017 Bagus JS - Jurnal FMIPA Unila

J. Sains MIPA, April 2007, Vol. 13, No. 1, Hal.: 66 - 72
ISSN 1978-1873
ANALISIS GEMPA BUMI SUMATRA BARAT C050294B DI BIDANG SUBDUKSI
SUMATRA PADA BERBAGAI STASIUN OBSERVASI ASIA TIMUR
Bagus Jaya Santosa
Jurusan Fisika, FMIPA, ITS,
Jl. Arif Rahman Hakim 1, Kampus ITS Sukolilo,
Surabaya 60111, Indonesia
E-mail: [email protected]
Diterima 25 Mei 2006, perbaikan 14 Desember 2006, disetujui untuk diterbitkan 18 Desember 2006
ABSTRACT
This research analyzes the seismogram of an earthquake C050294B, in West Sumatra to investigate the S speed
structure under South-East Asia through seismogram fitting, where the seismogram data is recorded in some East Asia
observational stations. The seismogram comparison between the observed and synthetic seismogram is carried out in
time domain and three Cartesian components simultaneously. The GEMINI program is used to calculate the synthetic
seismogram, where the input is initially the global earth model of PREMAN. A low-pass filter with frequency of corner at
20 mHz is subjected to both seismograms. Very strong deviation is found by seismogram comparison that on the arrival
time, oscillation number and is amplitude height, on surface wave of Love and Rayleigh, and body wave S. A correction
to the S speed structure is needed, that covers earth crust depth, gradient of speed’s polynomial that a positive for h in
upper mantle and values of zero order coefficients for in the upper mantle, and a little change at S speed in earth layers
under the upper mantle till the CMB depth to obtain the seismogram fitting. The obtained seismogram fitting is excellent
on waveform, as well as the time travel or the oscillation number. The research’s result shows that the South-East Asia
zone has a strong negative anomaly of S speed structure in upper mantle. This result differs from other seismological
result.
Keywords : Seismogram comparison, negative anomaly, SE Asia
1. PENDAHULUAN
Plat-plat benua dan lautan mengambang di atas mantel
yang quasi plastis. Arus-arus konveksi dalam lapisan
mantel atas merupakan gaya-gaya utama yang
mengontrol terjadinya gerakan-gerakan plat-plat benua
dan lautan. Tumbukan antara plat lautan dengan benua
mengakibatkan tersubduksinya plat lautan ke bawah
plat benua, karena plat lautan mempunyai rapat jenis
yang lebih besar (batuan basaltik), sedangkan
tumbukan antara plat benua dengan plat benua, misal
Asia dan India menghasilkan pegunungan tinggi, misal
Himalaya, Alpen dan Andes Terdorongnya plat-plat
berlanjut oleh karena adanya arus konveksi tetap dalam
mantel, sebagai akibat dari pendinginan bumi yang
terhambat oleh kulit bumi, merupakan penyebab
terjadinya gempa bumi dan selanjutnya menghasilkan
deformasi deformasi. Karena pergesekan plat lautan
yang terbenam ke dalam plat benua, terbentuk Benioffzone, dimana partikel tanah akan meleleh dan muncul
ke permukaan bumi menjadikan gunung api. Dan
proses subduksi akan mengangkat tepian benua
menjadi pegunungan yang letaknya sejajar dengan
bidang subduksi lautan Hindia dengan benua Asia,
sebagaimana misal dapat kita lihat pada Pegunungan
Bukit Barisan sepanjang pantai barat Sumatra, dari
66
Tengah hingga Utara. Sejajar dengan Bukit Barisan
berada palung laut di sebelah barat Sumatra. Dengan
kecepatan pergeseran plat lautan Hindia sekitar 11
cm/tahun, merupakan struktur yang potensial untuk
memicu terjadinya gempa bumi.
