Pencitraan Struktur 3-D Vp, Vs, Rasio Vp/Vs

J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
Pencitraan Struktur 3-D Vp, Vs, Rasio Vp/Vs Menggunakan Tomografi
Double Difference di Wilayah Bali
Putu Kusuma Yadnya1, Andri Dian Nugraha1, Supriyanto Rohadi2
1)
Teknik Geofisika, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan,
Institut Teknologi Bandung, Jalan Ganesha 10 Bandung, 40132
2)
Balai Besar Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta, Indonesia
Email: [email protected]
Abstrak
Wilayah Bali memiliki potensi kegempaan yang dipengaruhi oleh zona subduksi di selatan Bali dan
back arch thrust fault di utara Bali. Pada studi ini, kami menggunakan katalog data dari jaringan
seismograf Onyx yang dioperasikan olah Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG)
menggunakan inversi tomografi double difference (tomoDD) untuk menentukan struktur Vp, Vs
dan rasio Vp/Vs di bawah wilayah Bali. Data tersebut meliputi 8 stasiun yang berlokasi di Jawa
Timur, Bali dan Lombok yang merekam 1.230 kejadian gempabumi. Kami memilih gempabumi
yang minimal direkam oleh 4 stasiun. Pada tahap pertama, lokasi gempa di update menggunakan
metoda HypoDD untuk menghilangkan fixed depth gempa dari katalog data dan terpilih 943
kejadian gempa. Pada tahap kedua, kami melakukan inversi tomoDD menggunakan kejadian
gempa yang sudah terpilih. Hasil inversi tomoDD menunjukkan adanya anomali kecepatan rendah
Vp dan Vs serta nilai Vp/Vs tinggi pada beberapa kedalaman di bawah gunung Agung. Kami
menginterpretasikan fitur-fitur ini kemungkinan berhubungan dengan zona pelelehan sebagian
dibawah gunung Agung. Slab Indo-Australia yang menunjam di bawah Bali diindikasikan dengan
anomali tinggi Vp dan Vs, meskipun anomali ini kurang begitu jelas terlihat. Hiposenter hasil
relokasi mengindikasikan keberadaan back arc thrust fault di utara wilayah Bali.
Kata Kunci: Bali, gempabumi, tomoDD, struktur kecepatan seismik
Abstract
Bali regions have seismicity potency influenced by subduction zone in the southern part of Bali and
back arc thrust fault in the northern part of Bali. In this study, we used earthquake data catalog
from Onyx seismograph network operated by Meteorological Climatological Geophysical Agency
of Indonesia (MCGA) for the double difference tomographic (tomoDD) inversion to determine Vp,
Vs, and rasio Vp/Vs structure beneath Bali region. The data including 8 stations that were located
in East Java, Bali and Lombok areas with1,230 earthquakes event. We selected the event which has
recorded at least by 4 stations. The first step, we relocated the events using HypoDD to update the
fix depth of the initial location as input for tomoDD and finally we got relocated events of 943
events. The second step, we conducted tomoDD inversion using the relocated events. The results
show low velocities anomaly of Vp and Vs are observed beneath Agung and Batur volcanoes and
also high Vp/Vs ratio are exhibited at several depths beneath Agung volcano. We interpret this
features may be associated with partial melting zone beneath those volcanoes. The subducting
Indo-Australia beneath Bali region is indicated by high Vp and high Vs anomalies, however these
anomalies are not so clear observed. The relocated events show indication of back arc thrust in
northern part of Bali regions.
Keywords: Bali, earthquake, tomoDD, seismic velocities structure
32
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
1. Pendahuluan
Pulau Bali merupakan pulau yang terkenal
akan keindahan alam dan budaya yang
menjadi daya tarik dunia. Dibalik keindahan
alam dan budaya tersebut, Bali memiliki
tingkat kerawanan gempa yang cukup tinggi.
