tomografi struktur tanah di bawah its melalui analisa firstbreak

61
T O M O G R A F I S T R U K T U R T A N A H DI B A W A H ITS
M E L A L U I ANALISA F I R S T B R E A K G E L O M B A N G SEISMIK
Bagus Jaya Santosa* dan Hero Yulianto**
ABSTRAK
Penelitian atas struktur tanah di bawah ITS melalui lubang bor (Geoteknik) bersifat 1 titik dan in-situ,
sehingga untuk daerah yang lebih luas menjadi lebih mahal. Dalam penelitian ini, gelombang seismik yang
dibangkitkan oleh sumber buatan menjalar dalam tanah, dan kemudian ditangkap oleh 12 geofon yang
dipasang pada berbagai jarak offset. Analisa atas waktu datang dari gelombang yang datang pertama akan
menghasilkan gambaran struktur tanah dengan parameter kecepatan gelombang P. Dengan membentuk kurva
waktu tempuh terhadap jarak offset dan penerapan formula Wiechert Herglotz-Bateman (selanjutnya
disingkat W H B ) , diperoleh hubungan antara kedalaman dengan kecepatan. Pengambilan data seismik
meliputi enam lintasan di sekitar kawasan Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, kampus ITS Surabaya.
Hasil perhitungan yang diperoleh adalah kecepatan paling rendah di permukaan sebesar 357,14 meter/detik
dan kecepatan tertinggi di kedalaman 26,5 meter sebesar 2500 meter/detik. Penggabungan enam lintasan
seismik berhasil menggambarkan tomografi struktur bawah permukaan di daerah ITS Surabaya yang
menunjukkan adanya variasi kedalaman di masing-masing lapisan.
Kata kunci: waktu tiba gelombang P, W H B dan struktur tanah
ABSTRACT
The research of the underground structure of ITS area using borehole ended up with ground parameter which
is only one point and in-situ; so for a wider area will become more expensive. In this research seismic waves,
exited by an artificial source, propagate through the ground and recorded by 12 geophohes installed at
different offset distances. By analyzing the onset times offirst breaks versus the offset distances of geophone
and application of W H B method we can obtain the relation between depths and speed of seismic waves. The
acquisition was conducted at six line-profiles around the Civil Engineering Faculty of ITS. The interpretation
showed that the slowest wave speed of 357.14 m/s and the fastest at a depth of about 26.5 m is 2500 m/s. The
lining up of these six profiles describes the tomography of underground land structure of ITS area which
shows depth variations in each layer.
Keywords: first
breaks,
W H B , earth Structure
1. P E N D A H U L U A N
Analisa atas struktur
tanah
sebelumnya
di ITS
menggunakan metoda Geoteknik yang berlangsung
pada satu titik pengeboran. Untuk daerah yang lebih
luas harus digunakan lebih banyak titik pengeboran
dan ini bersifat mahal.
gempa. Geofon merupakan alat perekam gerakan
tanah.
Rekaman seismik atas sumber gelombang buatan
menunjukkan suatu deret waktu yang kompleks,
tersusun
atas
berbagai
fase
dihasilkan oleh interaksi antara
gelombang
yang
medium/strukrur
bertujuan
bumi dengan gelombang datang dan noise. Oleh
• e m p e r o l e h struktur tomografi tanah di bawah ITS
karena itu analisa yang paling sederhana meliputi
*ngan parameter
analisa
Sebagai
alternatif,
penelitian
berupa
ini
kecepatan
gelombang
atas f i r s t break,
yaitu onset dari gelombang
seismik
yang pertama datang, di mana rekaman sebelumnya
Kfaksi. Dimana dalam metoda ini tanah digetarkan
diandaikan relatif tenang, sehingga fase gelombang
oleh sumber seismik berupa benda jatuh bebas dan
ini
actaannya dicatat oleh 12 geofon yang dipasang
kurva yang menyatakan hubungan
pada berbagai jarak offset terhadap titik sumber
tempuh gelombang terhadap terhadap jarak sumber
primer,
dengan
menggunakan
metoda
tampak
tajam.
Selanjutnya
dibentuk
antara
sebuah
wnWtu
seismik-geofon.
