Estimasi Parameter Sumber Gempa Bumi Padang 30 September

Jurnal Matematika & Sains, Desember 2014, Vol. 19 Nomor 3
Estimasi Parameter Sumber Gempa Bumi Padang 30 September 2009, Mw=7,6 dan
Korelasinya dengan Aftershocks-nya
Madlazim1) dan Bagus Jaya Santosa2)
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Surabaya, Surabaya
2)
Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
e-mail: [email protected]
1)
Diterima 9 Agustus 2014, disetujui untuk dipublikasikan 8 Desember 2014
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk mengestimasi parameter-parameter sumber gempa bumi dan perubahan tekanan
Coulomb akibat dari gempa bumi Padang 30 September 2009. Data gelombang seismik 3 komponen telah direkam
oleh 4 stasiun, yaitu BTDF yang berjarak 489,6 km, stasiun KOM yang berjarak 521,9 km, stasiun IPM yang jarak
dan arah 596,5 km, dan stasiun KUM yang berjarak 677 km dari episentrum. Metode yang digunakan untuk
mengananlisis gelombang seismik tersebut adalah metode Diskritisasi Bilangan Gelombang secara iteratif. Metode
ini diimplementasikan dalam software ISOLA, untuk mendapatkan parameter-parameter sumber gempa bumi.
Parameter-parameter sumber gempa bumi ini selanjutnya digunakan untuk menentukan orientasi bidang patahan
dan menghitung perubahan tekanan Coulomb Untuk menentukan orientasi bidang patahan yang sesungguhnya
digunakan metode HC-plot. Hasil analisis menunujukan bahwa orientasi bidang patahan gempa tersebut melintang
di pulau Sumatera dan memiliki sudut dip 53° terhadap bidang horisontal dan memiliki strike 73° terhadap Utara.
Kenaikan tekanan Coulomb di suatu daerah akan memicu zona patahan yang ada di daerah tersebut untuk
bergeser. Jika patahan tersebut bergeser, maka akan melepaskan energi secara mendadak dan jika energi ini
sampai di permukaan bumi, maka akan terjadi gempa bumi tektonik susulan. Berdasarkan plot tekanan Coulomb
terlihat bahwa gempa Jambi tanggal 1 Oktober 2009 dipicu oleh tekanan Coulomb gempa Padang 30 September
2009.
Kata kunci: Parameter sumber gempa bumi, Orientasi bidang sesar dan tekanan Coulomb.
Earthquake Source Parameters Estimation at Padang September 30, 2009, Mw = 7,6 and
Its Correlation With Aftershocks
Abstract
This study aims to estimate the source parameters of earthquakes and Coulomb stress changes resulting from
Padang earthquake of 30 September 2009 by using 3-component seismic waveform data recorded by BTDF station
within 489.6 km, COM stations within 521.9 km, IPM station within 596.5 km, and KUM stations within 677 km of
the epicenter. The method that was used to analyze the seismic wave is Discretization Iteratively Wave Numbers
method. This method is implemented in software ISOLA, to obtain the parameters of the earthquake source. The
parameters of the earthquake source is then used to determine fracture orientation and calculate the area of
Coulomb stress changes in order to determine the orientation of the field of real faults used HC-plot method. The
results show that the orientation of the earthquake fault areas across the island of Sumatera and has a dip angle of
53° to the horizontal plane and has a strike of 73 ° against the North. Coulomb pressure rise in an area will trigger
a fault zone in the area to shift. If the fault is shifted, then suddenly releases energy and this energy to the surface of
the earth, there will be aftershocks. Based on Coulomb stress plot looks that earthquake Jambi October 1, 2009
triggered by Coulomb stress Padang earthquake September 30, 2009.
Keywords: Earthquake source parameters, Orientation of fault plane and Coulomb stress changes.
pegunungan Bukit Barisan, dari teluk Semangko di
Selat Sunda sampai wilayah Aceh di Utara. Sesar
Semangko ini merupakan patahan paling aktif di
dunia. Gempa-gempa yang terjadi di Sumatera dan
Jawa merupakan implikasi geodinamik dari
deformasi aktif di sekitar Sunda (Java) trench
(Lasitha dkk., 2006).