Pulau Bali sendirimemiliki tektonik yang
sangat unik. Subduksi lempeng Indo-Australia
terhadap lempeng Eurasia dengan kecepatan 7
cm per tahun (Demets dkk., 1994), telah
menghasilkan efek berupa struktur geologi
sesar aktif di daerah Bali dan sekitarnya. Studi
seismisitas lokal daerah Bali hasil pencatatan
jaringan seismik lokal yang dilakukan oleh
Masturyono (1994) memperoleh hasil analisis
bahwa seismisitas gempabumi lokal dan
dangkal memberi petunjuk adanya struktur
sesar naik belakang busur kepulauan.
Data dari jaringan BMKG daerah Bali masih
jarang digunakan untuk aplikasi tomografi.
Metode
tomografi
double
difference
merupakan metode tomografi baru untuk
mencitrakan struktur kecepatan dibawah
Bali.Studi tomografi di Bali pernah dilakukan
oleh Widiyantoro dkk. (2011) menggunakan
data regional dan global. Melalui tomografi
double difference ini diharapkan dapat
menggambarkan dan memahami subduksi dan
back arc trust yang ada di Bali.
2. Tektonik Pulau Bali
Pulau Bali dan pulau-pulau lain disebelah
timur pulau Bali merupakan gugusan
kepulauan Sunda kecil yang terbentuk sebagai
akibat proses subduksi lempeng IndoAustralia
kebawah
lempeng
Eurasia.
Lempeng
Indo-Australia
diperkirakan
bergerak dengan kecepatan 7 cm/tahun
dengan arah mendekati normal (Tregoning
dkk., 1994).Aktifitas gempa bumi dangkal
juga terdapat di daratan Pulau Bali dan
cekungan Bali disebelah utara pulau
Bali.Cekungan ini terjadi akibat adanya
struktur geologi sesar naik belakang busur
Silver dkk.(1986). Patahan busur belakang
Wetar dan Flores pertama kali dilaporkan oleh
Hamilton(1979) berdasarkan beberapa profil
refleksi dari Lamont-Doherty. Hamilton
(1979) menemukan adanya patahan di utara
pulau Alor dan Pantar disisi timur busur
belakang zona subduksi Jawa yang biasa
dikenal sebagai sesar Sungkup belakang busur
Wetar, Flores sampai Sumbawa.Sedangkan
Silver dkk.(1986) memperkirakan bahwa
patahan tersebut disisi barat berlanjut sampai
ke cekungan Bali yang terletak di utara Pulau
Bali.
3. Data Gempa
Pada penelitian ini digunakan data gempa
yang terekam oleh 8 stasiun pada jaringan
OnyxBadan Meteorologi Klimatologi dan
Geofisika (BMKG) yang berada di Bali,
Lombok dan Jawa Timur. Jumlah gempa yang
terekam sebanyak 3,457 event yang berasal
dari Desember 2005 sampai Februari 2013
(Gambar 1).Oleh karena akurasi hiposenter
sangat ditentukan oleh jumlah fasa dan jumlah
stasiun yang mencatat maka dilakukan seleksi
data pada 3,457 event data Onyx dengan
kriteria minimal 4 stasiun yang merekam satu
event, sehingga akhirnya diperoleh 1,230
event hasil seleksi. Data 1,230 event ini
kemudian
dilakukan
relokasi
gempa
menggunakan hypoDD untuk menghilangkan
adanya fix depth yang banyak terdapat pada
data awal BMKG. Data hasil relokasi
hypoDD diperoleh berupa data travel time,
dengan jumlah fasa P sebanyak 4,993 dan fasa
S sebanyak 3,992. Data diferensialtime yang
digunakan dalam penelitian ini setelah diolah
dengan program ph2dt menghasilkan data
katalog diferensialtime dengan jumlah fasa P
sebanyak 6480 dan fasa S sebanyak 5,566.
Model kecepatan 1-D yang digunakan dalam
penelitian ini mengikuti model kecepatan 1-D
Koulakov dkk.(2007) untuk kedalaman< 20
km dan untuk kedalaman> 20 km
menggunakan model AK135. Nilai kecepatan
di tiap kedalamannya diperlihatkan pada
Tabel 1dengan nilai rasio Vp/Vs adalah 1.73
km/s.
