Penurunan Kecepatan Gelombang dan Gelombang S
Gelombang seismik merupakan getaran yang merambat pada medium batuan dan menembus lapisan bumi. Penjalaran menyebabkan deformasi batuan.Stress atau tekanan didefinisikan gaya persatuan luas. Jika arah gayanya tegak lurus terhadap luasan maka disebut normal stress.
Gambar 1.Gaya stress yang bekerja pada bidang
Jika ditinjau sebuah elemen kecil volume di mana tegangannya berada pada dua permukaan yang tegak lurus terhadap sumbu x, maka komponen-komponen
tegangannya ditunjukan oleh gambar nomor 1. Tegangan normal ditunjukan oleh Pxx
,Pyy dan Pzz . Jika arahnya tangensial terhadap luasan maka disebut gaya shear. Komponen stress pada kubus tiga dimensi seperti pada gambar 1 dapat dituliskan dalam bentuk matrik sebagai berikut :
xx xy xz ij xy yy yz xz yz zz P P P P P P P P P P 1aKarena elemen volume dalam kondisi seimbang maka jumlah momen putarnya adalah nol maka
Pxy Pxz Pyz 0
Pada gambar 2 merupakan luasan bidang dua dimensi telah mengalami regangan. Salah satu titik yang menjadi titik acuan adalah titik P. Komponen pada
titik P mengalami pergeseran dari P menjadi P' dan besarnya pergesaran adalah u dan
v. Bila setiap titik mengalami perpindahan dengan nilai pergeseran yang sama, maka
pergeseran tersebut dinamakan dengan dilatasi. Namun, jika pergeseran nilai u dan v berbeda untuk masing-masing titik, maka persegi tersebut akan mengalami perubahan bentuk dan ukuran dinamakan dengan deformasi.
Regangan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada suatu benda untuk meregangkan benda tersebut. Perubahan fraksional suatu benda elastik baik bentuk maupun dimensinya dinamakan dengan regangan. Analisis kuantitatif dua dimensi regangan dapat diilustrasikan seperti pada gambar 2. Pada gambar dibawah terlihat perubahan posisi koordinat PQRS menjadi P', Q’, R’, S’. Pada saat titik P berubah menjadi P’ akan mempunyai komponen u dan v, misalkan u = u (x,y) danv = v (x,y), maka Gambar 2. Strain pada dua dimensi ( , ); ( , ); S (x, y dy); R (x , ); '( , ); '( , ) S '( u , ) ' ( , ) P x y Q x dx y dx y dy u v P x u y v Q x dx u dx y v dx x x u v x dy y dy v dy y y u v u v R x dx u dx dy y dy v dx dy x y x y
Strain adalah perubahan bentuk pada material atau ukuran. Normal strain pada volume adalah : xx u e x 2a yy v e y 2b zz w e z 2c Pada saat terjadi pergeseran deformasi maka nilai strainya adalah: xz zx w u e e x z 3a xy xy v u e e x y 3b zy xy w v e e y z 3c Dalam bentuk matrik komponen strain dapat ditulis sebagai berikut :
xx xy xz ij xy yy yz xz yz zz e e e e e e e e e e 4 Komponen regangan pada benda yang mengalami perpindahan secara rotasi : xz z y w u x z 5a xy yx v u x y 5b yz zy w v y z 5cHukum Hooke
Dalam hal ini, Hooke merumuskan hubungan antara tegangan dan regangan. Hooke mengemukakan bahwa jika tegangan bekerja pada sebuah benda dan menimbulkan regangan cukup kecil, maka terdapat hubungan secara linier antara tegangan dan regangan. Tanpa memperhitungkan komponen arah atas kedua variabel tersebut, pada medium yang bersifat homogen isotropik. Dalam seismologi, medium elastik yang bersifat homogen isotropik didefinisikan sebagai sifat medium di mana tidak terdapat variasi densitas di dalam medium sehingga gelombang menjalar dengan kecepatan yang sama dalam medium. Hooke mendefinisikan: xx xx P Ee 6a xx yy P Ee 6b xx zz P Ee 6c
Dimana E merupakan konstanta modulus young dan merupakan poisson rasio.