Di tahun-tahun terakhir, tomografi gelombang seismik,
global dengan rutin memproses data-data travel-time,
sebagai contoh Internasional Seismological Center
(ISC). Rutin ini khususnya telah menjadi sukses sekali
pada pemetaan atas terbenamnya material lithospheric
dingin ke dalam mantel, sepanjang dan di bawah palung
laut aktif dari tepian plat-plat besar, dalam tiga dimensi.
Menurut Replumaz et al.1), pada depan daerah
subduksi,
karena
tepian
benua
mengalami
pemampatan, struktur kecepatan di lapisan upper
mantle memiliki anomali kecepatan positif. Struktur
kecepatan
seperti
ini
didapatkan
dengan
menginversikan data waktu tempuh gelombang P
langsung ∝ 8 x 106, fase gelombang pantul pP ∝ 0,6 x
106 , dan terbias dalam inti bumi PKP hampir ∝ 1 x
106,. Data sejumlah ini dikumpulkan dari 300.000
gempa-gempa bumi dari rentang waktu 1/1/1964 hingga
31/12/20002), begitu pula sejumlah kecil data selisih
absolut waktu-waktu tempuh PP-P, PKP-Pdiff, diukur
 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, April 2007, Vol. 13, No. 1
secara akurat melalui korelasi silang waveform dari data
digital broad-band3). Dalam inversi data waktu tempuh
digunakan data waktu terhitung yang disimulasikan
pada model bumi IASPEI914).
Gelombang S adalah gelombang yang datang setelah
sederetan gelombang P repetisi, bukan first break, dan
mengandung frekuensi yang lebih rendah, sehingga
waktu tempuh gelombang S lebih sulit ditentukan. Jarak
episentral gempa-gempa bumi bidang subduksi
Sumatra yang digunakan dalam analisa seismogram di
stasiun-stasiun observasi di Asia Timur adalah kecil,
sehingga sulit untuk mengukur waktu tempuh
gelombang S dengan akurasi yang memadai. Pada
jarak episentral kecil pengukuran waktu tiba fase S
adalah tidaklah mudah, karena jarak antara waktu tiba
gelombang P, S dan gelombang permukaan sangat
pendek, sedangkan amplitudo gelombang S jauh lebih
kecil daripada gelombang permukaan. Oleh karena itu
pada jarak episentral kecil gelombang S umumnya
tenggelam dalam amplitudo gelombang permukaan,
sehingga penentuan waktu tiba gelombang ini menjadi
sulit untuk ditentukan secara akurat. Oleh karena itu
rutin ISC jarang mencantumkan data waktu tempuh
gelombang S untuk stasiun-stasiun observasi dengan
jarak episentral kecil.
Dalam artikel ini daerah penelitian yang sama seperti
(sebagian kecil dari Replumaz et al.1)]) akan diteliti ulang
melalui analisis seismogram komplet tiga komponen.
Menjadi pertanyaan adalah, apakah daerah non-tektonik
di depan daerah subduksi Sumatra-Jawa memiliki
anomali kecepatan positif, sebagaimana telah
diinterpretasikan sebelumnya, seperti diilustrasikan
dalam Gambar 1.
2. METODE PENELITIAN
Daftar stasiun-stasiun observasi yang digunakan dalam
menganalisa seismogram gempa bumi C050294B
ditampilkan dalam Tabel 1.
Pertama dalam penelitian ini harus dijalankan program
komputer untuk melaksanakan perhitungan atas waktu
tempuh sintetik fase-fase gelombang ruang utama, yaitu
program TTIMES yang dibuat berdasarkan makalah dari
Bulland
and
Chapman5),
didapat
dari
http://orfeus.knmi.nl. Waktu-waktu tempuh sintetik
digunakan untuk mengidentifikasikan gelombang dalam
seismogram.
Sedangkan
untuk
memproduksi
seismogram sintetik dari gempa tersebut di stasiun
observasi digunakan program yang berbasis metoda
GEMINI (Green's function of the Earth by MINor
Integration) 6, 7).
