PENENTUAN KEDALAMAN KERAK BUMI - HFI DIY

38
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010
hal. 38-41
PENENTUAN KEDALAMAN KERAK BUMI MENGGUNAKAN TEKNIK
STACKING H-κ DATA RECEIVER FUNCTION UNTUK GEMPA JAUH
W. Suryanto
Lab. Geofisika, Jurusan Fisika UGM, [email protected]
Drajad Ngadmanto, Pupung Susilanto
Puslitbang BMKG, Jakarta
INTISARI
Telah dilakukan pembuatan alat bantu untuk memodelkan kedalaman kerak bumi menggunakan metode H-κ dengan
menggunakan MATLAB. Kedalaman kerak bumi didekati dengan menggunakan informasi waktu tunda dari fase gelombang Ps
yang merupakan konversi dari pantulan gelombang P menjadi gelombang S pada batas mantel-kerak bumi. Akurasi ditingkatkan
dengan menggunakan bantuan dari waktu tiba fase-fase gelombang lain yang tiba setelahnya, yaitu fase gelombang PpPs dan
PpSs+PsPs. Program diuji menggunakan model kecepatan 4 lapis dengan variasi kecepatan yang besar berada pada kedalaman
38 Km. Dari hasil perhitungan dengan menggunakan metode stacking H-κ ini diperoleh kedalaman interface kerak sebesar 38 km
yang bersesuaian dengan model yang dibuat. Perhitungan dengan H dan κ masing-masing sebanyak 13 sample (total 13 × 13
kali perhitungan maju receiver function) diperlukan waktu selama 3,7 menit pada komputer dengan processor Intel Atom dan
memori sebesar 1 GHz.
Kata Kunci: function, stacking H-κ , MATLAB
I. PENDAHULUAN
Salah satu cara untuk mendapatkan informasi mengenai struktur di bawah permukaan bumi adalah
dengan melakukan analisis data gempabumi. Berbagai metode telah dikembangkan salah satunya
adalah menggunakan teknik receiver function. Keuntungan dari teknik receiver function ini adalah
pada kemampuannya untuk bisa memodelkan struktur di bawah stasiun pengamatan gempa hanya
dengan menggunakan satu buah seismometer 3 komponen. Metode receiver function ini cukup popular
dan terbukti mampu merekonstruksi struktur di bawah permukaan dengan tingkat kesesuaian dengan
informasi geologi dan informasi dengan metode geofisika yang lain dengan cukup tinggi (Zhu dan
Kanamori, 2000).
Beberapa penelitian mengenai pemrosesan data receiver function ini diantaranya dilakukan oleh
Ammon et al., (1990) yang melakukan inversi dari data receiver function untuk memodelkan struktur
kecepatan di bawah stasiun pencatat gempabumi. Dalam paper ini akan diimplementasikan salah satu
teknik pemrosesan data receiver function, yaitu metode stack H-κ berdasarkan Zhu dan Kanamori,
(2000) dengan menggunakan bahasa MATLAB. Dengan bahasa MATLAB diharapkan program ini
lebih dinamis terutama dalam menggambarkan hasil perhitungannya dalam bentuk grafis dan antar
muka dengan sarana-sarana yang lain di dalam MATLAB (Tool Box). Keuntungan ini tidak diperoleh
pada program yang dibuat dengan bahasa pemrograman yang lain, misal fortran atau C++.
II. KONSEP DASAR STACKING H-κ
Receiver function dari gelombang teleseismik menggambarkan struktur kerak bumi di sekitar
stasiun penerima (receivers), yang diperoleh dengan cara mendekonvolusikan komponen gerak radial
dengan fungsi waktu dari sumber gempanya. Biasanya fungsi waktu dari sumber gempa bisa didekati
dengan menggunakan komponen vertikal dari rekaman seismik 3 komponen. Dalam banyak kasus,
biasanya fungsi waktu dari sumber dapat diperoleh dengan menjumlahkan (stacking) komponen
vertikal untuk beberapa even gempa yang terekam pada stasiun. Bisa juga stack dilakukan untuk
sebuah even yang direkam oleh beberapa stasiun penerima yang saling berdekatan (array seismic)
(Svenningsen dan Jacobsen, 2007). Detil perhitungan receiver function dapat ditemukan antara lain
dalam Owens and Crosson, (1988). Implementasi perhitungan receiver function dalam bahasa
MATLAB telah dilakukan oleh Suryanto et al, (2009).
