BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Gempabumi
Seorang Seismolog Amerika, Reid (K.E Bullen, 1965, B. Bolt, 1988) mengemukakan suatu teori yang menjelaskan mengenai bagaimana umumnya gempa itu terjadi. Teori ini dikenal dengan nama “Elastic Rebound Theory”. Menurut teori ini, gempabumi terjadi pada daerah yang mengalami deformasi. Deformasi batuan terjadi akibat adanya tegangan (stress) dan tarikan (strain) pada lapisan bumi. Tekanan atau tarikan yang terus-menerus menyebabkan daya dukung pada batuan akan mencapai batas maksimum hingga akhirnya menimbulkan rekahan atau patahan secara tiba-tiba. Energi stress yang tersimpan inilah yang akan dilepaskan sehingga terbentuklah gempabumi.
2.2 Jenis-jenis Gelombang Gempa
Pada saat patahan atau pergeseran mendadak terjadi di dalam kerak bumi, maka suatu energi akan menyebar ke luar sebagai gelombang gempa. Ada beberapa jenis gelombang gempa yang berbeda, yaitu
1. Gelombang badan (body wave) bergerak melalui bagian dalam bumi
Secara umum, ada dua tipe utama dari gelombang badan (body waves), yaitu :
a. Gelombang primer, disebut gelombang P (gelombang Compressional). Kecepatannya ±1-5 mil/detik, tergantung pada material yang dilalui gelombang pada saat bergerak. Kecepatan gelombang P lebih besar dari kecepatan dari gelombang lain dan merambat pada meterial apapun, maka gelombang P tiba pertama pada setiap lokasi permukaan. b. Gelombang Sekunder, disebut juga gelombang S atau gelombang
Shear, tertinggal sedikit di balik gelombang P.
Gambar 2.1 Gelombang P dan Gelombang S
Didasarkan pada sifat gerakan partikel media elastik, yaitu dua tipe gelombang permukaan, yaitu gelombang Rayleigh dan gelombang Love.
1. Gelombang Rayleigh. Gelombang Rayleigh merupakan gelombang permukaan yang gerakan partikel medianya merupakan kombinasi gerakan partikel yang disebabkan oleh gelombang P dan gelombang S.
2. Gelombang Love. Gelombang love biasanya dinotasikan dengan gelombang-L atau gelombang-Q. Gelombang ini merupakan gelombang permukaan yang menjalar dalam bentuk gelombang transversal, yakni merupakan gelombang-SH yang penjalarannya paralel dengan permukaan
Titik dalam perut bumi yang merupakan sumber gempa dinamakan hiposenter atau focus. Sedangkan, episenter merupakan lokasi dipermukaan yang merupakan proyeksi vertikal dari titik hiposenter. Pada penyebaran gelombang di Bumi kita ketahui bahwa idealnya bumi memiliki sifat murni elastis, sehingga gelombang seismik mengalami refleksi, refraksi dan transmisi energi pada batas kontrol amplitudo dari pulsa seismik. Bumi sebenarnya tidak elastis sempurna, dan propagasi gelombang mengalami pelemahan seiring dengan berjalannya waktu karena berbagai mekanisme pelepasan energi (Lay dan Wallace, 1995).
2.2.1 Penentuan Jenis Sesar
Orientasi sesar ditentukan oleh parameter bidang sesar yang terdiri dari :
1. Strike (φ) : Adalah sudut yang dibentuk oleh jurus sesar dengan arah utara. Strike diukur dari arah utara kearah timur searah dengan jarum jam hingga jurus patahan (0° ≤φ≤360°) .
horizontal dan diukur pada bidang vertikal dengan arahnya tegak lurus jurus patahan (0° ≤δ≤90°).
2. Rake (λ) : Adalah sudut yang dibentuk arah slip dan jurus patahan. Rake berharga positif pada patahan naik (Thrust Fault) dan negatif pada patahan turun (Normal Fault) (-180° ≤λ≤ 180° ) diperlihatkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Parameter orientasi bidang sesar ( Sabar Ardiansyah, 2013).
Klasifikasi sesar berdasarkan gerak relatifnya sepanjang bidang batas sesar adalah :
1. Sesar turun atau (normal fault), bila hanging wall pada sesar tersebut relatif turun terhadap foot wall. Parameter sesar jenis ini akan memenuhi nilai δ = 0 dan δ = π/2 (π = radian / 180º) serta nilai λ terletak dalam rentang (-π – 0).