•
—
Jurusan F i s i k a , FMIPA,
ITS Surabaya
LSM G E O - A TLAS, S i d o a r j o
V o l . 15, N o . 2, M e i 2004 - Majalah I P T E K
•
62
Analisa data waktu tempuh untuk menemukan
hubungan kecepatan terhadap kedalaman lapisan
merupakan bagian pcnting dalam proses tomografi,
agar diperoleh penggambaran struktur tanah yang
teliti. Metode Wiechert-Herglotz-Bateman (WHB)
meliputi perhitungan derivatif atas data waktu
tempuh, yang menunjukkan struktur kecepatan dan
menghasilkan suatu integrasi terhadap kedalaman
struktur lapisan. Oleh karena itu, metode W H B
berbasis komputer yang diaplikasikan terhadap data
waktu tempuh diharapkan mampu memperoleh
struktur kedalaman lapisan secara tepat.
Gambar
1
memberikan
disebut gelombang seismik refraksi,
yang terlihat dalam Gambar 1.
Gelombang seismik yang
sebagai kurva O-W-S
mengalami
dalam Gambar 1. Waktu
first
breaks
ditunjukkan
dalam Gambar 1 bagian atas.
ilustrasi
penjalaran
gelombang dalam 2 medium homogen berlapis.
Titik sumber diletakkan di 0 dan beberapa geofon
diletakkan pada sumbu x dengan berbagai jarak
offset. Sumber seismik melapaskan energi pada
semua sudut ruang. Penjalaran gelombang ketika
menjumpai suatu antar-muka (yaitu bidang batas
dua medium elastik dengan nilai-nilai parameternya
berbeda) akan menuruti Hukum Snellius, yang
menjelaskan tentang besarnya sudut pantul dan
sudut
bias
(lihat Gambar
1, pada
antarmuka
pertama). Meskipun pada kedua sisi antarmuka nilai
elastik parameter
2. TEORI GELOMBANG SEISMIK
Gelombang seismik yang dihasilkan oleh sumber
akan merambat ke dalam struktur bumi pada semua
arah. Dalam penjalarannya gelombang mengalami
pembiasan
seperti lintasan
Notasi dalam Gambar 1 adalah sebagai berikut: garis
absis menyatakan jarak offset dari 0 dan ordinat
menyatakan waktu tempuh. Masing-masing kurva
menyatakan waktu tempuh dari fase gelombang
tersebut.
pemantulan disebut gelombang seismik refleksi,
seperti lintasan OE dan kurva waktu tempuh
gelombang langsung dinyatakan sebagai garis OF,
seperti diilustrasikan
tempuh dari gelombang
berbeda,
namun
ada
sebuah
parameter yang bemilai tetap, ketika gelombang,
melintasi antarmuka, yaitu parameter sebuah berkas
sinar {ray p a r a m e t e r ) , dinotasikan sebagai p .
Model
inversi W H B berawal
dari metode
ray
tracing, digunakan untuk menginversi kurva waktu
tempuh gelombang menjadi sebuah hubungan antara
kedalaman
terhadap
kecepatan
gelombang.
Diandaikan bahwa medium penjalaran gelombang
bersifat tak homogen vertikal. Parameter-parameter
fisis dalam medium tak homogen vertikal hanya
bervariasi sebagai fungsi kedalaman (z), baik secara
kontinu maupun diskontinu (berubah dengan tibatiba untuk harga kedalaman yang sama). Dalam
Gambar 2 ditunjukkan sebuah contoh model
geometri sinar dalam medium rata datar tak
homogen vertikal kontinyu, sb. Datar kecepatan dan
sb tegak ke bawah adalah kedalaman.
Waktu tempuh suatu gelombang yang bergerak
sepanjang RS melalui lintasan PQ (Gambar 2) dapat
Slope - a t / a I -
dihitung melalui persamaan berikut:
1^.',
T=
= jv-'(z)[l + ( £ ) dx
•0)
2
Sesuai dengan Persamaan (2) tentang parameter p ,
ketika sinar mencapai titik terdalam ( b o t t o m p o i n t ,
_
0
B
z*), akan berlaku hubungan:
*1
n
1 ^
t
*
r
I
P ~
i
sin 0 __
1
v(0)
V
Gambar 1. Kurva travel time untuk gelombang P
first b r e a k (kurva O-W-S) terhadap jarak
sumber seismik-geofon.
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
63
Pada akhirnya, persamaan (8) menjadi:
]
\»
;}*.«,
(9)
ibpe : g
B
\
Sisi sebelah kiri pada persamaan (9) diintegrasikan
secara parsial, sehingga menghasilkan persamaan
berikut (Gubbins 1990):
*0»co*-(£)
Gambar 2. Lintasan sinar seismik dalam medium,
dimana kecepatan bertambah secara
linear terhadap kedalaman.