33
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
34
(1)
Dimana adalah waktu kejadian (origin
time) dari gempa ke-i, u adalah medan
slowness dan ds adalah sebuah elemen dari
panjang lintasan. Hubungan antara waktu tiba
dan
lokasi gempa sangat tidak linier,
sehingga penyederhanaan dari deret Taylor
biasanya digunakan untuk melinierkan
persamaan (1). kelinieran ini menghubungkan
misfit antara waktu tiba observasi dan waktu
tiba teoritis terhadap pertubasi yang sesuai
dengan hiposenter dan parameter struktur
kecepatan, dapat dituliskan sebagai:
∑
Kedalaman (km)
Gambar 1Peta sebaran episenter (bulat berwarna)
data katalog Onyx BMKG dari bulan Desember
2005 sampai Februari 2013 sebanyak 3,457 event
gempa bumi. Sebaran stasiun(segitiga terbalik
warna hitam) dan gunungapi (segitiga merah).
∆ ∆ Penulisan yang sama juga berlaku untuk
gempa ke j yang juga teramati pada stasiun k
menjadi:
∑
Vp
(km/s)
5
6
6.75
7.11
7.24
7.37
7.6
7.77
7.95
8.01
8.05
8.13
Vs
(km/s)
2.89
3.47
3.90
4.11
4.18
4.26
4.39
4.49
4.60
4.63
4.65
4.70
4. Tomografi Double Difference (tomoDD)
Persamaan waktu tiba gelombang badan T
dari sebuah gempa i ke stasiun k dapat
dinyatakan menggunakan teori penjalaran
sinar sebagai sebuah integral lintasan (Zhang
dan Thurber,2003):
34
∆ ∆ (3)
sehingga pengurangan untuk gempa i dan j
didapatkan:
Tabel 1Model kecepatan 1-D Vp, Vs.
Kedalaman
(Km)
5
10
15
25
35
45
60
75
90
105
120
165
(2)
∑
∑
∆ ∆ ∆ ∆ (4)
Dengan mengasumsikan gempa ini berdekatan
satu sama lainnya sehingga lintasan sehingga
lintasan dari gempa-gempa ke stasiun tertentu
hampir identik dan juga mengasumsikan
bahwa struktur kecepatan diketahui, sehingga
persamaan (4) dapat disederhanakan menjadi:
∑
∆ ∆ ∆ ∑
∆ (5)
Dimana adalah selanjutnya disebut
double- difference(DD) (Waldhauser dan
Ellsworth,2000).
adalah perbedaan antara
waktu tiba gelombang differensial observasi
dan kalkulasi (teoritis) untuk dua buah gempa,
dan dapat dituliskan sebagai:
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
( )!"# ( )$%
(6)
Dengan adalah waktu tempuh gelombang
gempa i ke stasiun k, dan adalah waktu
tempuh gelombang gempa j ke statiun k.
Penulisan matriks tomografi mengikuti
sebagian notasi Wolfe (2002). Misalkan p =
1,….,P adalah sejumlah gempa dengan Np
adalah waktu tiba untuk masing-masing
gempa. Untuk tiap-tiap gempa persamaan (2)
dapat dituliskan dalam bentuk matriks sebagai
berikut:
&' ∆(' )' ∆* ∆'
(7)
Dimana :&' (+' 4)adalah matriks turunan
parsial terhadap parameter hiposenter
(x,y,z,t0). ∆(' (41) adalah vektor pertubasi
untuk parameter
hiposenter
(x,y,z,t0).
)' (+' .) adalah matriks turunan model
(panjang raypath) terhadap model slowness.
∆*(.1)adalahVektor pertubasi slowness.
∆' (+' 4)adalah Vektor waktu tiba
residual.
Perbedaan
utama
diantara
tomografi
konvensional dan DD terutama pada
pembentukan matriks yang menggunakan
sebuah operator matriks baru QDD . Matriks
ini merupakan sebuah operator matriks yang
akan memilih event yang akan dihubungkan
dalam satu cluster (Zhang dan Thurber,2003).