2. Sesar naik (thrust fault), bila hanging wall pada sesar tersebut relatif naik terhadap foot wall. Parameter jenis ini memiliki nilai δ = 0 dan δ =π/2 dan λ terletak dalam rentang (π - 0).
3. Sesar mendatar (strike slip fault) bila arah gerakan relatif blok pada sesar tersebut sejajar dengan jurus (strike). Parameter jenis ini memiliki nilai δ =π/2 dan λ = 0 atau π. Sesar jenis ini dapat dibagi lagi menjadi dua jenis yaitu
Tiga jenis sesar utama beserta mekanisme fokusnya diperlihatkan pada Gambar 2.3 di bawah ini
Gambar 2.3 Tiga jenis sesar utama beserta mekanisme fokusnya. Berturut- turut dari atas ke bawah sesar turun (a), sesar naik (b), dan sesar geser (c) (Lowrie, 2007).
2.2.2 Energi Magnitudo M
Saat ini, dengan broadband digital rekaman dan program komputer yang
cepat. Energi seismik E
E
S
log E
patahan dapat ditentukan secara langsung dengan
mengintegrasikan fluks energi radiasi dalam kecepatan kuadrat seismogram di
atas durasi dari proses sumber dan mengoreksi untuk efek penyebaran geometris
,redaman dan pola radiasi. Sebuah metode yang dikembangkan oleh Boatwright
dan Choy (1986) diterapkan pada NEIC untuk menghitung energi radiasi untuk
gempa dangkal mb > 5,8 dengan 400 kejadian gempa.
2.3 Laut Maluku
Laut Maluku terletak di bara Provinsi
selatan .
Laut Maluku merupakan arLaut Maluku menjadi area gempabumi aktif.tercatat gempabumi Mw=6,6 yang terjadi 26 Agustus 2012 yang berpusat di
timur laut Manado kemudian disusul dengan gempa berkekuatan Mw=5,1 pada 27 Agustus
2012. Pada tanggal 29 Desember 2013 terjadi gempa Mw=5,7. Di daerah Laut Maluku juga
sering terjadi gempa susulan dengan rata-rata kekuatan kisaran 5,0 MW hingga kini.
Secara tektonik, pulau Halmahera terletak di antara tiga lempeng yaitu lempeng Indo-Australia, lempeng, lempeng Eurasia, dan lempeng Pasifik (Hall, 1999). Lempeng Australia terletak dibagian selatan dan dibatasi di bagian selatan oleh sistem sesar Sorong, yang merupakan zona transpresif kompleks yang memanjang ke timur lebih dari 1500 km, dari Papua Nugini sepanjang batas utara pulau Papua hingga kearah barat sekitar 800 km menuju Sulawesi. Lempeng Eurasia memiliki batas timur di patahan Filipina selatan dan terus ke sesar Halmahera Barat (Silver dan Moore, 1978). Lempeng Eurasia di wilayah Asia Tenggara dan Filipina merupakan daerah yang kompleks dan menyangkut banyak lempeng kecil yang bergerak semi-independen. Lengan barat pulau Halmahera sebagian besar tertutup oleh produk vulkanik muda, sehingga perkembangan tektonikanya tidak dapat dikenali dengan baik.
2.4 Gunung Berapi
bentuk timbulan di muka bumi, pada umunya berupa suatu kerucut raksasa, kerucut terpacung, kubah ataupun bukit yang diakibatkan oleh penerobosan magma ke permukaan bumi.
Planet bumi mempunyai struktur tertentu, yaitu kerak bumi, lapisan selubung, dan inti bumi yang dapat memicu terjadinya dinamika dari bagian dalam inti bumi yaitu tektonik dan gunungapi. Tektonik gunungapi merupakan dinamika bumi utama yang menghasilkan bentukan-bentukan muka bumi makro, erosi, transportasi dan sedimentasi pembentukan muka bumi mikro, seperti lembah-lembah dan dataran.
Kerak bumi adalah suatu lempeng yang rigid/kaku dan bergerak satu terhadap yang lainnya diatas suatu cairan plastis (astenosfer) seperti ban berjalan “conveyor belt”. Lempeng-lempeng tersebut bergerak relatif 5-10 cm/ tahun, yang masing-masing bergerak saling menjauh (divergen), dan saling bertubrukan yaitu konvergen dan saling berpapasan. Dari proses tersebut maka terbentuklah pegunungan berapi atau pegunungan tengah samudera/mid oceanic ridge.