Sumatera Barat merupakan batas lempeng
samudra (continental) yang terdiri dari dua sistem
patahan, yaitu sistem patahan strike-slip yang
berputar ke kanan (dextral) dan subduksi antarmuka
1. Pendahuluan
Ada dua pembangkit gempa bumi di
Sumatera, yaitu zona subduksi lempeng yang terletak
di perairan Sumatera yang berpotensi menimbulkan
gempa dengan magnitudo relatif lebih besar yang
sangat mungkin bisa menimbulkan tsunami; zona
patahan Sumatera yang dikenal sebagai sesar
Semangko. Sesar Semangko merupakan patahan yang
sangat aktif di daratan yang membelah pulau
Sumatera menjadi dua, membentang sepanjang
88
Madlazim dan Santosa, Estimasi Parameter Sumber Gempa Bumi Padang 30 September 2009, Mw=7,6 ……….. 89
dip-slip yang memiliki pengaruh lebih besar
(Madlazim dkk., 2010; Madrinovella dkk., 2011;
Natawijaya, 2002). Konvergensi kemiringan yang
menghadap ke utara dari lempeng Hindia dan
Australia bergerak menuju Asia Tenggara dengan
kecepatan 60 mm/th (Newcomb dan McCann, 1999;
Prawirodirdjo dkk., 1997). Konvergensi lempeng
dibagi menjadi slip yang paralel terhadap trench yang
ditampung oleh patahan Sumatera dan slip yang
tegak lurus yang terakomodir oleh antarmuka zona
subduksi (Prawirodirdjo dkk., 1997). Patahan
Sumatera telah menyebabkan belasan gempa dengan
kekuatan 7 ≤M ≤7,7, juga beberapa even kecil
dengan jumlah yang sama, pada abad terakhir.
Pada batas lempeng Sumatera, terjadi
subduksi pada lempeng Hindia-Australia dengan
kecepatan sebesar 60 mm/th dengan arah N11°E
(Natawidjaya, 2002). Konvergensi oblique (miring),
terpartisi menjadi trench yang paralel terhadap slip
yang sebagian besar ditampung oleh zona patahan
Sumatera dan trench yang tegak lurus terhadap slip
yang sebagian besar ditampung oleh zona subduksi.
Peta zona patahan Sumatera yang lebih detail (SFZ)
menunjukkan bahwa patahan Sumatera terdiri dari
banyak bagian (segmen). Pengaruh dari segmentasi
patahan ini terhadap dimensi sumber seismik
menunjukkan bahwa dimensi untuk even-even
seismik di masa depan juga terpengaruh oleh
geometri patahan (Madlazim dkk., 2010).
Memahami retakan yang diakibatkan oleh
patahan aktif merupakan tujuan dasar yang belum
tercapai dalam ilmu gempa. Alasan utama dari
lambatnya kemajuan adalah jarangnya data dan
analisis yang relevan tentang bagaimana regangan
berakumulasi pada daerah di sekitar patahan dan
bagaimana patahan melepaskan regangan yang
terakumulasi tersebut (Toda dkk., 1998).
Selain dibangkitkan oleh zona subduksi dan
zona patahan, gempa bumi juga bisa dipicu oleh
kenaikan tekanan Coulomb akibat gempa bumi besar
(Toda dkk., 1998). Gambar 1 menunjukkan bahwa
frekuensi gempa bumi meningkat tajam setelah
gempa besar di Aceh tanggal 26 Desember 2004.
Gempa bumi besar ini telah memicu segmen-segmen
zona patahan-zona patahan yang ada di Sumatera dan
sekitarnya.
Gambar 1. Jumlah komulatif gempa bumi di
Sumatera mulai th. 1977 s/d 2009 (Katalog Harvard).
Permasalahannya adalah bagaimana parameter
gempa bumi Padang tanggal 30 September 2009 dan
bagaimana peta perubahan tekanan Coulombnya
yang dapat memicu gempa-gempa susulan
(aftyershocs) serta gempa Jambi tanggal 1 Oktober
2009.
2. Metode Penelitian
Karakteristik gempa bumi dapat diketahui dari
parameter-parameter sumber gempa. Parameterparameter sumber gempa diperoleh dengan cara
menganalisis data gempa bumi yang sering dikenal
dengan gelombang seismik. Gelombang seismik yang
berasal dari pusat sumber gempa bumi (hiposenter)
direkam oleh stasiun-stasiun observasi yang dipasang
di sekitar daerah yang sering terjadi gempa bumi.