Bentuk matrik dari tomografi doubledifference adalah:
/00 &1( /00 )1* /00 1
(8)
Penulisan yang lengkap dari persamaan
struktur kecepatan dan lokasi gempa dengan
menggunakan data absolut dan diferensial
/ 4 7 /
adalah: 2 3 00 6 3 00 6 1
(9)
54
58
dimanaw adalah bobot relatif (relatif
weighting) antara waktu tempuh absolut dan
relatif, dan I adalah matrik identitas.
5. Hasil dan Interpretasi
Hasil inversi tomoDD memiliki dua keluaran
yaitu relokasi hiposenter gempa dan struktur
kecepatan 3-D (Vp dan Vs) dari daerah
penelitian. Pada Gambar 2a-c ditunjukkan
posisi hiposenter awal dan setelah relokasi
menggunakan tomoDD. Hasil relokasi
hiposenter gempa menggunakan tomoDD
memperlihatkan bahwa hasil tomoDD dan
hasil hypoDD tidak jauh berbeda. Namun
dapat dilihat pada posisi awal gempa terdapat
fix depth dan setelah relokasi tomoDD nilai fix
depth telah hilang. Pada histogram(Gambar
3a-b) ditunjukkan nilai residual time dari
metode hypoDD dan tomoDD.
Dari histogram ini terlihat bahwa residual
time dari tomoDD lebih mendekati nilai nol,
hal ini menunjukkan bahwa tomoDD secara
statistik mampu meningkatkan akurasi dari
posisi hiposenter tersebut.Penampang vertikal
melewati daerah penelitian ditunjukkan pada
penampang A-B (Gambar 2c) yang melewati
Gunung
Agung, dimana terlihat gempa
mengikuti suatu pola seismisitas. Dari selatan
ke utara terlihat adanya suatu pola yang dapat
diinterpretasikan sebagai subduksi lempeng
Indo-Australia yang menunjam ke lempeng
Eurasia. Dari utara ke selatan terlihat adanya
suatu pola yang dapat diinterpretasikan
sebagai sesar naik belakang busur.
35
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
Gambar 2a) Posisi gempabumi katalog data Onyx BMKG, b) posisi gempa setelah relokasi dengan hypoDD
dan c) posisi gempa setelah relokasi dengan tomoDD. Sebaran stasiun (segitiga hitam terbalik), dan
gunungapi (segitiga merah).
Gambar 3 HistogramResidualtime (tobs-tcal) a)HypoDD dan b)TomoDD dari inversi data katalog BMKG.
Hasil tomogram Vp dan Vs memperlihatkan
bahwa adanya anomali negatif yang berada
dibawah gunung Agung dan Batur. Sedangkan
tomogram rasio Vp/Vs pada daerah tersebut
memiliki nilai tinggi pada beberapa
kedalaman.
Berdasarkan
hasil
uji
checkerboard hanya beberapa kedalaman
36
dibawah gunung Agung dan gunung Batur
hasil rekonstruksi checkerboard yang balik ke
model awal (Gambar 4). Kekurangan sinar
gelombang yang melalui daerah tersebut
menyebabkan resolusi pada daerah tersebut
kurang baik.
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
Gambar 4 Hasil checkerboard testuntuk Vp (kiri) dan Vs (kanan) pada kedalaman 25 km, 35 km, 45 km,
dan 60 km. Warna merah menunjukkan anomali negatif sedangkan warna biru menunjukkan anomali positif,
garis putus-putus menunjukkan daerah teresolusi baik.
37
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
Gambar 5 Penampang horizontal untuk a)Vp,b) Vs,dan c) rasio Vp/Vs pada kedalaman 35 dan 45 km.
Warna merah menunjukkan anomali negatif dan warna biru menunjukkan anomali positif. Garis putus-putus
hitam menunjukkan daerah dengan resolusi tinggi.
a)
b)
c)
d)
Gambar 6 a) Sebaran episenter gempa (bulat berwarna), penampang vertikal A - B melalui gunung Agung.
Tomogram b) Vp, c) Vs, dan d) rasio Vp/Vs. Warna merah menunjukkan anomali negatif dan warna biru
menunjukkan anomali positif untuk Vp dan Vs, sedangkan untuk rasio Vp/Vs warna biru untuk nilai tinggi
dan warna merah untuk nilai rendah. Garis putus-putus hitam menunjukkan daerah dengan resolusi tinggi,
segitiga merah menunjukkan Gunung Agung, bulatan putih menunjukkan hiposenter gempa.
