PENGAMATAN ANOMALI ULF FASE PRA-SEISMIK UNTUK PREKURSOR GEMPA BUMI DI LAUT MALUKU PERIODE NOVEMBER-DESEMBER 2014

(1)

PENGAMATAN ANOMALI ULF FASE PRA-SEISMIK UNTUK

PREKURSOR GEMPA BUMI DI LAUT MALUKU PERIODE

NOVEMBER-DESEMBER 2014

Indah Kurniawati*1_{, Suaidi Ahadi}2_{, Prih Harjadi}2 1_{Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Jakarta}

2_{Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika} *_{Email : [email protected]}

ABSTRAK

Gempa bumi besar di Laut Maluku pada 15 November 2014 Mw 7,1 dan 21 Desember 2014 Mw 6,3 telah dilakukan pengamatan prekursor dengan anomali ULF. Data MAGDAS dari stasiun Manado (MND) , Pare-Pare (PRP) dan Sicincin (SCN) diolah sejak 31 Oktober hingga 31 Desember 2014. Untuk menginvestigasi anomali ULF sebelum gempa bumi digunakan metode analisis polarisasi rasio komponen Z dan H (SZ/SH) dan polarisasi rasio komponen horizontal stasiun utama dan referensi(SH1/SH2). Indeks DST perlu dibandingkan dengan hasil polarisasi untuk memastikan anomali saat hari tenang berasal dari aktivitas litosfer. Berdasarkan hasil kedua metode di atas diperoleh adanya anomali sebelum gempa bumi terjadi dengan lead time 14 hari untuk gempa Mw 7,1 dan lead time 4 hari sebelum gempa Mw 6,3.

Kata kunci : ULF, anomali, prekursor gempa bumi, metode polarisasi rasio ABSTRACT

Some strong earthquakes in Moluccas Sea on November 15th, 2014 Mw 7.1 and December 21th, 2014 Mw 6.3 has been observed precursors using ULF anomaly. MAGDAS data from Manado station (MND), Pare-Pare (PRP) and Sicincin (SCN) processed from October 31th until December 31th, 2014. To investigate the pre-seismic ULF anomalies used polarization ratio analysiscomponent Z and H (SZ / SH) and polarization ratio horizontal component of the main station and the reference (SH1 / SH2). DST index needs to be compared with the results of polarization anomalies to ensure a quiet time of the day comes from the activity of the lithosphere. Based on the results of both methods, we conclude the anomaly appear with lead time 14 days before earthquake Mw 7.1 and lead time 4 days before earthquake Mw 6.3.

(2)

1. PENDAHULUAN

Kondisi tektonik Laut Maluku (lihat Gambar 1) sangat kompleks akibat pertemuan tiga lempeng besar (Lempeng Eurasia, Australia dan Pasifik) serta lempeng mikro Filipina yang menghasilkan tunjaman ke arah barat dan timur (Hall dan Wilson, 2002). Kondisi tersebut mengakibatkan wilayah Laut Maluku menjadi salah satu supermarket bencana gempa bumi di Indonesia. Gempa bumi besar sering menimbulkan kerusakan bangunan hingga korban meninggal. Untuk mengurangi dampak tersebut diperlukan adanya pengembangan sistem peringatan dini gempa bumi, salah satunya dengan mengamati prekursor pada variasi medan magnet bumi (Vere-Jones, 1995).

Medan magnet yang terukur pada permukaan tidak konstan karena dipengaruhi oleh faktor eksternal (berkaitan dengan angin matahari dan magnetosfer) dan faktor internal (induksi dan magnetisasi remanen akibat aktivitas litosfer) (Merril dkk., 1996; Mandea dan Purucker, 2005). Banyak teori pembuktian dan percobaan efek tekto-magnetik sebagai akibat variasi stress pada material batuan (Nagata, 1969; Revol dkk.,1997; Kapicka dkk., 1997). Karakteristik medan magnet pada zona subduksi telah diinvestigasi melalui eksperimen analog dan model induksi elektromagnet (Dosso dkk., 1989).