Program GEMINI (Green's function of the Earth by
MINor Integration) menghitung minor dari fungsi-fungsi
Green's atas suatu model bumi dengan suatu
kedalaman sumber gempa tertentu. di mana fungsifungsi Green's diekspansikan untuk memenuhi kondisi
syarat batas di titik terdalam penjalaran gelombang, titik
kedalaman sumber dan permukaan bumi. Ekspansi
dituliskan dalam frekuensi komplex, dengan
memasukkan trick damping untuk menghindari time
aliasing. Seismogram sintetik ditransformasikan dari
domain frekuensi komplex ke domain waktu, dimana
sebelumnya dikenakan filter lolos rendah Butterworth
dan RESPONSE file dari sistim peralatan seismometer
di stasiun penerima, yaitu deskripsi tentang perubahan
fase dan amplifikasi dari sistim peralatan ketika
mengubah input dalam kecepatan/ percepatan
pergerakan tanah menjadi output tegangan [mV],
sehingga seismogram sintetik dan seismogram riil
dibandingkan dalam dimensi yang sama.
Ketika program ini dijalankan, haruslah sebuah model
bumi diberikan sebagai input awal, yaitu model bumi
PREMAN 8). Sebagai model bumi masukan, data harus
mengandung parameter elastik secara lengkap, yaitu
meliputi kecepatan penjalaran gelombang kompresi dan
shear dari batuan penyusun struktur bumi.
Tabel 1. Stasiun-stasiun observasi yang digunakan dalam riset ini
No
Stasiun
Lintang
Bujur
Lokasi
1
CHTO
18,79
98,98
Chiang Mai, Thailand
2
ENH
30,27
109,49
Enshi, China
3
QIZ
19,03
109,84
Qiongzhong, China
4
SSE
31,10
121,19
Shanghai, China
5
LZH
36,09
103,84
Lanzhou, China
6
TATO
24,97
121,49
Taipei, Taiwan
7
GUMO
13,59
144,87
Guam, Mariana Islands
 2007 FMIPA Universitas Lampung
67
Bagus Jaya Santosa… Analisis Gempa Bumi Sumatra Barat
Gambar 1. Anomali struktur bumi di Asia Tenggara menurut1)
Gambar 2. Jalan-jalan gelombang dari episenter gempa bumi C050294B ke stasiun-stasiun observasi
68
 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No. 3
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar-Gambar berikut menyajikan perbandingan dan
fitting seismogram pada gelombang Love, Rayleigh dan
S untuk mendapatkan struktur kecepatan β pada
lapisan-lapisan bumi dangkal hingga kedalaman 730
km. Tiap gambar memuat 3 komponen, masing-masing
ditandai dengan z untuk vertikal, r untuk radial dan t
untuk transversal. Dalam tiap komponen ada 3 kurva,
dimana kurva mulus adalah data terukur, kurva titik-titik
adalah seismogram sintetik yang dibentuk dari model
bumi PREMAN, dan kurva garis-titik adalah seismogram
fitting yang diperoleh dengan menggunakan model bumi
dikoreksi, yang terpampang pada kotak kecil di sisi
kanan sebagai kurva garis-titik. Secara umum, untuk
mendapatkan fitting, gradien kecepatan βh di upper
mantle diubah menjadi positif terhadap kedalaman,
daripada negatif seperti pada PREMAN. Sedangkan
gradien untuk βv dibiarkan seperti pada PREMAN,
perubahan hanya dilakukan pada koefisien orde nol
pada polinomial yang menggambarkan fungsi
kecepatan di tiap-tiap lapisan bumi.
Dalam penelitian pertama ditampilkan analisis sebuah
gempa Palung Sumatra Barat, 2 Mei 1994, dimana data
seismogram direkam di stasiun CHTO. Jalan
gelombang dari hiposenter gempa bumi ke stasiun
CHTO adalah melewati daerah depan subduksi.