Pada penampang horisontal ditemukan adanya
anomali kecepatan negatif pada Vp dan Vs
38
yang berada di bawah gunung Agung dan
gunung Batur pada beberapa kedalaman
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
(Gambar 5). Namun pada kedalaman 35 km
dan 45 km menunjukkan nilai rasio Vp/Vs
tinggi di bawah gunung Agung dan gunung
Batur. Hal ini menandakan bahwa pada
daerah tersebut kemungkinan terjadi partial
melting yang menyebabkan Vp dan Vs turun.
Sedangkan pada penampang vertikal yang
melewati gunung Agung dan gunung Batur
ditemukan adanya anomali Vp dan Vs rendah
pada kedalaman 120 km menuju Gunung
Agung dan Gunung Batur (Gambar 6). Daerah
dengan anomali rendah ini diinterpretasikan
sebagai kemungkinan daerah migrasi magma
dari slab yang menunjam ke lempeng benua.
Material partialmelting lunak dan tidak rigid,
sehingga kecepatannya menjadi turun.
lempeng Eurasia menerus sampai mantel
dalam dan memiliki inklinasi sekitar 70
derajat. Pada penelitian ini sebaran hiposenter
yang mengindikasikan adanya subduksi
berdasarkan pola event gempa menunjukkan
bahwa inklinasi dari tunjaman lempeng
sekitar 60 derajat.Sedangkan menurut
Daryono(2011) sesar naik belakang busur
yang berada di Utara Bali memiliki inklinasi
sekitar 30 derajat. Hasil Daryono
ini
diperkuat oleh penelitian (McCaffrey dan
Nabelek, 1987) yang menyatakan kemiringan
sesar belakang busur ini sekitar 33 derajat.
Hal ini sesuai dengan pola kemenerusan yang
berada di Utara Bali yang memiliki inklinasi
30 derajat pada studi ini.
Menurut Widiyantoro dkk. (1997) subduksi
lempeng Indo-Australia yang menunjam ke
Gambar 7 Diagram skematik interpretasi terhadap hasil relokasi dan hasil tomogram Vp di bawah gunung
Agung hasil inversi tomoDD pada studi ini. Ilustrasi slab (garis putus-putus biru) diambil dari hasil tomografi
global Widiyantoro dkk. (2011). Warna merah menunjukkan anomali negatif dan warna biru menunjukkan
anomali positif, sebaran hiposenter gempa (bintang kuning), bulatan biru dan merah menunjukkan aliran
magma yang menuju gunung Agung, dan sesar naik belakang busur ditunjukkan oleh garis putus-putus
hitam.
Pada Gambar 7 ditunjukkan diagram skematik
terhadap penampang vertikal yang melewati
gunung Agung. Pada gambar tersebut slab
yang menunjam ditunjukkan oleh garis putusputus warna biru, gesekan slab kemungkinan
menyebabkan adanya partial melting yang
terjadipada kedalaman 120 km yang
ditunjukkan oleh bulatan biru dan merah
sebagai aliran magma yang menuju gunung
Agung. Sedangkan sesar naik belakang busur
ditunjukkan oleh garis putus-putus hitam
yang berada di utara Bali.
39
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
6. Kesimpulan
Dari hasil inversi tomoDD pada studi ini
dapat disimpulkan bahwa:
1. Hasil relokasi hiposenter data katalog
Onyx BMKG dengan menggunakan
metode tomoDD menunjukkan nilai fix
depth 15 km, 33 km, 80 km, 160 km, 240
km sudah tidak terlihat lagi. Hasil relokasi
hiposenter tersebut menunjukkan adanya
pola yang menunjukkan subduksi dari arah
selatan Bali dan sesar naik belakang busur
yang terjadi di utara Bali.
2. Tomogram Vp dan Vs menunjukkan
anomali kecepatan rendah pada daerah
dibawah gunung Agung dan gunung Batur,
sementara
tomogram
ratio
Vp/Vs
menunjukkan
anomali tinggi pada
beberapa kedalaman.