Gambar 1. Model 3D konvergensi Laut Maluku : modifikasi Hall dan

Wilson(2000) (

http://www.sp.lyellcollection.org, 2015) Banyak bukti yang ditemukan bahwa frekuensi elektromagnet dalam pita lebar berasosiasi dengan gempa bumi (Molchanov dan Hayakawa, 2008). Anomali pada emisi ULF merupakan bukti

paling kuat dan penting dalam prekursor gempa jangka pendek karena gelombang frekuensi sangat rendah dapat menjalar ke permukaan dengan mudah dan terekam magnetometer (Ida dkk., 2008). Untuk mendeteksi anomali ULF akibat seismik diperlukan analisis polarisasi rasio komponen vertikal dan horizontal (Hayakawa dkk.,1996). Mekanisme fisis perubahan emisi ULF terkait gempa bumi dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Efek Elektrokinetik (Fenoglio dkk., 1995) yaitu terjadi perubahan tekanan pada batuan yang mengandung deposit silika menghasilkan aliran elektrokinetik, memicu terjadinya gangguan magnet bumi.

2. Efek Induksi, perubahan konduktifitas geo-elektrik (geo-electric Conductivity) di litosfer akibat aktivitas di sumber gempa bumi (Focal Zone) yang menyebabkan perubahan amplitudo pada gelombang elektromagnet non- lithospheric (Mogi, 1985). 3. Efek Micro-Fracturing, (Molchanov dan Hayakawa, 1995) menjelaskan bahwa sumber gempa bumi membangkitkan emisi ULF dan menjalar hingga tercatat oleh magnetometer, tergantung permitivitas dielektrik secara makroskopis (ᵋg) dan konduktivitas (σg).

Penulisan makalah ini bertujuan untuk menentukan anomali ULF akibat aktivitas seismik sebelum gempa besar terjadi di sekitar Laut Maluku.

2. METODE PENELITIAN

Dalam penelitian ini digunakan data MAGDAS dari stasiun seperti pada Tabel 1. Tabel 1. Stasiun MAGDAS yang digunakan.

N o Stasiun Koordinat Lintan g Bujur 1 Manado 1,44 124,84 2 Pare-pare -3,6 119,4 3 Sicincin -0,55 100,3

Gempa bumi yang diteliti anomali ULF terlihat pada Tabel 2.

(3)

Tabel 2. Daftar gempa bumi yang diteliti

Dalam pengolahan untuk mendapatkan sinyal ULF dilakukan proses seperti berikut : 1. Memilih data pengamatan 5 jam tengah

malam waktu lokal ( 22.00-04.00 LT) untuk menghindari gangguan akibat aktivitas manusia dan badai magnet signifikan.

2. Menyaring data dengan bandpass filter pada frekuensi 1/600 sampai 1/3 Hz.

3. Menganalisis spektrum dengan metode PWelch yang membagi panjang sinyal (N data) ke dalam beberapa segmen secara overlapping 50%. Pada setiap segmen dilakukan FFT dengan panjang jendela N+1

E{Pwelch}= (1)

Dengan fs = frekuensi sampling, Ls = panjang data dalam satu segmen, U = normalisasi dari periodigram (Pxx) , W = rectangular windows (1024), p = power dan f = frekuensi yang dipilih.

4. Memilih frekuensi pada 0,012 Hz dan 0,022 Hz (dalam rentang Pc3 dan Pc4)

5. Membuat polarisasi rasio komponen Z dan H setiap stasiun (Sz/SH) serta hasil komponen H antara stasiun Manado dan Sicincin (SH1/SH2).