Informasi mengenai perkiraan kedalaman kerak bumi di bawah stasiun pencatat gempa dapat
diperoleh dari rekaman data receiver function pada komponen radial yang didominasi oleh konversi
energy gelombang P ke S dari pantulan-pantulan pada perlapisan-perlapisan di bawah kerak bumi.
Karena kontras kecepatan pada batas antara kerak bumi dan mantel (Moho-discontinuity) cukup besar,
biasanya fase gelombang konversi pada batas Moho ini (Ps) terlihat paling besar pada komponen radial
receiver function. Sebagai ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 1 yang merupakan komponen radial
receiver function sintetik hasil perhitungan dengan menggunakan model kerak bumi sebagaimana yang
diberikan dalam Tabel 1.
ISSN 0853 - 0823
W. Suryanto, dkk/ Penentuan Kedalaman Kerak Bumi Menggunakan Teknik Stacking H-κ Data Receiver
Function Untuk Gempa Jauh
39
Tabel 1. Model kecepatan lapisan bumi untuk mendapatkan receiver function seperti pada Gambar 1.
Lapisan
1
2
3
4
Ketebalan, km
5,5
10,5
16,0
--
Vs, km/s
3,18
3,64
3,87
4,50
Vp/Vs (κ)
1,73
1,731
1,731
1,733
Dari model sintetik ini jelas sekali kelihatan fase gelombang Ps, PpPs, dan PpSs+PsPs, masingmasing pada t sekitar 4 detik, 14 detik dan 17 detik. Indeks fase yang dituliskan dalam huruf kecil
berarti lintasan ke arah atas. Zhu dan Kanamori, 2000 merumuskan hubungan antara selang waktu
kedatangan fase gelombang P dan Ps dengan kedalaman interface di bawah permukaan dengan
persamaan
(1)
dengan p adalah parameter gelombang. vP dan vS masing-masing adalah kecepatan gelombang P dan S.
Menurut Zhu dan Kanamori, 2000, penggunaan fase gelombang ini sangat baik karena hampir tidak
terpengaruh oleh heterogenitas kearah lateral, sehingga sangat baik untuk keperluan pengukuran
dengan stasiun tunggal (point measurement). Lebih jauh, dengan menggabungkan dari banyak titik
pengukuran, citra model struktur di bawah permukaan dapat digambarkan sehingga mirip dengan
image yang diperoleh dengan teknik tomografi.
0.09
0.085
0.08
Slowness [s/km]
0.075
0.07
0.065
0.06
0.055
0.05
0.045
0.04
0
5
10
Time [s]
15
20
Gambar 1. Fungsi receiver komponen radial sebagai fungsi dari slowness, p untuk
model kecepatan sebagaimana yang diberikan dalam Tabel 1.
Dalam kenyataanya, untuk data pengamatan (real data), biasanya penentuan fase gelombang Ps ini
tidak mudah, karena biasanya fase ini bercampur dengan koda dari gelombang P dan fase-fase dari
perlapisan-perlapisan di dekat permukaan bumi, serta derau dari latar (ambient noise) dan juga
hamburan. Untuk itu bisanya dilakukan penjumlahan (stacking) terhadap beberapa event yang terekam
pada sebuah stasiun yang sama pada kawasan waktu (Owens et al,1984).
ISSN 0853 - 0823
40
W. Suryanto, dkk/ Penentuan Kedalaman Kerak Bumi Menggunakan Teknik Stacking H-κ Data Receiver
Function Untuk Gempa Jauh
Untuk melakukan estimasi ketebalan kerak, dilakukan stacking data receiver function dalam
domain H-κ, dengan menggunakan persamaan
(2)
dengan r(t) adalah receiver function pada komponen radial, t1, t2 dan t3 adalah waktu tiba perkiraan
fase-fase Ps, PpPs dan PpSs+PsPs untuk model kecepatan dengan kedalaman H dan Vp/Vs (κ). wi adalah
.
akan bernilai tinggi pada pada saat ke tiga fase
factor pembobot dengan kriteria
gelombang tersebut memiliki koherensi maksimum ketika di stack pada saat nilai H dan κ yang
bersesuaian.
