Analisis Coulomb Stress Gempabumi Halmahera Barat Mw=7,2 Terhadap Aktivitas Vulkanik Gunung Soputan dan Gunung Gama
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.
Jika dua lempeng bertemu pada suatu sesar, keduanya dapat bergerak
saling menjauh, saling mendekati atau saling bergeser. Umumnya, gerakan ini
berlangsung lambat dan tidak dapat dirasakan oleh manusia namun terukur
sebesar 1-10 cm pertahun. Kadang-kadang gerakan lempeng ini lambat dan saling
mengunci, sehingga terjadi pengumpulan energi yang berlangsung terus sampai
pada suatu saat batuan pada lempeng tektonik tersebut tidak lagi kuat menahan
gerakan tersebut sehingga terjadi pelepasan mendadak yang dikenal sebagai
gempa bumi (Oktaviani, 2012).
Universitas Sumatera Utara
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
2. Gelombang permukaan (surface wave) bergerak di atas permukaan bumi., yaitu
gelombang yang bertanggung jawab atas kebanyakan dari kerusakan berhubungan
dengan gempabumi, karena menyebabkan vibrasi-vibrasi yang paling kuat.
Gelombang permukaan berasal dari gelombang badan yang mencapai permukaan.
Universitas Sumatera Utara
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°) .
1. Dip (δ) : Adalah sudut yang dibentuk oleh bidang sesar dengan bidang
Universitas Sumatera Utara
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 leftlateral slip fault bila nilai λ = 0 dan right-lateral slip fault bila nilai λ= π.
4. Gerakan kombinasi sesar mendatar dengan sesar naik turun yaitu oblique fault.
Universitas Sumatera Utara
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. Berturutturut dari atas ke bawah sesar turun (a), sesar naik (b), dan
sesar geser (c) (Lowrie, 2007).
2.2.2
Energi Magnitudo M E
Saat ini, dengan broadband digital rekaman dan program komputer yang
cepat. Energi seismik E S 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.
log E S = 1.5 M S + 4.4
(2.1)
Universitas Sumatera Utara
2.3 Laut Maluku
Laut Maluku terletak di barat Samudra Pasifik yang terletak di dekat
Provinsi Maluku, Indonesia. Laut ini membatasi Laut Sulawesi, Laut Banda di
selatan, Halmahera, Seram, Buru, dan Sulawesi.
.
Laut Maluku merupakan area gempabumi aktif. Laut 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
Menurut para ahli menyatakan bahwa gunung api (vulkan) adalah suatu
Universitas Sumatera Utara
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.
Erupsi gunungapi dapat dipicu oleh faktor internal maupun faktor
eksternal. Beberapa faktor eksternal pemicu erupsi gunungapi diantaranya adalah
Universitas Sumatera Utara
perubahan iklim (Friedel dkk., 2004) dan gempabumi (Cañón-Tapia, 2013).
Gempabumi dapat mengubah stress statis disekitar kantong magma, selain itu
stress dinamis yang muncul akibat lewatnya gelombang seismik gempabumi bisa
menginduksi kondisi fisis magma didalam reservoir (Cañón-Tapia, 2013). Selain
adanya perubahan stress statis yang akan timbul setelah gempabumi terjadi dan
bersifat permanen. Ada juga stress dinamis yang akan muncul pada saat
gelombang seismik dari gempabumi lewat dan stress ini hanya bersifat sementara.
Gempabumi juga bisa menyebabkan adanya perubahan stress quasi-statis yang
juga dapat memicu terjadinya erupsi (Hill dkk., 2002). Apabila gunungapi sedang
dalam kondisi kritis maka perubahan stress disekitar kantong magma dapat
memicu terjadinya erupsi. Namun jika gunungapi tidak sedang berada pada
kondisi kritis, perubahan stress akibat gempabumi mungkin hanya akan
meningkatkan aktivitasnya saja yang belum tentu dapat menimbulkan terjadinya
erupsi. Suatu gempabumi dikatakan dapat memicu gempabumi lainnya jika
gempabumi pemicu tersebut dapat menyebabkan perubahan stress pada suatu
patahan disekitar sumber gempabumi minimal sebesar 10 kPa (Stein, 1999). Jika
lebih
kecil dari itu maka suatu gempabumi belum bisa
dikatakan sebagai
gempabumi pemicu utama gempabumi lainnya. Analog dengan hal itu, besarnya
perubahan stress minimal yang dimungkinkan dapat memicu peningkatan
aktivitas vulkanik hingga terjadinya erupsi yaitu juga sebesar 10 kPa, jika kurang
dari nilai itu maka suatu gempabumi belum bisa dikatakan sebagai gempabumi
pemicu utama terjadinya peningkatan aktivitas vulkanik dan erupsi gunungapi
(Walter, 2007a). Namun perubahan stress pada suatu medium tidak hanya
disebabkan oleh gempabumi saja tetapi bisa juga oleh earth tides seperti
Universitas Sumatera Utara
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.