6. Membuat standar deviasi data dan melakukan moving average 2 harian terhadap hasil polarisasi.

7. Membuat analisis data dan kesimpulan.

3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Analisis gempa 15 November 2014

Kasus gempa pertama, Polarisasi rasio SZ/SH Manado pada frekuensi 0,012 Hz (lihat Gambar 2) terlihat jelas adanya anomali di mana ada peningkatan nilai SZ/SH saat hari tenang sejak tanggal 1

November 2014 dan kembali normal beberapa hari setelahnya. Hari-hari setelah gempa terjadi, ada beberapa anomali yang dapat dikaitkan dengan aktivitas post-seismic. Seperti gempa bumi Spitak (Kopytenko dkk., 1993) emisi ULF muncul beberapa jam sebelum gempa bumi susulan yang kuat. Dalam hal ini, gempa bumi 7,1 Mw diikuti banyak gempa susulan yang tidak berbeda jauh magnitudonya dari gempa utama, sehingga anomali ULF juga muncul saat post- seismic.

Gambar 2. Rasio SZ/SH frekuensi 0,012 Hz Manado. Anomali muncul 11 hari sebelum gempa(titik-titik hitam) dan terjadi badai magnet(titik-titik merah).

Pada stasiun referensi Sicincin, jarak gempa Laut Maluku 7,1 Mw sangat jauh dari stasiun Sicincin, sementara di sekitar tanggal tersebut terjadi gempa di dekat Sicincin. Oleh karena itu, anomali yang terjadi diduga berasal dari gempa di Sumatera 5,4 Mw (lihat Gambar 3).

Gambar 3. Rasio SZ/SH frekuensi 0,012 Hz Sicincin. Anomali ULF bukan merupakan prekursor gempa 7,1 Mw di Laut Maluku. Pada frekuensi 0,022 Hz rasio SZ/SH stasiun Manado juga muncul sejak 1 November 2014 (11 hari sebelum gempa) dan pengaruh badai magnet tidak terlihat jelas (lihat Gambar 4).

(4)

Gambar 4. Rasio SZ/SH frekuensi 0,022 Hz Manado. Anomali muncul 11 hari sebelum gempa(titik-titik hitam) dan terjadi badai magnet(titik-titik merah) Sedangkan frekuensi 0,022 Hz polarisasi SZ/SH stasiun Sicincin juga tidak terlihat anomali sebelum gempa 7,1 Mw (lihat Gambar 5).

Gambar 5. Rasio SZ/SH frekuensi 0,022 Hz Sicincin. Anomali ULF bukan merupakan prekursor gempa 7,1 Mw di Laut Maluku.

Untuk memperkuat hasil dari rasio SZ / SH maka digunakan metode tambahan yaitu rasio SH.Manado / SH.Sicincin pada kedua frekuensi. Anomali yang muncul pada rasio SH.Manado / SH.Sicincin (lihat Gambar 6) diduga berasal dari aktivitas seismik sehingga memperkuat hasil polarisasi SZ / SH stasiun Manado.

Gambar 6. Rasio SH.Manado/SH.Sicincin frekuensi 0,012 Hz. Gempa di Laut Maluku 7,1 Mw 15 November 2014 (bintang kuning), gempa di Sumatera Utara(dekat stasiun Sicincin)5,4 Mw 16 November 2014

(bintang hijau). Terjadi badai magnet ( kotak merah putus-putus).

Hasil rasio SH.Manado / SH.Sicincin frekuensi 0,022 Hz (lihat Gambar 7) hanya menimbulkan anomali relatif kecil namun hal ini dapat digunakan juga untuk memperkuat hasil polarisasi SZ / SH stasiun Manado. Oleh karena itu, kedua metode menjelaskan bahwa anomali untuk gempa 15 November terekam pada emisi ULF.

Gambar 7. Rasio SH.Manado/SH.Sicincin frekuensi 0,022 Hz. Gempa di Laut Maluku 7,1 Mw 15 November 2014 (bintang kuning), gempa di Sumatera Utara(dekat stasiun Sicincin)5,4 Mw 16 November 2014 (bintang hijau). Terjadi badai magnet ( kotak merah putus-putus). 3.2. Analisis gempa 21 desember 2014

Pada kasus gempa kedua, Rasio SZ/SH Manado pada frekuensi 0,012 Hz menunjukkan anomali tanggal 17 Desember sebesar 2,6 dan 4,0. Hari setelahnya, 23 Desember terekam anomali namun bertepatan dengan adanya badai magnet, maka anomaly tersebut tidak dapat dikatakan sebagai prekursor (lihat Gambar 8).