III. PENGUJIAN PADA DATA SINTETIK
Tahap pertama dalam melakukan uji metode penjumlahan H-k ini adalah dengan membangkitkan
model uji dengan nilai seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2. Hasil perhitungan komponen radial
receiver function dari model ini ditunjukkan oleh Gambar 2. Dari Gambar 2 ini terlihat bahwa fase-fase
gelombang Ps, PpPs dan PpSs+PsPs terlihat dengan jelas. Pada model ini, kontras yang paling besar
terjadi pada kedalaman 38 km yang merupakan batas antara kerak bumi dengan mantel bumi (Lapisan
Moho). Hasil perhitungan s(H-κ) untuk receiver function ini ditunjukkan oleh Gambar 3. Dari Gambar
3 tersebut didapatkan koherensi maksimum terjadi pada kedalaman 38 km yang sangat bersesuaian
dengan model yang dibuat.
Tabel 2. Parameter ketebalan dan kecepatan lapisan untuk menguji metode H-κ.
Lapisan
1
2
3
4
Ketebalan, km
5,5
13,5
19,0
--
Vs, km/s
3,18
3,64
3,87
4,50
Vp/Vs (κ)
1,73
1,731
1,731
1,733
Gambar 2. Komponen radial receiver function yang dihitung menggunakan
model seperti yang diberikan pada Tabel 2.
ISSN 0853 - 0823
W. Suryanto, dkk/ Penentuan Kedalaman Kerak Bumi Menggunakan Teknik Stacking H-κ Data Receiver
Function Untuk Gempa Jauh
41
Gambar 3. H-κ plot untuk receiver function seperti pada Gambar 3. Koherensi maksimum terjadi
pada kedalaman 38 km yang bersesuaian dengan model kerak bumi yang digunakan.
Perhitungan dengan H dan κ masing-masing sebanyak 13 sample (total 13x13 kali perhitungan
maju receiver function) diperlukan waktu beberapa detik saja pada komputer dengan processor Intel
Atom dan memori sebesar 1 GHz. Dengan demikian, metode ini cukup efektif digunakan sebagai salah
satu alat untuk menentukan kedalaman kerak bumi secara quick and dirty pada suatu green area yang
belum diketahui karakteristik ketebalan keraknya, seperti di wilayah Indonesia.
IV. KESIMPULAN
Dari penelitian ini telah dihasilkan sebuah program berbahasa MATLAB untuk memperkirakan
ketebalan kerak bumi menggunakan metode H-κ stack. Digunakan data sintetik 4 lapis, dengan model
H dan κ masing-masing sebanyak 13 sampel, diperlukan waktu perhitungan 3,7 menit dengan
menggunakan komputer dengan processor Intel Atom dan memori sebesar 1 GHz. Tentu saja waktu
perhitungan akan jauh lebih cepat apabila program dijalankan dalam PC standard dengan memori >
2GB.
V. UCAPAN TERIMAKASIH
Riset ini dibiayai oleh PUSLITBANG BMKG Jakarta melalui Proyek Analisis Prediktibilitas
Gempabumi dan Tsunami 2009 (ANPRED 2009).
VI. DAFTAR PUSTAKA
Ammon, C.J., Randall, G.E. and Zandt, G. 1990. On the nonuniqueness of receiver function
inversion, J. Geopys. Res. 95, pp. 15303-15318.
Owens, T. J. Zandt, G., and Taylor, S.R., 1984. Seismic Evidence for an Ancient Rift Beneath the
Cumberland Plateau, Tennessee: A Detailed Analysis of Broadband Teleseismic P Waveforms,
Journal Geophysical Research v.89, pp:7783-7795.
Owens, T. J. and Crosson. R.S., 1988. Shallow structure effects on broadband teleseismic P
waveform, Bulletin of the Seismological Society of America, v.77, pp:96-108.
Suryanto W., Nurdiyanto, B., dan Pakpahan S., 2010. Implementasi Perhitungan Receiver Function
untuk gempa jauh (teleseismic) menggunakan MATLAB. Submitted to Jurnal Geofisika
Meteorologi BMKG, Jakarta.
Svenningsen, L. and Jacobsen, B. H. and 2007. Absolute S-velocity estimation from receiver
function. Geophys. J. Int, 170, pp. 1089-1094.
Zhu, L. and Kanamori, H. 2000. Moho depth variation in southern California from teleseismic
receiver functions. Journal of Geophysical Research, 105(B2).
ISSN 0853 - 0823