Selain karena pergerakan lempeng disamping itu karena adanya gaya endogen. Ketika magma yang bersifat asam akan bergerak keatas karena lebih ringan sedangkan yang bersifat basa di bagian bawah. Gerakan pemisahan magma di dalam dapur magma tersebut akan menimbulkan gaya keatas, mendobrak batuan penyusun kerak bumi dan apibila ada kesempatan akan muncul ke permukaan lewat celah-celah retakan atau lewat pipa gunung api. Magma yang keluar ke permukaan bumi dari proses ekstrusi dinamakan lava.
yangpernah digagas oleh Tanaka dkk. (2004). Secara tidak langsung earth tides juga dapat berpengaruh terhadap aktivitas vulkanik, namun menurut Neuberg (2004) pengaruh earth tides sangat kecil, sehingga tidak dapat dikatakan sebagai pemicu erupsi gunungapi. Tanaka dkk. (2004) menggagas nilai perubahan stress akibat earth tides adalah sekitar 1 kPa. Berdasakan hal tersebut dapat disimpulkan bahwa jika suatu gempabumi dianggap sebagai gempabumi pemicu atau berpengaruh terhadap peningkatan aktivitas vulkanik bahkan sampai terjadi erupsi, maka besarnya perubahan stress yang diakibatkan oleh gempabumi haruslah ±10 kPa. Sedangkan apabila perubahan stress nya ±1 kPa yang merupakan nilai perubahan stress akibat earth tides. Berdasarkan beberapa hal di atas, informasi mengenai keberadaan kantong magma suatu gunungapi menjadi penting dalam rangka mencari pengaruh perubahan stress akibat gempabumi terhadap peningkatan aktivitas hingga memungkinkan terjadinya erupsi gunungapi.
2.4.1 Gunung Soputan
Gunung Soputan merupakan salah satu gunung aktif tipe strato yang terletak di Kec. Tombatu, Minahasa–Sulawesi Utara. Dengan letak koordinat 01o06’30” LU dan 124o43’BT. Gunung Soputan memiliki ketinggian 1783,7 mdpl. Geomorfologi gunung Soputan dan sekitarnya dapat dikelompokkan ke dalam tiga satuan morfologi yang meliputi satuan morfologi tubuh gunungapi, satuan morfologi perbukitan dan morfologi dataran.
Soputan yang selalu didahului oleh gempa-gempa tremor yang kemudian diikuti oleh swarm gempa guguran dan gempa vulkanik. Terjadinya gempa tremor menunjukkan bahwa magma berada pada tahap pergerakan menuju permukaan. Terjadinya Gempa Tremor yang berulang-ulang mencerminkan terjadinya beberapa kali suplai magma ke permukaan yang pada akhirnya menyebabkan terjadinya akumulasi tekanan di permukaan. Hilangnya gempa tremor menjelang letusan yang kemudian diganti dengan swarm gempa guguran dan gempa vulkanik menunjukkan bahwa tekanan di bawah permukaan kubah telah benar-benar jenuh, sehingga pergerakan magma terbatas. Namun karena tekanan yang begitu tinggi menyebabkan kondisi kubah mulai tidak stabil dan memicu terjadinya peningkatan gempa guguran. Ketika kondisi kubah mulai melemah, tekanan yang tinggi mampu mendobrak kubah lava sehingga terjadi letusan ekplosif
2.4.2 Gunung Gamalama
Gunung Gamalama merupakan salah satu gunung aktif tipe strato tipe A yang terletak di Kota Ternate (Pulau Ternate), provinsi Maluku Utara. Dengan letak koordinat 0o48'LU dan 127o
Gamalama adalah salah satu gunungapi aktif yang terletak di busur pulau Halmahera, sebelah timurlaut Maluku. Wilayah ini diperkirakan sebagai daerah pertemuan beberapa lempeng diantaranya Lempeng Pasifik, Eurasia, dan Indo-Australia serta lempeng kecil yang lainnya. Pulau Ternate yang dibentuk oleh gunung Gamalama mengambil tempat di atas jalur penunjaman (subduction zone) yang miring ke timur dengan sudut yang kecil. Morfologi Gamalama umumnya
landai di bagian pantai, tetapi menjadi lebih curam ke arah puncak.