C-*f^ooA-(f
(10)
tetapi nilai x = 0
bila
p = q,
s
kelambatan di
kedalaman nol (permukaan) diketahui, kemudian
T i p ) = 2 Jv" (z)[v" (z) - p p dz
2
2
(3)
1
batas integrasinya dapat diubah sehingga diperoleh
persamaan:
o
Sedangkan jarak lateral di permukaan adalah:
z.^jcosrT'tfV*
(ii)
0
Iip)^2p\[v'\z)-p r-dz
(4)
2
dengan
Dari
persamaan
(4),
kemudian
dilakukan
peagubahan batas integrasinya dan didefinisikan
q = \/v(z*),
yaitu slowness
di titik pantul
r-
"rang, maka terbentuklah persamaan berikut:
P = P(x) =f
(12)
dan
9 i = P ( * . ) = £L,
(13)
p
<P)
= 2pf—
F v
/c\
W-P )"h <,
2
q*
d
( 5 )
adalah harga q di pennukaan tanah.
§i§i pada Persamaan
P,
yang mencakup
bingga
sinar
:*
dengan
(5) diintegrasikan
semua
bergerak
sinar dari
mendatar
</, = l / v ( z * )
di
dan
•t^^iasilkan persamaan:
Sedangkan harga kecepatan di kedalaman z, dapat
dihitung dari persamaan:
* i) i
r
=
(i4)
Persamaan (11) dan (14) dikenal sebagai perumusan
Wiechert-Herglotz-Bateman (WHB) dan merupakan
perumusan inti yang digunakan untuk mentomografi
struktur tanah melalui analisa waktu tiba dan
derivatifnya.
.(6)
3. L O K A S I AKUSISI D A T A
•(7)
mm)**
Akusisi data seismik dilakukan di lapangan Fakulta*
Teknik SipiJ dan Perencanaan (FTSP), kampus ITS
Surabaya. Setiap lintasan terdiri atas sumber seismik
dan urutan geofon sebagai penerima di permukaan.
.(8)
Vol. 15, No. 2, Mei 2004 - Majalah IPTEK
64
Dalam Gambar 3, SP-ITS01, SP-ITS02, SP-ITS03
dan SP-ITS4 adalah lintasan-lintasan seismik yang
diakusisi. Pada lintasan SP-ITS05 dan SP-ITS06,
rentang
lateralnya 70 meter dengan
arah
penembakan tepat menuju ke arah selatan,
sedangkan jarak
antar lintasan 20 meter.
Penembakan
lintasan
seismik
dilakukan
menggunakan metode off-end.
N e a r offset masingmasing lintasan 15 meter dan f a r offset
setiap
lintasan adalah 70 meter. Peta lokasi pengambilan
data seismik refraksi ditunjukkan dalam Gambar 3.
penelitian ini, perekaman data dilakukan satu kali
untuk setiap lintasan seismik. Dengan demikian,
jumlah perekaman yang diperiukan untuk enam
lintasan seismik adalah enam file. Lintasan SPITS01 mengambil data dari file mcl78sx.org dan
fase awal seismogram ditampilkan dalam Gambar 4.
D a t a Ssiamik L a p a n g a n
FISP-ITS
offset I B m. ch. - B n
4. ANALISA DATA
Akusisi data menghasilkan data lapangan yang siap
diouallsa dengan bantuan komputer. Akusisi data
seismik yang dilaksanakan pada tahun 2000,
sebelum
bangunan
untuk
Jurusan
Teknik
Lingkungan dibangun.
Akusisi data seismik refraksi dilakukan dengan
menggunakan benda jatuh bebas seberat 23 kg dari
ketinggian 3 m. Geofon diletakkan sebagai larikan
dengan offset pertama 15 m dan jarak antar geofon 5
m.
Gerakan tanah akibat tumbukan benda jatuh
bebas direkam selama 2,048 detik dalam bentuk
format digital.
Data tersebut berbentuk satu unit arsip data (data
file) untuk setiap lintasan seismik. Masing-masing
file mewakili satu kali perekaman
data. Pada
.3d
Gambar 4. Inset dari Rekaman data seismik lintasa
SP-ITS01, bulatan kecil menunjukka
waktu tiba g e l o m b a n g f i r s t b r e a k s .