Memperhatikan Gambar 1, jalan gelombang
mengandung anomali positif di kedalaman 200 km dan
Karena zona pertumbukan plat-plat subduksi, beberapa
seismolog9) dalam hasil risetnya menyatakan, bahwa di
daerah depan bidang subduksi memiliki anomali
kecepatan positif.
Gambar 3. Perbandingan seismogram gempa bumi
C050294B di CHTO
 2007 FMIPA Universitas Lampung
Gambar 3 menunjukkan perbandingan seismogram
gempa bumi C050294B di stasiun CHTO. Kurva titik-titik
yang menyajikan seismogram sintetik dari model bumi
PREMAN. Terlihat nyata, bahwa pada gelombang
permukaan Love dan Rayleigh, masing-masing
amplitudo besar di komponen t, dan r dan z, gelombang
permukaan dari PREMAN datang lebih awal dan
amplitudo lebih besar daripada gelombang permukaan
terukur. Dapat kita lihat, bagaimana seismogram sintetik
dari model bumi dikoreksi mengsimulasikan dengan
sangat baik pada waveform Love di komponen t, dari
awal S hingga akhir gelombang Love. Fitting dicapai
dengan baik pada waktu tiba ataupun tinggi amplitudo.
Penggunaan gradien positif di upper mantel untuk βh
menghasilkan waveform Love dengan amplitudo yang
lebih mendekati waveform riil. Koreksi negatif kuat harus
dikenakan pada upper mantle, karena gelombang
permukaan pada frekuensi ini merambat sepanjang
permukaan bumi hingga sebuah kedalaman yang setara
dengan panjang gelombangnya. Pengamatan pada
awal gelombang Love, dimana diberi label S,
menunjukkan bahwa struktur kecepatan S harus
dikoreksi negatif hingga lapisan-lapisan di bawah upper
mantle, meskipun dengan faktor yang lebih kecil.
Gambar 4 menyajikan perbandingan dan fitting
seismogram gempa bumi C050294B di stasiun ENH.
Terlihat, bahwa penggunaan gradien positif untuk βh di
upper mantle dan ketebalan kulit bumi seperti PREMAN
memberikan waveform Love yang lebih baik dari pada
model bumi PREMAN. Fitting dicapai dengan baik dari
maksimum pertama hingga maksimum ke empat,
sedangkan PREMAN hanya memberikan 3 maksimum.
Gambar 4. Perbandingan seismogram gempa bumi
C050294B di ENH
69
Bagus Jaya Santosa… Analisis Gempa Bumi Sumatra Barat
Gelombang Rayleigh sintetik dari model bumi dikoreksi
juga mendekati gelombang Rayleigh terukur. Perbedaan
koreksi untuk koefisien orde nol βh dan βv pada
polinomial fungsi kecepatan β di upper mantle
menunjukkan bahwa vertikal anisotropi berbeda dengan
nilai ini di model bumi PREMAN.
Gambar 5 menyajikan analisis dan fitting seismogram
gempa bumi C050294B, Sumatra Barat di stasiun QIZ.
Jalan gelombang dari hiposenter ke stasiun QIZ
menurut Gambar 1, masih dominan positif. Dapat kita
lihat, bagaimana seismogram sintetik dari model bumi
dikoreksi mengsimulasikan dengan waveform dengan
sangat baik pada fase gelombang dari awal S, SS
hingga akhir gelombang Love. Pada gelombang
Rayleigh di komponen r dan z dicapai fitting pada waktu
tempuh gelombang permukaan ini. Fitting pada kedua
gelombang permukaan mengindikasikan bahwa anomali
negatif terjadi di upper mantle dan lapisan-lapisan bumi
di bawahnya. Kontribusi koreksi pada struktur
kecepatan S pada perbaikan waveform P dapat dilihat
padaGambar 5b.