Dari persamaan 6a dapat diketahui bahwa modulus young merupakan rasio antara tegangan normal dan regangan normal. Poison rasio adalah sebuah konstanta elastik yang merepresentasikan sifat fisis batuan. Sama seperti persamaan 6a,b,c maka hubungan antara stress dan strain pada sumbu y dan z sebagai berikut : yy yy P Ee 7a yy xx P Ee 7b yy zz P Ee 7c Dan zz zz P Ee 8a z z xx P Ee 8b zz yy P Ee 8c
Dengan mengkombinasikan persamaan 6,7 dan 8 maka hubungan antara stress dan
3 xx yy zz xx P P P Ee 9a 3 xx yy zz yy P P P Ee 9b 3 xx yy zz zz P P P Ee 9c Persamaan 9 dapat ditulis kembali menjadi :
1
Pxx(PxxPyyPzz)Eexx 10a
1
Pyy (PxxPyy Pzz)Eeyy 10b
1
Pzz (PxxPyyPzz)Eezz 10c Persamaan 10a,b dan c dapat disederhanakan menjadi :
1 2
PxxPyyPzz
E e( xxeyyezz) 11 Benda yang telah terkena gaya stress akan mengalami perubahan yang sangat kecil atau dinamakan dengan deformasi yang besarnya dituliskan pada persamaan berikut : xx yy zz e e e 12 Dengan mensubtitusikan persamaan 12 ke persamaan 11 maka diperoleh :
1 2 xx yy zz E P P P 13 Dengan menggunakan hubungan antara persamaan 12 dan 13. Disubtitusikan kembali ke persamaan 9 maka hubungan antara komponen stress dan komponen strain sebagai berikut : 2 xx xx P e 14a 2 yy yy P e 14b 2 zz zz P e 14cDimana merupakan inkompresibilitas dan adalah rigiditas besarnya sebagai
berikut :
1
(1 2 ) E 15 Dan2(1 ) E
Persamaan 14 merupakan hubungan antara stress normal dengan strain normal. Hubungan antara stress geser dan strain geser sebagai berikut : 2 xy xy P e 16a 2 xz xz P e 16b 2 yz yz P e 16c
Dengan mengkombinasikan persamaan 14a,b,c dan persamaan 16a,b,c hubungan antara stress dan strain untuk bidang padat adalah : 1 0 0 0 1 0 2 0 0 1 xx xy xz xx xy xz xy yy yz xy yy yz xz yz zz xz yz zz P P P e e e P P P e e e P P P e e e 17 Menurut hukum Newton kedua adanya ketidak seimbangan gaya menimbulkan gerak yang besarnya sama dengan massa dikali percepatan : 2 2 xy xx xz y z P P P u t x 18
merupakan densitas sedangkan u merupakan strain dalam arah sumbu x.
Persamaan 18 menghubungkan besaran strain yang dinyatakan dalam bentuk percepatan dimana besarnya dinyatakan dalam 2 2 u t dan besarnya stress xx P x . Hukum Hooke menjelaskan hubungan antara stress dan strain pada medium homogn isotropis sebagai berikut : 2 xx xx P e 19a 2 xy xy P e 19b 2 xz xz P e 19c Dengan mensubtitusikan persamaan 19a,b,c kedalam persamaan 18 dan diassumsikan
2 2 2 2 xy xx xz y z e e e u t x 20 Prinsip dari strain dituliskan dalam persamaan (2a,b,c) dan dilatasi seperti persamaan 12 maka komponen perubahan dapat dituliskan sebagai berikut : u v w x y z 21
Kemudian subtitusikan persamaan 21 dan hubungan antara komponen strain dan komponen perubahan pada persamaan (2a,b,c) dan (3a,b,c) kedalam persamaan 20 maka diperoleh : 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 u u v w u v u w u t x x y z x y x y z x z 22a Persamaan 28a dapat disederhanakan sebagai berikut : 2 2 2 2 2 ( ) 2 2 2 u u v w u v w t x x y z x y z 22b
Dengan mensubtitusikan persamaan 21 dan menggunakan operator laplace
2 2 2 2 2 2 2 x y z kedalam persamaan 22b maka diperoleh : 2 2 2 ( ) u u t x 23a
Dengan cara yang sama maka dapat menghitung komponen perubahan untuk v dan
w 2 2 2 ( ) v v t y 23b 2 2 2 ( ) t z w w 23c
Perpindahan didefinikasn dengan vektor u (
u v w, ,
dan mengkombinasikan2 2 2 ( ) t u u 24 Persamaan 24 merupakan persamaan untuk gelombang yang merambat pada medium isotropis
Untuk memperoleh persamaan gerak gelombang, dapat dilakukan pen-deferensialan ketiga persamaan (23a,b,c) terhadap masing-masing arah.Persamaan 23a diturunkan terhadap x sehingga menjadi : 2 2 2 2 2 2 ( ) 2 2 2 2 u u u u x t x x x y z 25a Persamaan 23b diturunkan terhadap y 2 2 2 2 2 2 ( ) 2 2 2 2 u v v v y t y x x y z 25b Persamaan 23c ditutunkan terhadap z 2 2 2 2 2 2 ( ) 2 2 2 2 w w w w z t x z x y z 25c Penjumlahan dari hasil deferensial pada persamaan (25a,b,c) sebagai berikut : 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) u v w u u u t x y z x y z x x y z u u u u u u y x y z z x y z 26
Subtitusikan persamaan 21 dan operator laplace
2 2 2 2 2 2 2 x y z kedalam persamaan 26 maka diperoleh :
2 2 2 2 t 27 Atau 2 2 2 1 t 28 Penurunan gelombang S 2 2 2 ( ) u u t x 23a
Dengan cara yang sama maka dapat menghitung komponen perubahan untuk v dan
w 2 2 2 ( ) v v t y 23b 2 2 2 ( ) t z w w Persamaan 23b diturunkan terhadap z maka :
2 2 2 2 ( ) v v z t z y z 29a Persamaan 23c diturunkan terhadap y
2 2 2 2 ( ) y t y z w y w 29b Persamaan 29b-29a : 2 2 w v w v t y z y z 30 Subtitusikan persamaan 5c kedalam persamaan 30 sehingga : 2 2 2 yz yz t 31 Dengan melakukan hal yang sama persamaan 23a diturunkan terhadap z
2 2 2 2 ( ) z t z x u z u 32a Persamaan 23c diturunkan terhadap x
2 2 2 2 ( ) x t x z w x w 32b Persamaan 32b dikurangi persamaan 32 a : 2 2 w u w u t x z x z 33 Subtitusikan persamaan 5a kedalam persamaan 33 : 2 2 2 xz xz t Terakhir persamaan 23a diturunkan terhadap y dan persamaan 23b diturunkan terhadap x sehingga :