Untuk menganalisis gelombang seismik gempa
Padang tanggal 30 September 2009, penulis
menggunakan gelombang seismik yang direkam oleh
stasiun BTDF yang berjarak 489,6 km, stasiun KOM
yang berjarak 521,9 km, stasiun IPM yang berjarak
596,5 km, dan stasiun KUM yang berjarak 677 km
dari episenter. Selanjutnya data tersebut diinversi
menggunakan
metode
Diskritisasi
Bilangan
Gelombang
secara
iteratif.
Metode
ini
diimplementasikan
dalam
software
ISOLA
(Efthimios dan Zahradník, 2008), untuk mendapatkan
parameter-parameter sumber gempa bumi tersebut.
Inversi ini menggunakan frekuensi antara 20 mHz
dan 60 mHz. Parameter-parameter sumber gempa
bumi ini selanjutnya akan digunakan untuk
menentukan orientasi bidang patahan dan
menghitung perubahan tekanan Coulomb (Toda dkk.,
1998).
Untuk menentukan orientasi bidang patahan
yang sesungguhnya digunakan metode HC-plot
(Zahradnik dkk., 2008). Sedangkan untuk
menentukan perubahan tekanan Coulomb setelah
terjadi gempa dan panjang, lebar bidang patahan serta
panjang pergeseran slip digunakan software Coulomb
(Toda dkk., 1998).
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Parameter-parameter sumber gempa bumi di
Padang dapat diekstrak dari model matematis, jika
antara data teramati dan data sintetik telah tercapai
fitting seismogram yang baik. Fitting yang baik dapat
diindikasikan dari nilai varians reduksi lebih besar
dari 65%. Dalam riset ini telah diperoleh fitting
seismogram dengan varians reduksi 74,87% atau
korelasinya 80,86% dengan double couple (DC) 81%
(seperti Gambar 3).
90 Jurnal Matematika & Sains, Desember 2014, Vol. 19 Nomor 3
Gambar 2. Fitting seismogram 3 komponen dari gempa bumi Padang 30 September 2009 menggunakan stasiun
seismik KUM, IPM, KOM dan BTD.
Gambar 3. Parameter-parameter sumber gempa Padang.
Madlazim dan Santosa, Estimasi Parameter Sumber Gempa Bumi Padang 30 September 2009, Mw=7,6 ……….. 91
Berdasarkan
hasil
analisis,
diperoleh
parameter-parameter sumber gempa bumi Padang
sebagaimana yang ditunjukkan oleh Gambar 3.
Berdasarkan output software ISOLA (Efthimios dan
Zahradník, 2008) dapat diketahui bahwa tipe bidang
patahan gempa bumi Padang adalah oblique reverse
(miring dan terbalik) dengan orientasi (strike) 73°
terhadap arah Utara, dip 53° terhadap horisontal dan
rake 138°. Kondisi orientasi bidang patahan ini
diilustrasikan oleh Gambar 5. Parameter-parameter
sumber gempa bumi Padang yang memiliki
parameter centroid berupa origin time, momen
seismic (Mo), magnitudo (Mw), hiposenter dan
orientasi bidang patahan (strike, dip dan slip).
Parameter-parameter sumber gempa ini selanjutnya
akan digunakan untuk menghitung perubahan
tekanan Coulomb.
Koordinat hiposenter gempa bumi Padang 30
September 2009 yang digunakan adalah hasil relokasi
hiposenter menggunakan hypoDD (Madrinovella
dkk., 2011) dengan lattitude:-0,8530, longitude:
99,7450, kedalaman: 73,02 km. Sedangkan koordinat
centroid-nya menggunakan parameter-parameter
sumber gempa (Gambar 3) yang memiliki lokasi
centroid latitude -0,800 longitude 99,930 dan
kedalamannya 72 km (Gambar 3).
Parameter-parameter
Centroid
Moment
tensors (CMT) yang diuji untuk mendapatkan bidang
sesar yang sesungguhnya adalah orientasi bidang
patahan nodal plane 1 dan nodal plane 2. Di antara
kedua nodal plane tersebut hanya ada satu nodal
plane yang merepresentasikan bidang patahan yang
sesungguhnya. Gambar 4 berikut merupakan gambar
bidang patahan yang sesungguhnya (teraktifkan)
yang menggunakan metode HC-plot.