3. Keberadaan anomali tinggi Vp dan Vs
yang menunjukkan adanya subduksi hanya
terlihat pada kedalaman 50 sampai 100
km.
4. Anomali kecepatan rendah yang terjadi
membentuk jalur migrasi magma antara
gunung Agung dan partial melting akibat
subduksi dari selatan Bali.
Ucapan Terima Kasih
Penulis menghaturkan terimakasih kepada
BMKG atas katalog data yang diberikan pada
studi ini; Dr. H. Zhang untuk program
tomoDD;I. Ramadhan atas bantuan dan
kerjasamanya pada saat pengerjaan tomoDD;
Teknik Geofisika, FTTM, ITB, untuk fasilitas
laboratorium yang menunjang penelitian ini.
Daftar Pustaka
Daryono, 2011, Identifikasi Sesar Naik
Belakang Busur (Back Arc Thrust)
Daerah Bali Berdasarkan Seismisitas
dan Solusi Bidang Sesar. Artikel
Kebumian.
Badan
Meteorologi
Klimatologi dan Geofisika.
DeMets, C., R. G. Gordon, D.F. Argus and S.
Stein, 1994, Effect of Recent to The
Geomagnetics Reversal Time Scale on
Estimates of Current Plate Motions,
Revisions Geophysical Research Letter,
21,2191 - 2194.
40
Hamilton, W., 1979, Tectonic of the
Indonesian Region.U.S. Geological
Survey Profesional Paper 1078, 345 pp
Koulakov, I., M. Bohm, G. Asch, B.-G.Lühr,
A. Manzanares, K. S. Brotopuspito,
Fauzi, M. A. Purbawinata, N. T.
Puspito, A.Ratdomopurbo, H. Kopp,
W. Rabbel, dan E. Shevkunova, 2007,
P and S velocity structure of the crust
and the upper mantle beneath central
Java from local tomography inversion,
J. Geophys. Res. 112, B08310, doi
10.1029/2006JB004712.
Masturyono, 1994, Seismicity of The Bali
Region From A Local Seismic Network:
Constraints On Bali Back Arc
Thrusting. Thesis Master of Science.
Rensselaer Polytechnic Institute, New
York.
McCaffrey, R. dan Nabelek, J., 1987,
Earthquakes, Gravity and The Origin of
The Bali Basin: An Example of A
Naschent Continental Fold and Thrust
Belt. J. Geophys. Res., 92, 441-460.
Silver,E.A., Breen, N.A. dan H. Prasetyo,
1986, Multibeam Study of the Flores
BackArc Thrust Belt, Indonesia. J.
Geophys. Res, Vol. 91, No. B3, pp.
3489-3500.
Trenggoning, P., F. K. Brunner, Y. Bock, S.
S. O. Puntodewo, R. McCaffrey, J. F.
Genrich, E. Calais, J. Rais, dan C.
First
geodetic
Subarya,
1994,
measurement of convergence across the
java
Trench,
Geophys,
Res.lett.,21,2135-2138
Waldhauser, F., dan W. L. Ellsworth, 2000, A
double-difference earthquake location
algorithm: Method and application to
the
Northern
Hayward
Fault,
California: Bull. Seism. Soc., 90, 13531368.
Widiyantoro, S. dan R. D. Van der Hilst,
1997, Mantle structure beneath
Indonesia
inferred
from
highresolution tomographic imaging, J.
Geophys. Int.,130,167-182.
J. Geofisika Vol. 13 No.1/2012
Widiyantoro, S, Pesicek, J. D., dan Thurber.
C. H., 2011, Subducting slab structure
below the eastern Sunda arc inferred
from non-linear seismic tomographic
imaging, Geological Society, London,
Special Pub; v.355;p.139-155 doi:
10.1144/SP355.7
Wolfe, C. J., 2002, On the mathematics of
using
difference
operators
to
relocateEarthquakes, Bull. Seism. Soc.
Am., 92, 2879-2892
Zhang, H., dan C. H. Thurber, 2003, Double
difference tomography: The method and
its application to the Hayward Fault,
California: Bull. Seism. Soc. Am.,
93,1875-1889.
41