mengestimasi parameter sumber gempa digunakan gelombang permukaan (waveform). Selanjutnya untuk menganalisa data seismogram adalah dengan membandingkan waveform teramati oleh stasiun dan waveform sintetik yang telah dihitung fungsi Green berbasis waveform tiga komponen dalam seismogram.

Dengan alasan inilah tulisan ini menyajikan hasil analisis waveform tiga komponen gempa bumi yang terjadi di Pulau Jawa pada tahun 2010. Analisis data yang digunakan ialah data seismik lokal yang diunduh dari data gempa IA . Hasil analisis ini berupa parameter-parameter gempa bumi yang meliputi skala, kedalaman dan energi gempa bumi serta model patahan penyebab terjadinya gempa bumi.

(3)

2. Metode Penelitian 2.1. Persiapan Data

Data yang digunakan adalah hiposenter dari beberapa event gempa pulau

Jawa dari IA atau Geofon pada 2010. Dipilih 5 event dengan kekuatan Mw = 5

lebih. Kesemuanya terekam pada 3 s/d 5 stasiun terdekat, dengan rekaman yang meliputi tiga komponen dan dengan signal-to-noise ratio (SNR) yang bagus.

Request data dari IA atau Geofon dalam format seed, selanjutnya dirubah

dalam bentuk SAC melalui sistem operator Linux. Setelah itu file biner SAC dan

GCF (Guralp Compressed Format) tersebut dirubah dalam format ASCII (4

kolom data ASCII per stasiun, yaitu Waktu, NS, EW dan Z komponen), yang disediakan pilihan impor SAC dan GCF oleh software ISOLA.

2.2. Pengolahan Data

Pengolahan data mengikuti setiap tahapan yang disajikan oleh software

ISOLA. Mulai dari konversi dan preprocessing data, input data, menghitung

fungsi Green, melakukan inversi dan plot hasil inversi. Form utama dari ISOLA

Matlab GUI diperlihatkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Form utama dari ISOLA Matlab GUI (Sokos dan Zahradník, 2009)

Setelah dilakukan konversi data dari format SAC ke format ASCII, langkah selanjutnya adalah preprocessing data, meliputi menyiapkan respon instrument, mengkonversi seismogram ke pergeseran dan memilih filter melalui frekuensi rendah untuk menghilangkan noise dengan frekuensi tinggi. Kemudian proses penginputan data.

(4)

Proses pengimputan data pada ISOLA, dimulai dari Input Crustal Model (Gambar 3), Input Event (Tabel 1), Memilih Stasiun (Gambar 4), Input Data Observasi (Gambar 5), dan Input Sumber Seismik Trial, memilih sumber tunggal ataukah beberapa sumber.

Gambar 3 Plot Crustal Model Pulau Jawa. Vp = kecepatan gelombang P dan

Vs = kecepatan gelombang S

Tabel 1 Event Info gempa-gempa bumi di Pulau Jawa tahun 2010

DATE ORIGIN TIME (UTC) MAG (Mw) LAT (o) LON (o) DEPTH (Km) 2010/01/10 00:25:04.0 5.2 -8.17 107.81 10.00 2010/05/18 11:59:59.0 5.7 -8.18 107.23 59.00 2010/06/26 09:50:45.0 6.0 -8.09 108.05 92.00 2010/08/11 19:10:23.0 5.7 -7.87 106.90 69.00 2010/11/09 12:39:00.0 5.3 -8.05 107.16 64.00 Sumber: IA

Gambar 4 Form Seleksi Stasiun untuk gempa bumi Tasikmalaya (Sokos dan Zahradník, 2009) 2 3 4 5 6 7 8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 ← moho → Velocity (km/sec) D ept h ( k m )

Plot of Vp, Vs Tomography model

Vp Vs 105oE 106oE 107oE 108oE 109oE 110oE 8oS 7oS 6oS 5oS KLI LEM JCJ CBJ SBJ _TNG DBJ CGJ TGJ SKJ CMJ CNJ CLJ KPJ uGM CIS