2.5 Konsep Perubahan Coulomb Stress (Coulomb Stress Change )
Gagasan awal tentang mekanika batuan pertama kali dikemukakan oleh Amonton pada tahun 1699 yang selanjutnya dikembangkan oleh Coulomb pada tahun 1733 (Lay dan Wallace, 1995). Amonton memberikan rumusan yang kemudian disebut sebagai hukum kedua Amonton yang dirumuskan seperti pada Persamaan (2.2) sebagai berikut :
�= µs��
Dengan � adalah tekanan yang diperluakan untuk membuat batu pecah (bar atau pa), µ
(2.2)
s
Persamaan transformasi dapat dihasilkan dalam bentuk grafik seperti yang diketahui siklus Bundaran Mohr. Dimaana bentuk transformasi
adalah koefesien gesek statis, dan �� adalah tegangan normal yang bekerja pada batuan (bar atau Pa).
����� ����� (2.3)
Gempabumi terjadi ketika tegangan geser menekan yang bekerja pada patahan mrupakan yang cukup besar mengatasi tegangan normal (clamp), dalam kombinasi dengan gesekan, menghalangi patahan klem dari slip. Keseimbangan ini dapat ditandai dengan kriteria coulomb failure (Jaeger & Cook 1979, Scholz 1990) yang stres kegagalan Coulomb kritis, σc
σ
, diberikan oleh
c = τ - µ ( σn
Dalam kriteria Coulomb, patahan terjadi pada bidang ketika coulomb stress σ
– p ) (2.4)
f
σ
melebihi nilai spesifik
Dimana τβ adalah tegangan geser pada bidang patahan, σβ
Slip potensial mengarah kekanan atau kekiri. Nilai dari � dalam hal ini harus selalu positif, namun sebaliknya proses yang berlangsung dalam mencari nilai stress ke patahan dapat diberikan nilai positif maupun negatif bergantung pada slip potensial mengarah ke kanan atau ke kiri. Dalam bidang patahan orientasi � ke sudut �1 kita dapat menyebut komponen stress yang ditunjukkan untuknya sebagai stress utama.
adalah tegangan normal, p adalah tekanan pori fluida dan µ adalah koefisien gesek.
σβ = ��(��+��)−��(��+��)����� 1 adalah stress utama terbesar dan �3
σ
adalah stress utama terkecil. Pers.(2.4) menjadi:
f = �
�(��− ��)R(sin �� − ������R) -
�
�µ(��+��)R+ ��
Pers.(2.6) diturunkan sebagai fungsi � dan didapat Coulomb Stress maksimum apabila:
(2.8)
Tan �� R=
Nilai P merubah normal stress efektif sepanjang bidang patahan seperti ditunjuk persamaan (1). Ketika stress batuan berubah dengan cepat selanjutnya P berubah dalam aliran jalar. Nilai P dapat dihubungkan dengan koefisien Skemptons B, dimana nilainya bervariasi antara 0 dan 1. Koefisien friksi efektif dalam penelitian stress koseismik bervariasi antara 0,0 hingga 0,75, dengan nilai rata-rata � = 0,4(Okada, 1992). Persamaan (1) selanjutnya dapat ditulis dengan asumsi bahwa �� mewakili batasan stress seperti normal stress pada bidang.
σf = τβ - �’σβ
Dimana koefisien friksi efektif dinyatakan dengan �′=(1−�). Selanjutnya
jika �ƒ > 0 potensial slip akan meningkat dan jika �ƒ<0 potensial slip akan berkurang. Kalkulasi �ƒ yang disebabkan oleh gempabumi bergantung kepada geometri dan distribusi slip, asumsi magnitudo, orientasi stress regional serta nilai dari asumsi koefisien friksi. Rasio dari amplitude stress regional terhadap stress drop gempabumi hanya berdampak signifikan di dekat patahan. Dimana ketidakpastian �ƒ dalam beberapa kejadian selalu didominasi oleh ketidakpastian distribusi slip.
(2.10)
Dalam sistem dimana sumbu x dan sumbu y dan perpindahan patahan adalah horizontal dan patahan bidang vertikal (termasuk arah x), tegangan pada bidang sebagai sudut Ψ dari sumbu x diberikan
σ11=σxx cos2ψ + 2σxysinψcosψ + σyysin2
Dalam system koordinat pada gambar di atas ditunjukan bidang patahan (failure plane) dikenakan normal stress �� yang dapat disebut komponen stress utama. Selanjutnya orientasi stress utama terhadap sudut � akan membentuk �1 sebagai stress utama terbesar dan � sebagai stress utama terkecil. �� adalah shear stress pada bidang patahan.