Hasil rasio SZ/SH Pare-pare frekuensi 0,012 Hz (lihat Gambar 9) menunjukkan anomali tanggal 20 dan 21 Desember saat pengaruh badai magnet dan anomali saat hari tenang tidak terlihat. Hal ini kemungkinan

(5)

akibat jarak stasiun Pare-pare jauh dari sumber gempa, maka penjalaran gelombang elektromagnetik tidak mencapai stasiun tersebut. Anomali ULF hanya dapat terdeteksi hingga ratusan km, tergantung energi yang dilepaskan (Eftaxias dkk., 2009).

Gambar 9. Rasio SZ/SH frekuensi 0,012 Hz Pare-pare. Tidak ada anomali muncul saat hari tenang sebelum gempa 6,3 Mw dan terjadi badai magnet(titik-titik merah) Rasio SZ/SH Manado pada frekuensi 0,022 Hz (lihat Gambar 10) muncul anomaly signifikan pada tanggal 17 Desember sebesar 49,82 tepatnya 4 hari sebelum gempa terjadi.

Rasio SZ/SH Pare-pare pada frekuensi 0,022 Hz juga tidak terdapat anomali sebelum gempa terjadi, namun efek badai magnet terekam tanggal 21 dan 23 Desember (lihat Gambar 11).

Gambar 11. Rasio SZ/SH frekuensi 0,022 Hz Pare-pare. Tidak ada anomali muncul sebelum gempa 6,3 Mw dan terjadi badai magnet(titik- titik merah)

Perbandingan komponen H antara stasiun Manado dan Pare-pare dibuat untuk meyakinkan hasil rasio SZ/SH pada gempa 6,3 Mw 21 Desember 2014. Anomali terdeteksi pada 9 dan 19 Desember pada SH.Manado / SH.Pare- pare frekuensi 0,012 Hz (lihat Gambar 12). Anomali ini merujuk pada energi persiapan gempa bumi yang masih terakumulasi untuk kemudian dilepaskan menjadi gempa 21 Desember 2014. Pengaruh badai magnet tidak terlihat.

Gambar 12. Rasio SH.Manado/SH.Pare-pare frekuensi 0,012 Hz untuk gempa 6,3 Mw(bintang kuning). Anomali ULF( bulat hitam putus-putus), dan badai magnet ( kotak merah putus-putus).

Anomali terdeteksi pada 3 dan 18 Desember pada rasio SH.Manado / SH.Pare-pare frekuensi 0,022 Hz (lihat Gambar 13) sebelum gempa terjadi. Efek badai magnet terlihat pada tanggal 20, 21 dan 23 Desember. Hasil yang diperoleh, kedua metode secara efektif dapat menemukan anomali ULF sebelum gempa terjadi.

(6)

Gambar 13. Rasio SH.Manado/SH.Pare-pare frekuensi 0,022 Hz untuk gempa 6,3 Mw(bintang kuning). Anomali ULF( bulat hitam putus-putus), dan badai magnet ( kotak merah putus-putus). 4. KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa anomali ULF dapat digunakan untuk pengamatan prekursor gempa bumi di Laut Maluku fase pra-seismik, terutama pada frekuensi 0,012 Hz dan 0,022 Hz. Fase pra-seismik gempa 15 November 2014 pada frekuensi 0,012 dan 0,022 Hz anomali muncul 14 hari sebelum gempa. Untuk gempa 21 Desember 2014 pada frekuensi 0,012 dan 0,022 Hz anomali muncul 4 hari sebelum gempa.

