Bab 4 Mekanisme Pembentukan Rekahan Amp Patahan

(1)

PRINSIP DASAR GEOLOGI STRUKTUR PRINSIP DASAR GEOLOGI STRUKTUR

IV

MEKANISME PEMBENTUKAN

REKAHAN DAN PATAHAN

KONSEP DASAR KONSEP DASAR

Kondisi dan mekanisme pembentukan rekahan (

Kondisi dan mekanisme pembentukan rekahan ( fracture fracture) dapat dipelajari) dapat dipelajari dari hasil percobaan deformasi batuan di laboratorium. Tujuan dalam dari hasil percobaan deformasi batuan di laboratorium. Tujuan dalam melakukan percobaan ini adalah untuk mendapatkan suatu batasan atau melakukan percobaan ini adalah untuk mendapatkan suatu batasan atau hukum pembentukan rekahan. Percobaan laboratorium pada umumnya hukum pembentukan rekahan. Percobaan laboratorium pada umumnya dilakukan dalam dua sistem uji, yaitu : (i) uji

dilakukan dalam dua sistem uji, yaitu : (i) uji tensile strengthtensile strength dan (ii) uji dan (ii) uji compressive strength

compressive strength ( (Gambar 4.1Gambar 4.1_{). Hasil dari percobaan ini dituangkan dalam}_{). Hasil dari percobaan ini dituangkan dalam} diagram Mohr agar dapat lebih mudah untuk dimengerti secara grafis. diagram Mohr agar dapat lebih mudah untuk dimengerti secara grafis. Percobaan dilakukan dalam berbagai kondisi, dan data nilai titik pecahnya Percobaan dilakukan dalam berbagai kondisi, dan data nilai titik pecahnya batuan (

batuan ( point point of of failurefailure) dicatat dan digabungkan dalam sebuah diagram) dicatat dan digabungkan dalam sebuah diagram Mohr sehingga membentuk amplop (

Mohr sehingga membentuk amplop (envelope of failureenvelope of failure). Garis amplop). Garis amplop menunjukkan batasan antara daerah stabil dan daerah tidak stabil untuk menunjukkan batasan antara daerah stabil dan daerah tidak stabil untuk jenis batuan tertentu (

jenis batuan tertentu (Gambar 4.2Gambar 4.2_)._).

Gambar 4.1

Gambar 4.1_{. . Cara pengujian}_{Cara pengujian deformasi batuan unt}_{deformasi batuan untuk (A)}_{uk (A) tensile strength}_{tensile strength dan}_dan (B)

(2)

Gambar 4.2_{. A. Diagram Mohr untuk mentukan keadaan stress, tanda} bintang menunjukkan harga dimana batuan akan pecah. B. Data uji deformasi batuan pada beberapa kondisi differential

stress diplot pada diagram Mohr sehingga didapatkan batas pecah ( failure envelope).

(3)

PRINSIP DASAR GEOLOGI STRUKTUR

Percobaan dari deformasi brittle menghasilkan dua jenis fractures ; extension fracture (Mode I) dan shear fracture (Mode II). Dimana kedua jenis fracture ini berbeda dalam hal relatif orientasi bidangnya terhadap sumbu utama stress minimum (

σ

3) dan sejajar terhadap sumbu utama stress (

σ

1) serta pergerakannya relatif normal terhadap bidang permukaan fracture. Extension fracture adalah tension fracture apabila stress minimum (

σ

3) bersifat tensile seperti dalam kasus uniaxial tension. Shear fracture terbentuk dalam regim kompresi dengan sudut lebih kecil dari 45

°

terhadap sumbu utama stress (

σ

1), serta pergerakannya relatif sejajar terhadap permukaan fracture.

Kriteria untuk Tension Fractures

Tensile fracture terjadi apabila stress dalam hal ini tensile (stress negatif atau

σ

3) melewati atau sama dengan kekuatan regangan atau tensile strength (T0) dari material dalam hal ini batuan. Dalam diagram Mohr daerah stabil dan tidak stabil untuk tensile fracture disebut sebagai tension fracture envelope (Gambar 4.3). Amplop (fracture envelope) ini diwakili oleh garis yang tegak lurus

σ

n (normal stress) dititik T0 yang secara matematis digambarkan sebagai berikut :

σ

n = T0

Dimana

σ

n adalah harga normal stress kritis yang diperlukan untuk membuat fracture. Dalam uniaxial tension

σ

n adalah

σ

3. Jadi dapat dikatakan dari persamaan diatas bahwa batuan akan pecah dalam bentuk fracture Mode I (extension) apabila harga stress utama terkecil (least principal stress) sama atau lebih besar dari kekuatan tensile (T0) dari batuan tersebut.

Apabila dalam percobaan triaxial test ini dilakukan kombinasi test tension dan kompresi pada sample batuan, maka akan didapatkan kondisi fracture spesifik yang disebut sebagai amplop parabola pecahnya batuan (parabolic failure envelope). Hasil experiment dengan merubah kondisi tekanan (confining pressure) dapatkan bahwa tensile fracture terjadi pada harga confining pressure (

σ

1) maksimum 3T0. Tetapi apabila harga confining pressure (

σ

1) berkisar 3T0 dan 5T0 maka batuan akan pecah secara kombinasi extension dan shear (Gambar 4.4). Respon ini dikenal sebagai kondisi tensile transisi atau transitional tensile behavior (Suppe, 1985).