(5)

Gambar 5 Preparasi data seismogram yang direkam stasiun CMJI dengan tiga komponen N, E dan Z

2.3. Proses Inversi

Setelah menyelesaikan seluruh tahapan input data sampai pada pendefinisian sumber trial, proses inversi dapat dimulai dan langkah pertama adalah mempersiapkan fungsi Green. Proses inversi data waveform tiga komponen dilakukan dengan menggunakan metode iterasi dekonvolusi (Zahradnik, 2006; Sokos dan Zahradnik, 2008; Kikuchi dan Kanamori, 1991).

Hasil inversi berupa parameter gempa bumi selanjutnya digunakan untuk penggambarkan Fault-Plane penyebab gempa bumi. Penggambaran dilakukan dengan menggunakan software hcplot yang didasarkan pada metode H-C (Zahradnik dkk., 2008). Dari gambar Fault-Plane inilah dapat diketahui pola bidang patahan subduksi di pulau Jawa dan sekitarnya.

3. Analisa Data

Data yang digunakan adalah data seismik lokal yang diunduh dari data gempa IA dan Geofon . Yaitu gempa bumi yang terjadi di pulau Jawa pada tahun 2010. Besar magnitudo, posisi latitudo dan longitudo serta kedalamannya sebagaimana disajikan pada Tabel 1. Stasiun yang dipilih adalah 3 stasiun terdekat, diantaranya yaitu LEM (JISNET Lembang), CMJI dan SKJI (BMG Cimerak dan Sukabumi), serta CISI (Geofon Cisomped) diperlihatkan pada Gambar 4. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 -10 -5 0 5x 10 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 -1 -0.5 0 0.5 1x 10 7 0 100 200 300 400 500 600 700 800 -5 0 5x 10 6 Time (sec) C ount s

(6)

Pada analisis data ini, digunakan waveform lokal tiga komponen (BHN,

BHE dan BHZ). Parameter-parameter sumber gempa bumi ini diestimasi dengan

menggunakan model inversi untuk mencapai fitting waveform tiga komponen dengan baik. Proses inversi yang baik didasarkan hasil pencocokkan data observasi dan data sintetik hasil inversi. Hasil yang baik terjadi saat data observasi dan data sintetik saling tumpang tindih.

Inversi waveform lokal tiga komponen ini dikondisikan pada frekuensi filter antara 0.02 – 0.06 Hz. Dari hasil inversi diperoleh hubungan antara

waveform yang teramati 3 stasiun terdekat dengan seismogram sintetik dari

masing-masing event. Kesemuanya diperlihatkan pada Gambar 6.

Even date-time: 20100518 11:59:59 Displacement (m). Inversion band (Hz) 0.02 0.04 0.05 0.06

Observed Synthetic

Gray waveforms weren't used in inversion. Blue numbers are variance reduction

-1 0 1 NS CNJ 5.58E-005 2.14E-005 0.30 -1 0 1 EW 7.98E-006 6.48E-006 0.4 -1 0 1 Z 8.18E-006 3.89E-006 0.22 -1 0 1 CMJ 1.08E-005 1.33E-005 0.80 -1 0 19.15E-006 7.85E-006 0.7 -1 0 19.96E-006 8.62E-006 0.82 0 100 200 30 400 500 -1 0 1 Time (sec) SKJ 1.38E-005 4.81E-006 0.40 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 2.82E-005 1.78E-005 0.45 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 1.59E-005 2.52E-006 0.17 b.