Dalam Gambar 4, sumbu mendatar menyataka
domain waktu, sedangkan masing-masing kurva k
arah vertikal menyajikan rekaman seisroggram pa
masing-masing geofon, n e a r offset 15 m. Kare
gambar ini hanya inset dari keseluruhan panja
rekaman yang hingga 2048 detik, sementara renta
dalam gambar kurang dari 60 ms, sehingga ga
minor sekalipun tidak muncul pada penskala
SP-1T5D4
SP-1T503
— sp-rrscrz
SP-lTSOl
— T
t
s
FTSP
//7;::
f
\
.
••
"
s
>
Gambar 3. Lokasi akusisi data seismik di utara Sipil ITS.
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
65
waktu. Dari masing-masing trace seismik dicuplik
saat datang dari gelombang first breaks
(titik-titik
5.
PENAMPANG
Penghalusan data waktu tiba gelombang first breaks
( s m o o t h i n g ) dilakukan untuk mereduksi data yang
tidak diinginkan, yaitu titik data waktu tempuh
mempunyai gradien yang tidak sesuai atau
menyimpang (menunjukkan gradien kurva terhadap
jarak offset bernilai negatif). Metode penghalusan
data yang digunakan adalah dengan memberikan
faktor bobot pada titik-titik tetangga dari titik yang
sedang dianalisa ( w e i g h t e d r u n n i n g
average).
Setelah proses penghalusan dilakukan kurva waktu
tempuh gelombang P kemudian diplot terhadap
jarak lateral, sebagaimana terlihat dalam Gambar 5.
BAWAH
PERMUKAAN
Pertama
dalam Gambar 4).
STRUKTUR
ditunjukkan
adalah
bagaimana
hasil
penerapan dari persamaan (11) dan persamaan (14)
terhadap data yang
seperti
ditunjukkan
dalam
Gambar 5, disajikan dalam Gambar 6.
Oroflk K » d o l a m o n T«rhodap K « a « p a t a n
KuiVii Fiist bieok still pemjlialiisan
100
1000
K«ctpotan
1
15
1
20
i
1
25
30
i
35
i
40
1
45
50
r-—i
1
1
1
55 60 65 70
JaiakGwfon
5. Hasil p i c k i n g alas waktu tiba gelombang
pertama dan setelah penghalusan.
&ft-data
tempuh kemudian dianalisa dengan
•eaggunakan metoda W H B . Analisa dilakukan
« a r a berurutan, dimulai dari titik pertama untuk
•caiperoleh struktur kecepatan paling dangkal.
Dengan menghitung gradien dari kurva waktu
lanpuh dan memasukkan ke dalam persamaan (11)
i m . (14) diperoleh hubungan antara kedalaman
demean kelambatan (invers dari kecepatan) di
I H I I I I I I I in tsb. Dengan
melakukan perulangan
kagga 5emua titik data, diperoleh kurva kecepatan
-" - - . :_r.;si kedalaman (lihat Gambar 6).
w
a
k
t
u
1800
2000
(miUr/nkon)
Gambar 6. Hasil inversi kecepatan
perambatan
dalam tanah terhadap kedalaman, pada
data lintasan SP-ITS01
melalui
persamaan (11) dan (14).
Selanjutnya hasil dari keempat lintasan, yaitu SPITS02, SP-ITS03 dan SO-ITS04 dikompilasi untuk
memperoleh penampang struktur kecepatan. Hasil
akhir perhitungaii W H B adalah graflk kecepatan
perambatan gelombang terhadap kedalaman pada
masing-masing lintasan. Jika beberapa lintasan yang
saling sejajar digabungkan akan terlihat penampang
struktur bawah permukaan. Empat lintasan yang
sejajar (lihat Gambar 7), yaitu: SP-ITS01, SP-ITS02,
SP-ITS03 dan SP-ITS04 digabungkan menjadi satu
penampang. Hasil tomografi dari keempat lintasan
tersebut terlihat dalam Gambar 7. Arah lintasan pada
penampang seismik tersebut adalah tepat mengarah
ke utara.