Ucapan Terima kasih

Terima kasih kami ucapkan kepada ICSWSE dan BMKG untuk penyediaan data gempa bumi dan magnet bumi serta pihak- pihak yang ikut serta atas perbaikan yang bermanfaat dalam penulisan makalah ini.

DAFTAR PUSTAKA

Dosso, H. W., Nienaber, W. dan Chen, J. 1989.Laboratory electromagnetic modeling of the subducting Juan de Fuca plate.Phys. Earth Planet Inter.Vol.53.Hlm.3-4.

Eftaxias, K., L. Athanasopoulou, G. Balasis, M.Kalimeri, Nikolopoulos S., Y. Contoyiannis, J. Kopanas,G.

Antonopoulos dan C.

Nomicos.2009.Unfolding the procedure of characterizing recorded ultra low frequency, kHZ and MHz electromagetic anomalies prior to the L’Aquila earthquake as

pre-seismic ones– Part 1. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 9, 1953-1971, doi: 10.5194/nhess-9-1941-2009.

Fenoglio, M. A., M. J. S.Johnston, dan J. D. Byerlee.1995. Magnetic and electric fields associated with changes in high pore pressure in fault zones: Application to the Loma Prieta ULF emissions. J. Geophys. Res., 100, B7, 12951-12958, doi:10.1029/95JB00076

Hall,R., dan Wilson, M.E.J.2000.Neogene sutures in eastern Indonesia.Journal of Asia Earth Science 18.Hlm.781-808 Hayakawa M., Kawate R., Molchanov O.A,

dan Yumoto K.1996. Result of Ultra-Low frequency magnetic field measurement during the Guam Earthquake of 8 August 1993.Geophys.Res.Lett.23, Hlm.241-244.

Ida Y., Yang D., LI q. Sun H dan Hayakawa

M.2008.Detection of ULF

electromagnetic emissions as a precursor to an earthquake in China with an improved polarization analysis. Nat.Hazard and Earth system sciences. Doi:10.5194/nhess-8-775-2008.

Kapicka,A., E. Petrovsky, dan J. Pohl. 1997.Magnetic anisotropy ofˇ rocks under stress conditions of the earth’s crust (Laboratory modelling),” Physics and Chemistry of the Earth. Vol.22. No. 1-2. Hlm.157–160

Kopytenko,Yu. A, Matiashvili, T.G.,Voronov, P. M., Kopytenko, E.A dan Molchanov, O.A.1993.Detection of ultra-low frequency emissions connected with Spitak earthquake and its aftershock activity, based on geomagnetic pulsation data at Dusheti and Vardzia observatories. Phy. Earth Planet. Int,77. Hlm.85-95. Mandea M. dan M. Purucker.2005.Observing,

modeling, and interpreting magnetic fields of the solid earth.Surveys in Geophysics. Vol.26. No. 4.Hlm. 415–459. Merrill, R. T. , M. W. McElhinny, dan P. L.

McFadden.1996.The Magnetic Field of the Earth. Academic Press. San Diego. California.USA.

Mogi,K. 1985. Earthquake Prediction. Academic Press. Tokyo.Hlm. 382.

(7)

Molchanov, O. dan M.Hayakawa.2008.Seismo Electromagnetics and Related Phenomena: History and latest results. TerraPub, Tokyo, Hlm.189. Molchanov, O., dan M. Hayakawa, 1995.

Generation of ULF electromagnetic emissions by microfracturing. Geophys. Res. Lett., 22.Vol.22.Hlm.3091-3094.doi:10.1029/95GL00781.

Nagata,C.1969.Tectonomagnetism.IAGA Bulletin.Vol.27.Hlm12–43.

Revol, J., R. Day, dan M. D. Fuller.1977.Magnetic behavior of magnetite and rocks stressed to failure relation to earthquake prediction. Earth and Planetary Science Letters.Vol. 37.No.2.Hlm.296–306.

Vere-Jones, D.1995. Forecasting earthquakes and earthquake risk (invited review paper). Int. J. Forecast.Vol. 11.Hlm.503–538.