Even date-time: 2010110 00:25:04 Displacement (m). Inversion band (Hz) 0.02 0.04 0.05

Observed Synthetic

-CMJ -1 -1 -LEM -1 0 11.09E-005 7.20E-006 0.7 -1 0 16.87E-006 1.15E-006 0.27 0 100 200 300 400 500 -0 1 Time (sec) SKJ 1.31E-006 3.86E-007 0.33 Time (sec) 0 100 200 300 40 500 -1 0 1 Time (sec) 3.43E-006 1.39E-006 0.59 0 100 200 300 400 500 -1 0 11.70E-006 1.25E-006 0.81 0 11.08E-005 NS 6.92E-006 0.77 0 18.86E-006 EW 5.65E-006 0.53 0 15.15E-006 Z 1.08E-006 0.34 0 11.56E-005 1.75E-006 0.04 a.

(7)

Gambar 6 Data seismogram sintetik dan observasi 3 komponen gempa bumi tahun 2010. a) tanggal 10 Januari, b) tanggal 18 Mei, c) tanggal 26 Juni, d) tanggal 11 Agustus, dan e) tanggal 09 Nopember

Observed Synthetic

-1 0 1 NS CIS 1.01E-005 4.58E-006 0.49 -1 0 1 EW 5.99E- 4.44E-006 0.70 -1 0 1 Z 8.20E-006 9.18E-006 0.78 -1 0 1 LEM 3.91E-005 5.63E-006 0.22 -1 0 11.79E-005 3.74E-006 0.30 -1 0 12.46E-005 1.01E-006 0.27 CMJ 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 5.75E-006 5.36E-006 0.66 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 5.96E-006 5.32E-006 0.50 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 7.85E-006 7.98E-006 0.64

Observed Synthetic

-1 0 1 NS CNJ 1.75E-004 5.92E-005 0.26 -1 0 1 EW 2.74E-005 2.43E-005 0.80 -1 0 1 Z 4.49E-005 2.69E-005 0.74 -1 0 1 SKJ 1.16E-005 1.19E-005 0.74 -1 0 11.49E-005 2.76E-005 0.43 -1 0 13.81E-005 1.79E-005 0.61 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) LEM 3.08E-005 2.11E-005 0.85 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 2.41E-005 1.42E-005 0.41 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 2.31E-005 2.56E-005 0.84

Observed Synthetic

-1 0 1 NS CMJ 1.17E-004 7.58E-005 0.79 -1 0 1 EW 1.35E-004 1.08E-004 0.90 -1 0 1 Z 9.52E-005 1.09E-004 0.68 -1 0 1 CNJ 5.52E-003 2.28E-005 0.11 -1 0 18.19E-005 3.91E-005 0.53 -1 0 14.18E-005 5.57E-005 0.57 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) LEM 1.13E-004 4.36E-005 0.56 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 4.54E-005 2.76E-005 0.47 0 100 200 300 400 500 -1 0 1 Time (sec) 1.29E-004 3.66E-005 0.44 c.

d.

e.

(8)

Adapun parameter gempa bumi yang meliputi skala, kedalaman dan energi gempa bumi untuk gempa bumi yang terjadi pada tanggal 09 Nopember 2010 ditunjukkan Gambar 7. Sedangkan parameter gempa bumi yang terjadi sebelumnya diperlihatkan pada Tabel 2 untuk momen seismik (Mo), Tabel 3 menyatakan Strike, Dip dan Rake, dan Tabel 4 menyatakan 6 komponen moment tensor. Adapun Beachballs dapat dilihat pada Tabel 5.

Gambar 7 Plot solusi momen tensor untuk gempa bumi 09 Nopember 2010

Tabel 2 Momen Seismik (Mo)

Date Agency Time Lat. N Lon. E Depth Mw Mo

(1017 Nm) 2010/01/10 IA 00:25:04.0 -8.17 107.81 10.00 5.2 NA Author 00:25:01.5 -8.23 108.89 17.98 4.6 0.102 2010/05/18 IA 11:59:59.0 -8.18 107.23 59.00 5.7 NA Author 11:59:58.2 -8.18 108.26 59.00 5.3 1.161 2010/06/26 IA 09:50:45.0 -8.09 108.05 92.00 6.0 NA Author 09:50:40.5 -8.15 108.98 74.99 5.8 7.415 2010/08/11 IA 19:10:23.0 -7.87 106.90 69.00 5.7 NA Author 19:10:28.0 -7.89 107.79 63.00 5.6 2.830 2010/11/09 IA 12:39:00.0 -8.05 107.16 64.00 5.3 NA Author 12:39:02.5 -8.20 108.09 80.73 5.2 0.700