Gambar 6 memberikan ilustrasi tentang analisis dan
fitting seismogram gempa bumi C050294B di stasiun
SSE. Dapat kita lihat, bahwa seismogram fitting dicapai
dengan baik oleh seismogram sintetik dari model bumi
dikoreksi, baik pada fase gelombang S hingga
gelombang permukaan Love – Rayleigh, dimana fitting
dicapai pada waveform dari maksimum pertama hingga
(a)
maksimum terakhir di gelombang Love. Fitting pada
gelombang permukaan memerlukan koreksi negatif kuat
di upper mantle. Fitting juga dicapai pada gelombang
ruang S, ini membuktikan bahwa anomali kecepatan
negatif kecil juga harus dikenakan pada lapisan-lapisan
di bawah upper mantle hingga kedalaman 730 km10).
Koreksi yang berbeda pada kecepatan S horisontal dan
vertikal menunjukkan bahwa vertikal anisotropi dalam
upper mantle lebih kuat daripada yang diandaikan
dalam model bumi PREMAN.
Gambar 7 menyajikan perbandingan seismogram
gempa bumi C050294B, Sumatra Barat yang direkam di
stasiun LZH. Stasiun LZH terletak di pegunungan
Assam. Menurut prinsip Isostasi, pegunungan granit
memiliki akar yang dalam, untuk mengimbangi berat
pegunungan, sehingga kulit bumi di bawah pegunungan
menjadi lebih tebal. Terlihat, bahwa simulasi pada
gelombang Love dapat dicapai dengan baik oleh model
bumi dikoreksi. Untuk mendapatkan fitting pada
waveform ketebalan kulit bumi ditambah 3 km lebih
tebal daripada kulit bumi PREMAN 25 km, dan ini
memberikan efek yang nyata pada fitting gelombang
Love. Gelombang Rayleigh pada kedua komponen r
dan z disimulasikan dengan jelek, Rayleigh terukur
memiliki osilasi yang lebih banyak. Fitting pada
gelombang S menunjukkan bahwa anomali negatif pada
struktur kecepatan S berlanjut pada lapisan-lapisan di
bawah upper mantle.
(b)
Gambar 5. Perbandingan seismogram gempa bumi C050294B di QIZ a. Fase gelombang S, SS, L & R b. Fase
gelombang P dan repetisi
70
 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, April 2007, Vol. 13, No. 1
Gambar 6. Perbandingan seismogram gempa bumi
C050294B di SSE
Gambar 7. Perbandingan seismogram gempa bumi
C050294B di LZH
Gambar 8. Perbandingan seismogram gempa bumi
C050294B di TATO
Gambar 9. Perbandingan seismogram gempa bumi
C050294B di GUMO
Gambar 8 memberikan ilustrasi tentang pencapaian
fitting seismogram gempa bumi C050294B, yang
direkam di stasiun TATO. Menurut gambar 1, jalan
gelombang dari hiposenter ke stasiun didominasi oleh
anomali negatif. Fitting dicapai dengan sangat baik,
mulai dari fase S, Love dari maksimum peretama hinga
maksimum terakhir dan Rayleigh. Gelombang
 2007 FMIPA Universitas Lampung
permukaan merambat dari permukaan bumi hingga
kedalaman dasar upper mantle, sedang ruang
gelombang S dengan titik pantul pada kedalaman 630
km, dan gelombang S hingga 630 km. Ini menyatakan
bahwa koreksi negatif pada kecepatan S diperlukan
hingga kedalaman ini untuk mendapatkan fitting ini.
Perbedaan koreksi pada βh dan βv menunjukkan
71
Bagus Jaya Santosa… Analisis Gempa Bumi Sumatra Barat
reconstructions and seismic tomography, Earth
and Planetary Science Letters. 221: 103 - 115
bahwa vertikal anisotropi lebih kuat daripada yang
dinyatakan dalam model bumi PREMAN.