Vol. 15, No. 2, M e i 2004 - Majalah IPTEK
66
4HI
,<b
Gambar 7. £
rn
E£EJ3
^
> < X » . )1S0
•111I
l M M
||~r^j
kecepatan rambat gelombang pada tanah di lap angan utara
Dalam Gambar 7 terlihat bahwa struktur lapisan
Kecepatan penjalaran gelombang seismik dalam
tanah berhubungan dengan kerapatan partikel dalam
medium tersebut. Karena semakin dalam tekanan
tanah semakin besar maka kecepatan juga
membesar. Sehingga dapat dideduksi, batuan
semakin dalam juga menjadi lebih kompak. Tana
di kedalaman lebih dari 20 m diduga merupaka
tanah yang lebih keras.
5-10 meter memiliki kecepatan sebesar
meter. Penelitian ini menunjukkan berapa ketebalan
lapisan alluvium yang bersifat lunak di bawah ITS.
bawah permukaan di daerah FTSP ITS cenderung
datar, terutama pada kedalaman dekat permukaan
yaitu
kedalaman
antara
0-5
meter,
dengan
kecepatan kurang dari 1000 meter/detik. Adanya
beberapa kemiringan juga terlihat pada kedalaman
antara 5-20 meter, dengan kecepatan antara 10002000
meter.
Kecepatan
360-1000
meter/detik
terletak di kedalaman antara 0-5 meter. Pada
kedalaman
1000-1500 meter/detik. Kecepatan antara 1500-1750
meter/detik terletak di kedalaman 10-15 meter. Pada
kedalaman 15-20 meter terdapat kecepatan antara
6.
SIMPULAN
WHB
2100-2500 meter/detik terdapat di kedalaman 20-25
Berdasarkan hasil pengujian sintetik antara mode
1750-2000 meter/detik, sedangkan kecepatan antara
dengan model r a y t r a c i n g diperoleh hasi
Hasil pengolahan data dari lintasan SP-ITS0
hingga SP-ITS06 menunjukkan variasi kecepata
antara 357,14-2500 meter/detik yang berada d
kedalaman antara 0-26,5 meter. Berdasarkan dat
kecepatan
dan
kedalaman yang diperole
diperkirakan struktur tanah di daerah ITS, yait
alluvium yang memiliki kecepatan antara 350-160
meter/detik (Grant dan West 1965), terletak pad
kedalaman antara 0-10 meter, kemudian lempun
{ s h a l e ) yang mempunyai kecepatan antara 100
Dengan memperhatikan kondisi geologi di daerah
Surabaya Timur, berupa endapan alluvium, struktur
tanah di daerah ITS memiliki kecepatan antara 3501600 meter/detik (merujuk dari Tabel kecepatan
gelombang seismik dalam berbagai batuan (Grant
dan West 1965), terletak pada kedalaman antara 010 meter, kemudian shale yang mempunyai
kecepatan antara 1000-2500 meter/detik (Kearey
dan Brooks 1984), terletak di kedalaman antara 5-25
struktur bawah permukaan.
kedalaman antara 0-25,9 meter.
metode altematif dalam penggambaran tomograf
di
363,64-2500,00
bahwa pemodelan W H B dapat digunakan sebaga
juga menunjukkan adanya variasi kecepatan antara
kesesuaian antara 96-100%. Hal ini menunjukka
kecepatan pada lintasan SP-ITS05 dan SP-ITS06
kesesuaian
meter.
Hasil
dari perhitungan
meter/detik
kedalaman dan
yang
terletak
yang
cukup
baik,
dengan
rasi
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
67
2500 meter/detik (Kearey dan Brooks 1984), terletak
di kedalaman antara 5-25 meter. Struktur tanah
tesebut
juga
menunjukkan
adanya variasi
kedalaman di setiap lapisan tanah. Metoda ini
•empunyai keunggulan dapat dengan cepat
digunakan untuk menduga struktur kecepatan tanah
yang bersifat kontinyu. Namun gagal jika diterapkan
pada model bumi berlapis, yang antannukanya
ditunjukkan dengan perubahan parameter elastik
tanah yang signifikan. Daerah penelitian di ITS
merupakan lapisan tanah hasil pengendapan sungai
Brantas yang merupakan sedimentasi muda,
sehingga perlapisan masih belum terbentuk. .
DAFTAR ACUAN
Grant, F.S. dan West, G.F. (1965), Interpretation
Theory in Aplied Geophysics, M c Graw
Hill, New York.
Gubbins, D. (1990), Seismology and Plate
Tectonics, Cambridge University Press,
Cambridge.
Kearey, P. dan Brooks, M . (1984), An Introduction
to Geophysical Exploration, Blackwell
Scientific, Oxford.
Vol. 15, No. 2, Mei 2004 - Majalah IPTEK