(9)

Tabel 3 Strike, Dip dan Rake

Event Strike 1 Dip 1 Rake 1 Strike 2 Dip 2 Rake 2

2010/01/10 164 77 178 255 88 13

2010/05/18 67 52 -25 174 70 -139

2010/06/26 352 67 -106 209 28 -56

2010/08/11 129 17 -90 309 73 -90

2010/11/09 191 51 60 54 47 122

Tabel 4 Enam Komponen Momen Tensor

Event Mrr=M33 Mtt=M11 Mpp=M22 Mrt=M31 Mrp=M32 Mtp=M12 2010/01/10 -0.028 -0.034 0.062 -0.019 -0.019 0.082 2010/05/18 -0.449 -0.148 0.597 -0.445 0.574 0.728 2010/06/26 -5.657 1.154 4.503 2.051 -4.748 1.197 2010/08/11 -1.629 0.983 0.645 1.820 -1.449 -0.761 2010/11/09 0.613 -0.172 -0.441 0.232 -0.203 -0.309

Hasil inversi berupa parameter gempa tersebut digunakan untuk penggambarkan Fault-Plane penyebab gempa bumi. Penggambaran dilakukan dengan menggunakan software hcplot yang didasarkan pada metode H-C (Zahradnik dkk., 2008). Hasil penggambaran Fault-Plane gempa bumi pada masing-masing event terlihat pada Tabel 5.

Dari hasil penggambaran Fault-Plane dan tipe sesar gempa bumi pada Tabel 5, terlihat bahwa pola bidang patahan yang berkembang di pulau Jawa adalah pola sesar normal (normal fault) dan sesar naik (reverse fault). Dari kelima event yang ada, hanya satu yang memiliki pola sesar mendatar. Adapun satu event yang memiliki pola sesar diagonal turun (oblique normal), komponen gaya yang bekerja cenderung ke arah vertikal sehingga dapat juga menyebabkan sesar normal.

Hal ini karena di daerah Jawa Barat dan Jawa Timur penunjaman lempeng Samudera Hindia-Australia relatif tegak lurus terhadap Lempeng Eurasia dengan kecepatan lebih rendah daripada di bagian Sumatera yaitu hanya sekitar 60

mm/tahun dan 49 mm/tahun, mengakibatkan di Jawa lebih berkembang pola

(10)

Tabel 5 Hubungan bechbolls, Fault-Plane, dan Tipe Sesar gempa bumi

Beachballs Fault-Plane Fault Types

2010/01/10 Mendatar/Horizontal

(strike-slip) Bidang patahan penyebab gempa bumi berwarna Hijau (Plane 1).

2010/05/18 Diagonal Turun/

Oblique Normal

Bidang patahan penyebab gempa bumi berwarna Hijau (Plane 1).

2010/06/26 Turun/Normal

(dip-slip) Bidang patahan penyebab gempa bumi berwarna Hijau (Plane 1).

2010/08/11 Turun/Normal

(dip-slip) Bidang patahan penyebab gempa bumi berwarna Hijau (Plane 1).