Adapun data kegempaan yang terjadi, terdapat kemiripan aktivitas
kegempaan sebelum letusan Hal ini menunjukkan karakteristik letusan gunung
Universitas Sumatera Utara
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 benarbenar 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 127o19’30”BT. Gunung Soputan memiliki ketinggian
1715 mdpl, 1690 di atas Kota Ternate.
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 IndoAustralia 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
Universitas Sumatera Utara
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 :
�= µ s � �
Dengan
(2.2)
� adalah tekanan yang diperluakan untuk membuat batu
pecah (bar atau pa), µ s adalah koefesien gesek statis, dan �� adalah
tegangan normal yang bekerja pada batuan (bar atau Pa).
Persamaan transformasi dapat dihasilkan dalam bentuk grafik seperti
yang diketahui siklus Bundaran Mohr. Dimaana bentuk transformasi
��
��
�
��
�� �
(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, σ c , diberikan oleh
σc = τ - µ ( σn – p )
(2.4)
Dalam kriteria Coulomb, patahan terjadi pada bidang ketika coulomb
stress σ f melebihi nilai spesifik
σ f = τ β - µ(σ β – p)
(2.5)
Universitas Sumatera Utara
Dimana τ β adalah tegangan geser pada bidang patahan, σ β adalah tegangan
normal, p adalah tekanan pori fluida dan µ adalah koefisien gesek.
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.
�
�
σ β = (�� + �� ) − (�� + �� )�����
�
(2.6)
�
�
τ β = − (�� − �� ) sin��
�
(2.7)
R
Di mana � 1 adalah stress utama terbesar dan � 3 adalah stress utama terkecil.
Pers.(2.4) menjadi:
�
�
σ f = (�� − �� ) (sin �� − ������ ) - µ(�� + �� ) + ��
(2.8)
Tan �� = 1/�
(2.9)
�
R
R
�
R
Pers.(2.6) diturunkan sebagai fungsi � dan didapat Coulomb Stress maksimum
apabila:
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.
Universitas Sumatera Utara
σ f = τ β - �’ σ β
(2.10)
Dimana koefisien friksi efektif dinyatakan dengan �′=(1−�). Selanjutnya
jika �ƒ > 0 potensial slip akan meningkat dan jika �ƒ4.0 diambil dari website
USGS.
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.
Gambar 2.4 Coulomb stress Failure gempa Aceh 26 Desember 2004 dan
susulannya
Universitas Sumatera Utara
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
Secara umum hasil perhitungan stress perubahan Merapi akibat beberapa
gempabumi di Selatan Pulau Jawa relatif kecil bahkan mendekati nol. Hal
tersebut terjadi karena jarak beberapa gempabumi yang ditinjau dengan
gunung Merapi relatif mencapai ratusan kilometer, sehingga energinya tidak
mampu
untuk
mengubah stress mencapai
10
kPa.
Berdasarkan hasil
perhitungan, diperoleh perubahan tegangan oleh gempabumi tanggal 25 Januari
2014 di Gunung Merapi dengan amplitudo maksimum mencapai sekitar 14
kPa nilai ini untuk perubahan disebabkan oleh gempabumi lainnya. Perubahan
diakibatkan
oleh
gempabumi
tanggal
25 Januari 2014 bisa jadi dapat
mempengaruhi peningkatan aktivitas gunung Merapi hingga terjadinya erupsi
karena besarnya perubahan tegangan langsung terjadi beberapa saat setelah
gempabumi terjadi, melainkan dalam rentang waktu sekitar 44 hari setelah
gempabumi 25 Januari 2014 (Hermawan, 2014). Hal tersebut bisa jadi karena
pada saat itu Merapi belum berada pada kondisi kritis perubahan menyebabkan
erupsi. Perubahan perubahan kondisi fisis magma didalam kantong magma,
Universitas Sumatera Utara
diantaranya
yaitu menyebabkan
banyak sehingga
tekanan
gelembung bertekanan
didalam
kantong
menjadi
magma semakin
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)
Gambar 2.5
(b)
Distribusi akumulasi ΔCFS setelah gempabumi 25 januari 2014,
(a) crossline distribusi horizontal; (b)Distribusi vertikal hingga
100 km
Universitas Sumatera Utara
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.