Prinsip dari metode HC-plot adalah menguji
lokasi hiposenter (H) pada kedua nodal plane
tersebut, bilamana H terletak nodal plane 1, maka
bidang sesar yang sesungguhnya adalah nodal plane
1 dan bila H terletak di nodal plane 2, maka bidang
sesar yang sesungguhnya adalah nodal plane 2
(Zahradnik dkk., 2008). Centroid (C = Author)
adalah titik pusat perpotongan antara nodal plane 1
dan nodal plane 2. Dari output metode HC-plot
diketahui bahwa H terletak pada nodal plane 1
(warna hijau) yang memiliki strike 73° dan dip 53°.
Strike dan dip inilah yang mengilustrasikan orientasi
dari bidang sesar yang sesungguhnya (teraktifkan).
Selanjutnya dengan menggunakan relasi
empirik yang diimplementasikan dalam software
Coulomb (Toda dkk., 1998) diperoleh panjang dan
lebar bidang patahan masing-masing 142,68 km dan
51,01 km serta jarak pergeseran slip 1,21 m. Plot
bidang patahan gempa bumi Padang secara detail bisa
dilihat pada Gambar 5.
Perubahan tekanan Coulomb ditentukan
dengan menggunakan pergeseran slip 1,21 m terjadi
pada bidang rupture 142,68 km x 51,01 km (Gambar
5) dan kedalaman gempa bumi 72 km serta tipe
mekanisme sumber gempa bumi adalah oblique
reverse (Gambar 3) serta modulus geser dari 3,0 ×
1010 Pa, Rasio Poisson 0,25 dan koefisien gesekan
efektif, μ'= 0,4. Nilai 0,4 diadopsi dari nilai-nilai
koefisien gesek untuk bidang sesar yang relatif besar
(Vigny, 2009; 2012; Haris dan Simpson, 1998).
Perubahan tekanan dihitung menggunakan fungsi
Coulomb Failure Function, CFF (Reasenberg dan
Simpson, 1992; Madlazim, 2013) sebagai berikut.
CFF     '  n
Dengan  adalah perubahan tekanan geser coseismic pada bidang patahan dan searah slip,  n
adalah perubahan tekanan arah normal (dengan
tegangan positif).
Gambar 4. Identifikasi bidang patahan gempa bumi
Padang 30 September 2009 menggunakan metode
HC-plot (Zahradnik dkk., 2003).
Gambar 5. Plot bidang patahan Sumber Gempa
Padang.
92 Jurnal Matematika & Sains, Desember 2014, Vol. 19 Nomor 3
4. Kesimpulan
Longitude (degree)
Gambar 6. Peta perubahan tekanan Coulomb(bar)
dan gempa utama 930/9/2009(bintang) serta gempa
susulan(lingkaran).
Untuk mengilustrasikan daerah-daerah mana
saja di sekitar Sumatera yang mengalami kenaikan
tekanan Coulomb (warna merah) dan berpeluang
akan terjadi gempa yang dipicu oleh gempa Padang
30 September 2009, digambarkan peta perubahan
Coulomb (Gambar 6). Selain pemicu gempa bumi
yang berupa kenaikan tekanan Coulomb, terjadinya
gempa di suatu daerah juga dipengaruhi oleh
karakteristik sesar di daerah tersebut. Dalam tulisan
ini penulis tidak membahas lebih detail tentang
sesarnya, tetapi pembahasan dalam artikel ini lebih
fokus pada pemicu dari gempa buminya.
Pada daerah Sumatera yang mengalami
kenaikan tekanan Coulomb, sangat rawan terjadi
gempa bumi yang dipicu oleh gempa bumi Padang.
Karena daerah tersebut terdapat sesar Semangko yang
sangat aktif. Distribusi perubahan tekanan Coulomb
sedemikian rupa (Gambar 6) karena tipe sesar dari
gempa Padang adalah terbalik dan miring (oblique
reverse) dan melintang pada pulau Sumatera yang
memiliki panjang 142,68 km dan lebar 51,01 km
seperti yang ditunjukkan oleh bidang persegi panjang
(Gambar 5 dan Gambar 6). Dua gempa bumi susulan
di Padang dan dua gempa bumi susulan di Jambi juga
episentrumnya terletak di daerah yang mengalami
kenaikan tekanan Coulomb (warna kuning atau
merah). Sehingga daerah-daerah lain yang mengalami
kenaikan tekanan Coulomb perlu diwaspadai karena
memiliki kemungkinan yang besar terjadinya gempa
bumi susulan di waktu mendatang. Gempa bumi
Padang tersebut bisa memicu gerakan lempeng yang
ada di daerah tersebut. Sedangkan daerah-daerah
yang terjadi penurunan tekanan Coulomb (warna
biru) relatif lebih aman, karena pemicunya kecil,
sehingga kecil kemungkinan terjadi gempa bumi
susulan akibat gempa bumi Padang.