Gambar 9 menunjukkan perbandingan dan fitting
seismogram gempa bumi C050294B, Sumatra Barat di
stasiun GUMO. Dengan memperhatikan Gambar 1,
dapat kita tarik, bahwa jalan gelombang dari hippsenter
gempa ke stasiun observasi didominasi oleh anomali
kecepatan negatif, karena daerah belakang GUMO
adalah daerah yang mengalami pemempatan oleh
karena adanya subduksi dari plat Pasifik di daerah timur
GUMO. Anomali negatif ini dikonfirmasi oleh hasil riset
dengan analisa waveform ini, tetapi juga terjadi beda
vertikal anisotropi di upper mantle.
2.
Engdahl, E.R. , Van Der Hilst, R.D., Buland, R.P.
1998. Global teleseismic earthquake relocation
with improved travel times and procedures for
depth determination, Bull. Seism. Soc. Am., 88:
722 - 743.
3.
Grand, S.P. , Van Der Hilst, R.D. , Widiyantoro, S.
1997. Global seismic tomography; a snapshot of
convection in the Earth, GSA Today, 7: 1 - 7.
4.
Kennett, B.L.N., IASPEI. 1991, Seismological
Tables, Research School of Earths Sciences,
Australian National University.
5.
Bulland, R. and Chapman, C. 1983. Travel time
Calculation, BSSA, 73: 1271 – 1302.
6.
Dalkolmo, J., , 1993.Synthetische Seismogramme
fuer eine sphaerisch symmetrische, nichtrotierend
Erde durch direkte Berechnung der Greenschen
Funktion, Diplomarbeit, Inst. fuer Geophys., Uni.
Stuttgart.
7.
Friederich, W. and Dalkolmo, J. 1995. Complete
synthetic seismograms for a spherically symmetric
earth by a numerical computation of the green's
function in the frequency domain, Geophys. J. Int.,
122: 537 - 550.
8.
Dziewonski, A.M. and Anderson, D.L. 1981.
Preliminary reference Earth model, Phys. of the
Earth and Plan. Int., 25: 297 – 356.
9.
Dreger, D.S. 2002. Time-Domain Moment Tensor
INVerse Code (TDMT_INVC), The Berkeley
Seismological Laboratory (BSL), report number
8511.
10.
Kárason, H. , Van der Hilst, R.D. 2001.
Tomographic imaging of the lowermost mantle
with deferential times of refracted and difracted
core phases (PKP, P diff), J. Geophys. Res. 106:
6569 - 6587.
4. KESIMPULAN
Telah dilaksanakan perbandingan seismogram antara
seismogram terukur dengan sintetik-sintetiknya dari
model bumi global PREMAN, menunjukkan deviasi yang
nyata pada waveform gelombang ruang S hingga
gelombang permukaan Love - Rayleigh. Untuk
menyelesaikan deviasi yang dijumpai, digunakan
perubahan ketebalan kulit bumi dan gradien kecepatan
βh positif di upper mantle untuk mendapatkan fitting
pada gelombang permukaan Love, dan koreksi negatif
pada koefisien v di upper mantle untuk mendapatkan
fitting pada gelombang Rayleigh. Sedangkan untuk
fitting pada gelombang S dilaksanakan perubahan lebih
lanjut pada nilai-nilai kecepatan di lapisan-lapisan
bawah upper mantle, dan fitting ScS hingga kedalaman
CMB, dengan koreksi negatif. Riset ini memberikan
anomali negatif kuat di upper mantle untuk daerah Asia
Tenggara, dan anomali negatif lemah untuk lapisanlapisan bumi di bawahnya. Hasil riset ini berbeda
dengan hasil riset seismolog lain, dimana mereka
menggunakan data waktu tempuh dan selisih waktu
tempuh.
Analisis seismogram dalam domain waktu dan ketiga
komponen Inilah keunggulan dari metoda analisa
waveform dalam dimensi waktu dan ketiga komponen
ruang secara simultan.
DAFTAR PUSTAKA
1.
72
Replumaz, A, Kárason, H, van der Hilst, R. D.,
Besse, J. and Tapponnier, P. 2004. 4-D evolution
of SE Asia’s mantle from geological
 2007 FMIPA Universitas Lampung