ψ (2.11)
Dari persamaan di atas, dapat dituliskan perubahan coulomb stress untuk lateral kanan σ�� dan lateral kiri σ�� diajukan dalam bidang yang berorientasi pada
dengan ψ dengan sumbu x
��� = ���� + µ' σ33
atau
(2.12)
ΔCFF = Δτ + µs Δσ
Ilustrasi perubahan Coulomb stress (King, 1994) di atas. Panel
menunjukkan peta dilihat dari patahan strike-slip vertikal tertanam dalam setengah
ruang elastis, dengan beban dikenakan kemiringan menuju patahan berakhir.
Perubahan stres digambarkan oleh warna bergradasi; hijau mewakili tidak ada
perubahan dalam stres. (A) presentasi grafis dari persamaan 8 King dan lain-lain
(1994), sebuah perhitungan "patahan spesifik" (B) presentasi grafis dari
persamaan 13 (King, 1994 ), untuk berorientasi patahan optimal strike-slip ("opt
strike-slip").
Dalam coulomb, kita akan menjelajahi empat jenis penerima patahan: (1)
"penentuan" penerima patahan di mana semua patahan memiliki geometri
penerima patahan seragam, (2) patahan secara optimal berorientasi untuk patahan,
(3) penerima patahan pada geometri diatur dalam file input, dan (4) mekanisme
fokal file , di mana selalu ada dua bidang patahan orthogonal. Orientasi optimal
merupakan fungsi dari regional stress ( juga disebut "tektonik" ), stres diteruskan
sumber patahan, dan koefisien gesekan diasumsikan pada penerima patahan. e
2.6 Gempa Susulan Aceh (26 Desember 2004) terhadap Distribusi Perubahan Tekanan Coulomb stress Change
berpusat pada koordinat 3.09 LU 94.26 BT dengan kedalaman 28.6 km. Gempa ini memiliki solusi bidang sesar dengan strike atau arah jurus 329°, dip atau kemiringan sesar 8°, serta rake atau arah slip 110°. Gempabumi ini merupakan gempabumi terbesar dalam kurun waktu 40 tahun terakhir. Dengan panjang rupture mencapai 1200 km.
Pada perhitungan nilai Coulomb stress, asumsi yang dipakai berdasarkan metode elastic setengah ruang/elastic half-space, (Stein et al. (1994), Poisson’s ratio 0.25, koefesien friksi efektif 0.4, dan modulus geser 3.3 x 104
Distribusi Coulomb stress dapat dilihat pada Gambar 2.10, secara umum terdistribusi membujur sepanjang arah baratlaut-tenggara mengikuti zona bidang patahan. Pada segmen bagian selatan patahan, dengan nilai ΔCFS berkisar 0.03
MPa, meskipun selama empat tahun terdapat lebih dari lima gempa besar (M> 7.0) setelah gempa utama, namun tiga diantara gempa M>7.0 tersebut berada pada wilayah penurunan nilai ΔCFS atau wilayah nilai negatif.
MPa. Plotting distribusi gempabumi untuk gempa magnitudo M>4.0 diambil dari website USGS.
Gambar 2.5 memperlihatkan hubungan antara distribusi gempa susulan terhadap spasial nilai ΔCFS. Sekitar 49.8% gempa susulan terdistribusi pada area
ΔCFS dengan nilai positif atau wilayah peningkatan tegangan, dengan 46% nya
berada pada zona sumber bidang failure. Sedangkan pada area penurunan nilai tegangan yang ditunjukan nilai ΔCFS negatif (-1 sampai -0.1 MPa) sekitar 60% gempa susulan terdistribusi pada area ini.
2.7 Aktifitas Vulkanik Gunung Merapi Maret 2014 yang Dipengaruhi Gempa Tektonik
diantaranya yaitu menyebabkan gelembung bertekanan menjadi semakin banyak sehingga tekanan didalam kantong magma semakin bertambah, sehingga terjadi penekanan di sekitar kantong magma. Akibatnya akan menimbulkan rekahan
rekahan/patahan memperbesar rekahan patahan pada batuan yang ada di tubuh gunung Merapi yang ditandai dengan terjadinya gempa vulkano Merapi.
(a) (b)
Gambar 2.5 Distribusi akumulasi ΔCFS setelah gempabumi 25 januari 2014,
(a) crossline distribusi horizontal; (b)Distribusi vertikal hingga