2010/11/09 Naik/Reverse

(dip-slip) Bidang patahan penyebab gempa bumi berwarna Hijau (Plane 1). -400 -200 0 200 400 -400 -200 0 200 400 -300 -200 -100 0 100 200 300 East-West (km) Jawa North-South (km) D ept h -400 -200 0 200 400 -400 -200 0 200 400 -300 -200 -100 0 100 200 East-West (km) Jawa North-South (km) D ept h -400 -200 0 200 400 -400 -200 0 200 400 -400 -300 -200 -100 0 100 200 North-South (km) East-West (km) Jawa D ept h -400 -200 0 200 400 -400 -200 0 200 400 -400 -300 -200 -100 0 100 200 North-South (km) Jawa East-West (km) D ept h -400 -200 0 200 400 -400 -200 0 200 400 -300 -200 -100 0 100 200 East-West (km) Jawa North-South (km) D ept h

(11)

Arah pergerakan lempeng antara Asia Tenggara dan lempeng Indo-Australia diperkirakan sekitar Utara-Selatan dengan kecepatan pergerakan sekitar 7.7

cm/tahun (Sengara, dkk., 2009). Berdasarkan perkiraan arah pergerakan lempeng

dan fakta geologis, pergerakan relatifnya adalah normal terhadap busur di Pulau Jawa dan memiliki sudut miring di dekat Sumatera. (Sengara, dkk., 2009). Hal ini juga dapat dilihat pada Tabel 5, dimana sebagian besar arah patahannya cenderung arah Utara-Selatan.

4. Kesimpulan

Analisa data gempa melalui inversi waveform tiga komponen dilakukan dengan menggunakan software ISOLA yang bertujuan untuk mengestimasi CMT,

Fault Plane dan paramater sumber gempa. Analisa dilakukan pada 5 data gempa

pulau Jawa pada tahun 2010 yang diperoleh dari IA dan Geofon. Hasil analisis ini diketahui bahwa pola bidang patahan yang berkembang di pulau Jawa adalah pola sesar normal (normal fault) dan sesar naik (reverse fault). Sebagian besar arah patahannya cenderung arah Utara-Selatan, searah pergerakan lempeng antara Asia Tenggara dan lempeng Indo-Australia.

Daftar Pustaka

Irsyam, M., Sengara, W., Aldiamar, F., Widiyantoro, S., Triyoso, W., Natawijaya, D.H., Kertapati, E., Meilano, I., Suhardjono, Asrurifak, M. Ridwan, M. (2010), Ringkasan hasil studi peta gempa Indonesia 2010. Tim Revisi Peta Gempa Indonesia

Kayal J.R. (2008), Microearthquake seismology and seismotectonics of South

Asia, Springer. India.

Lasitha, S., Radhakrishna, M., Ande Sanu, T.D. (2006), “Seismically Active Deformation in the Sumatra-Java Trench-arc Region: Geodynamic Implications”, Current Science, Vol. 90, No. 5.

Lay, T. dan Wallace, T.C, (1995), Modern Global Seismology. Academic Press, New York, USA.

McCafferey, R. (2009), “The Tectonic Framework of the Sumatran Subduction Zone”, Annu. Rev. Earth Planet. Sci, Vol. 37, hal. 345-366.

Sengara, I.W., Toha, F.X., Suarjana, M., Ridolva, Kusumastuti, D., Sadisun, I., Afnimar, Abuhuroyroh (2009), Laporan kajian dan survey awal pasca

gempabumi Tasik Jawa Barat 2 September 2009, LPPM ITB.

Shearer, PM, (2009), Introduction to Seismology, second edition, Cambridge University Press.

(12)

Sokos, E. dan Zahradník, J. (2008), ISOLA a Fortran Code and a Matlab GUI to

Perform Multiple-point Source Inversion of Seismic Data. Computers &

Geosciences.

Zahradnik, J., Gallovic F., Sokos, E., Serpetsidaki, A. dan Tselentis, G.A. (2008), “Quick Fault-plane Identification by a Geometrical Method: Application to the Mw 6.2 Leonidio Earthquake, 6 January 2008”, Greece.

Seismological Research Letters, Vol. 79, No. 5, hal. 653-662.

Zahradnik, J., Serpetsidaki, A., Sokos, E. dan Tselentis, G.A. (2006), Iterative

Deconvolution of Regional Waveforms and a Double-event Interpretation of the Lefkada Earthquake, Greece. http://seismo.geology.upatras.gr/isola.