(4)

Gambar 4.3. Lingkaran Mohr yang menunjukkan percobaan tensile strength. Tensile stress, sejajar sumbu contoh batuan, semakin besar sampai pada batas dan pecah.

Gambar 4.4. Lingkaran Mohr menunjukkan harga confining pressure 3 kali lebih besar dan lebih kecil 5 kali dari pada tensile strength. B. Gambaran deformasi yang membentuk rekahan berpasangan, sebagian bersifat tensile dan sebagian shear, membentuk sudut lancip (320).

Geometri dan posisi parabola dari amplop fracture dapat dinyatakan dengan persamaan matematis yang dikenal dengan the Griffith law of failur yang

(5)

menggambarkan kondisi daerah transisi. Dimana persamaannya adalah sebagai berikut :

σ

c =

√

4T0

σ

N - T02

σ

c = harga shear stress kritis yang diperlukan untuk pecah (patah) T0 = kekuatan tensile

σ

N = normal stress

Kriteria untuk Shear Fractures

Shear fracture terbentuk dalam kondisi kompresi, untuk mengamati pembentukannya percobaan deformasi batuan di laboratorium dilakukan secara kompresi. Dimana conto batuan ditekan/kompresi (

σ

1) pada harga confining pressure (

σ

3) yang berbeda-beda. Hasil percobaan diamati secara grafis dengan menggunakan diagram Mohr (Gambar).

Hukum Fracture Coulomb

Hukum Coulomb adalah hukum pecahnya batuan dalam kondisi kompresi yang didasarkan pada model mekanika dinamis yang dikembangkan oleh Coulomb (1773) dan Mohr (1900). Hukum ini menggambarkan hubungan linear antara ketinggian dan lereng/kecuraman dari amplop fracture untuk batuan dalam kompresi (Gambar 4.5).

σ

c =

σ

0 + tan

φ

(

σ

0)

Dimana

σ

c = harga shear stress kritis yang diperlukan untuk pecah (patah)

σ

0 = cohesive strength

φ

= sudut geser dalam (angle internal friction) tan

φ

= coefficient of internal friction

σ

N = normal stress

Hukum Coulomb untuk fracture dapat digunakan untuk meramal kondisi dimana suatu shear fracture akan terbentuk dalam kompresi.

Untuk deformasi pada kondisi tekanan batuan yang tinggi (high confining pressure) Hukum Coulomb tidak berlaku karena pada kondisi ini batuan tidak bersifat brittle lagi tetapi lebih bersifat ductile. Hukum yang menggambarkan kondisi deformasi diatas batas brittle-ductile adalah criteria von Mises (Gambar 4.6)

Apabila pada batuan sudah terdapat fracture sebelumnya (preexisting fractures), patahnya batuan tidak dikontrol oleh harga kohesi maupun

(6)

kekuatan batuan tetapi oleh daya tahan geser (frictional resistance) dari rekahan-rekahan yang ada. Hukum yang menggambarkan kondisi dimana fracture yang ada dalam batuan akan bergerak adalah Byerlee’s Law yaitu modifikasi dari hukum Coulomb, dimana fungsi kohesinya dihilangkan sehingga persamaan menjadi

σ

c = tan

φ

(

σ

0)

Hukum ini menyatakan bahwa stress kritis yang menyebabkan reaktifasi dari fracture yang telah ada sama dengan koefisien dari daya geser dikalikan dengan normal stress yang bekerja pada permukaan fracture. Batuan akan pecah pada arah fracture yang telah ada hanya apabila fracture tersebut mempunyai orientasi, dimana hal ini dapat dengan jelas digambarkan dalam diagram Mohr (Gambar 4.7).

Gambar 4.5. Hukum pecahnya batuan dari Coulomb, nilai kritis shear stress yang diperlukan untuk memecahkan batuan adalah sebanding dengan cohesive strength ditambah faktor normal stress dan koefisien geser batuan.

(7)

Gambar 4.6. Gambaran yang menunjukkan confining pressure yang tinggi, kriteria pecah Coulomb tidak berlaku, deformasi berubah menjadi ductile.

(8)

Gambar 4.7. Diagram Mohr yang menunjukkan batas pecah Coulomb dan sliding friction. (A) Perbedaan stress cukup besar untuk menyentuh batas sliding friction. Apabila rekahan yang sudah ada sebelumnya mempunyai sudut 250 terhadap arah tegasan utama, rekahan akan bergeser dan batuan akan pecah. (C) Bila diasumsikan batuan tidak pecah dengan penambahan stress deferensial, jumlah rekahan (pada interval di gambar kanan atas) yang cenderung bergeser makin banyak. (D) Bila diasumsikan dengan stress diperbesar dan batuan tidak pecah, maka lingkaran stress akan memotong batas pecah Mohr, maka batuan akan pecah melalui rekahan gerus (shear fractures) dengan sudut terhadap tegasan utama yang lebih kecil (300), tidak pernah melampaui interval rekahan yang sudah ada (7.50 – 420).