Jika dua lempeng bertemu pada suatu sesar, keduanya dapat bergerak
saling menjauh, saling mendekati atau saling bergeser. Umumnya, gerakan ini
berlangsung lambat dan tidak dapat dirasakan oleh manusia namun terukur
sebesar 1-10 cm pertahun. Kadang-kadang gerakan lempeng ini lambat dan saling
mengunci, sehingga terjadi pengumpulan energi yang berlangsung terus sampai
pada suatu saat batuan pada lempeng tektonik tersebut tidak lagi kuat menahan
gerakan tersebut sehingga terjadi pelepasan mendadak yang dikenal sebagai
gempa bumi (Oktaviani, 2012).
Universitas Sumatera Utara
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
2. Gelombang permukaan (surface wave) bergerak di atas permukaan bumi., yaitu
gelombang yang bertanggung jawab atas kebanyakan dari kerusakan berhubungan
dengan gempabumi, karena menyebabkan vibrasi-vibrasi yang paling kuat.
Gelombang permukaan berasal dari gelombang badan yang mencapai permukaan.
Universitas Sumatera Utara
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°) .
1. Dip (δ) : Adalah sudut yang dibentuk oleh bidang sesar dengan bidang
Universitas Sumatera Utara
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 leftlateral slip fault bila nilai λ = 0 dan right-lateral slip fault bila nilai λ= π.
4. Gerakan kombinasi sesar mendatar dengan sesar naik turun yaitu oblique fault.
Universitas Sumatera Utara
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. Berturutturut dari atas ke bawah sesar turun (a), sesar naik (b), dan
sesar geser (c) (Lowrie, 2007).
2.2.2
Energi Magnitudo M E
Saat ini, dengan broadband digital rekaman dan program komputer yang
cepat. Energi seismik E S 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.
log E S = 1.5 M S + 4.4
(2.1)
Universitas Sumatera Utara
2.3 Laut Maluku
Laut Maluku terletak di barat Samudra Pasifik yang terletak di dekat
Provinsi Maluku, Indonesia. Laut ini membatasi Laut Sulawesi, Laut Banda di
selatan, Halmahera, Seram, Buru, dan Sulawesi.
.
Laut Maluku merupakan area gempabumi aktif. Laut 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
Menurut para ahli menyatakan bahwa gunung api (vulkan) adalah suatu
Universitas Sumatera Utara
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.
Erupsi gunungapi dapat dipicu oleh faktor internal maupun faktor
eksternal. Beberapa faktor eksternal pemicu erupsi gunungapi diantaranya adalah
Universitas Sumatera Utara
perubahan iklim (Friedel dkk., 2004) dan gempabumi (Cañón-Tapia, 2013).
Gempabumi dapat mengubah stress statis disekitar kantong magma, selain itu
stress dinamis yang muncul akibat lewatnya gelombang seismik gempabumi bisa
menginduksi kondisi fisis magma didalam reservoir (Cañón-Tapia, 2013). Selain
adanya perubahan stress statis yang akan timbul setelah gempabumi terjadi dan
bersifat permanen. Ada juga stress dinamis yang akan muncul pada saat
gelombang seismik dari gempabumi lewat dan stress ini hanya bersifat sementara.
Gempabumi juga bisa menyebabkan adanya perubahan stress quasi-statis yang
juga dapat memicu terjadinya erupsi (Hill dkk., 2002). Apabila gunungapi sedang
dalam kondisi kritis maka perubahan stress disekitar kantong magma dapat
memicu terjadinya erupsi. Namun jika gunungapi tidak sedang berada pada
kondisi kritis, perubahan stress akibat gempabumi mungkin hanya akan
meningkatkan aktivitasnya saja yang belum tentu dapat menimbulkan terjadinya
erupsi. Suatu gempabumi dikatakan dapat memicu gempabumi lainnya jika
gempabumi pemicu tersebut dapat menyebabkan perubahan stress pada suatu
patahan disekitar sumber gempabumi minimal sebesar 10 kPa (Stein, 1999). Jika
lebih
kecil dari itu maka suatu gempabumi belum bisa
dikatakan sebagai
gempabumi pemicu utama gempabumi lainnya. Analog dengan hal itu, besarnya
perubahan stress minimal yang dimungkinkan dapat memicu peningkatan
aktivitas vulkanik hingga terjadinya erupsi yaitu juga sebesar 10 kPa, jika kurang
dari nilai itu maka suatu gempabumi belum bisa dikatakan sebagai gempabumi
pemicu utama terjadinya peningkatan aktivitas vulkanik dan erupsi gunungapi
(Walter, 2007a). Namun perubahan stress pada suatu medium tidak hanya
disebabkan oleh gempabumi saja tetapi bisa juga oleh earth tides seperti
Universitas Sumatera Utara
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.
Adapun data kegempaan yang terjadi, terdapat kemiripan aktivitas
kegempaan sebelum letusan Hal ini menunjukkan karakteristik letusan gunung
Universitas Sumatera Utara
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 benarbenar 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 127o19’30”BT. Gunung Soputan memiliki ketinggian
1715 mdpl, 1690 di atas Kota Ternate.
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 IndoAustralia 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
Universitas Sumatera Utara
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 :
�= µ s � �
Dengan
(2.2)
� adalah tekanan yang diperluakan untuk membuat batu
pecah (bar atau pa), µ s adalah koefesien gesek statis, dan �� adalah
tegangan normal yang bekerja pada batuan (bar atau Pa).
Persamaan transformasi dapat dihasilkan dalam bentuk grafik seperti
yang diketahui siklus Bundaran Mohr. Dimaana bentuk transformasi
��
��
�
��
�� �
(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, σ c , diberikan oleh
σc = τ - µ ( σn – p )
(2.4)
Dalam kriteria Coulomb, patahan terjadi pada bidang ketika coulomb
stress σ f melebihi nilai spesifik
σ f = τ β - µ(σ β – p)
(2.5)
Universitas Sumatera Utara
Dimana τ β adalah tegangan geser pada bidang patahan, σ β adalah tegangan
normal, p adalah tekanan pori fluida dan µ adalah koefisien gesek.
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.
�
�
σ β = (�� + �� ) − (�� + �� )�����
�
(2.6)
�
�
τ β = − (�� − �� ) sin��
�
(2.7)
R
Di mana � 1 adalah stress utama terbesar dan � 3 adalah stress utama terkecil.
Pers.(2.4) menjadi:
�
�
σ f = (�� − �� ) (sin �� − ������ ) - µ(�� + �� ) + ��
(2.8)
Tan �� = 1/�
(2.9)
�
R
R
�
R
Pers.(2.6) diturunkan sebagai fungsi � dan didapat Coulomb Stress maksimum
apabila:
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.
Universitas Sumatera Utara
σ f = τ β - �’ σ β
(2.10)
Dimana koefisien friksi efektif dinyatakan dengan �′=(1−�). Selanjutnya
jika �ƒ > 0 potensial slip akan meningkat dan jika �ƒ4.0 diambil dari website
USGS.
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.
Gambar 2.4 Coulomb stress Failure gempa Aceh 26 Desember 2004 dan
susulannya
Universitas Sumatera Utara
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
Secara umum hasil perhitungan stress perubahan Merapi akibat beberapa
gempabumi di Selatan Pulau Jawa relatif kecil bahkan mendekati nol. Hal
tersebut terjadi karena jarak beberapa gempabumi yang ditinjau dengan
gunung Merapi relatif mencapai ratusan kilometer, sehingga energinya tidak
mampu
untuk
mengubah stress mencapai
10
kPa.
Berdasarkan hasil
perhitungan, diperoleh perubahan tegangan oleh gempabumi tanggal 25 Januari
2014 di Gunung Merapi dengan amplitudo maksimum mencapai sekitar 14
kPa nilai ini untuk perubahan disebabkan oleh gempabumi lainnya. Perubahan
diakibatkan
oleh
gempabumi
tanggal
25 Januari 2014 bisa jadi dapat
mempengaruhi peningkatan aktivitas gunung Merapi hingga terjadinya erupsi
karena besarnya perubahan tegangan langsung terjadi beberapa saat setelah
gempabumi terjadi, melainkan dalam rentang waktu sekitar 44 hari setelah
gempabumi 25 Januari 2014 (Hermawan, 2014). Hal tersebut bisa jadi karena
pada saat itu Merapi belum berada pada kondisi kritis perubahan menyebabkan
erupsi. Perubahan perubahan kondisi fisis magma didalam kantong magma,
Universitas Sumatera Utara
diantaranya
yaitu menyebabkan
banyak sehingga
tekanan
gelembung bertekanan
didalam
kantong
menjadi
magma semakin
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)
Gambar 2.5
(b)
Distribusi akumulasi ΔCFS setelah gempabumi 25 januari 2014,
(a) crossline distribusi horizontal; (b)Distribusi vertikal hingga
100 km
Universitas Sumatera Utara