Dengan menggunakan waveform 3 komponen,
diperoleh fitting yang sangat baik dan meyakinkan
dengan varians reduksi=74,87% atau korelasinya
80,54% antara seismogram teramati dengan sintetik
dan selanjutnya CMT yang didapatkan double couple
DC 81%.
Parameter-parameter sumber gempa bumi
Padang 30 September 2009 merupakan sumber
informasi penting untuk mengantisipasi resiko gempa
bumi, tsunami dan pemicu gempa yang akan datang.
Kenaikan tekanan Coulomb dapat memicu
zona patahan untuk bergeser yang berakibat
terjadinya gempa bumi-gempa bumi berikutnya
(aftershoks).
Dengan menggunakan metode HC-plot
didapatkan
bahwa
bidang
patahan
yang
sesungguhnya adalah Nodal plane 1: strike 73; dip
53; rake 138.
Tipe sesarnya terbalik dan miring dengan
jarak slip 1,21 m arah slip menjauhi pantai (138
derajat), sehingga walau magnitudo gempa bumi 7,7,
gempa dangkal dan episentrumnya di laut, tetapi
tidak terjadi tsunami.
Ucapan Terima Kasih
Terima kasih ditujukan kepada Badan
Meteorologi,
Klimatologi
dan
Geofisika
(http://www.bmg.go.id)
dan
IRIS
(http://www.iris.edu/dms/wilber.htm) atas data yang
telah disediakan untuk digunakan dalam studi ini.
Juga kepada Zahradnik, dan Sokos, E Zahradni untuk
software ISOLA dan HC-Plot. Juga kepada Toda, S.,
R. S. Stein untuk software Coulombnya yang telah
sangat bermanfaat untuk memperlancar penelitian ini.
Daftar Pustaka
Efthimios, S. and J. Zahradník, 2008, A Matlab GUI
for Use with ISOLA Fortran Code,
University
of
Patras,
Seismological
Laboratory and Charles University in
Prague, Faculty of Mathematics and Physics,
Comput. Geosci., 34, 967-977.
Harris, R. A., and R. W. Simpson, 1998, Suppression
of Large Earthquakes by Stress Shadows: a
Comparison of Coulomb and Rate-and-Rateand State Failure, J. Geophys. Res., 103,
24439-24451.
Lasitha, S., M. Radhakrishna, and T. D. Sanu, 2006,
Seismically Active deformation in the
Sumatera-Java
Trench-arc
region:
Geodynamic Implications, Current Science,
90, 690-696.
Madlazim, 2013, Determining the Source Parameters
of the Jambi Earthquake (1 October 2009,
Mw=6.4) Using Three-Component Local
Waveforms, Makara Journal of Science, 17,
17-22.
Madlazim, J. S. Bagus, M. L. Jonathan and U.
Widya, 2010, Earthquake Source Parameters
Madlazim dan Santosa, Estimasi Parameter Sumber Gempa Bumi Padang 30 September 2009, Mw=7,6 ……….. 93
at Sumateran Fault Zone: Identification of
the Activated Fault Plane, Cent. Eur. J.
Geosci., 2, 2010. DOI:10.2478/v10085-0100016-5.
Madrinovella, Widiyantoro dan Meilano, 2011,
Relokasi Hiposenter Gempa Padang 30
September 2009 Menggunakan Metode
Double Different, JTM, XVIII, 3-10.
Natawidjaya, D. H., 2002, Neotectonics of the
Sumatera Fault and Paleogeodesy of the
Sumatera Subduction Zone, California
Institute of Technology Pasadena, California
(Thesis).
Newcomb, K. R. and W. R. McCann, 1999, Seismic
history and seismotectonics of the Sunda
Arc, J. Geophys. Res., 92, 421-439.
Prawirodirdjo, L., Y. Bocl, R. McCaffrey, J. Genrich,
E. Calais, C. Stevens, S.S.O Puntodewo, C.
Subarya, J. Rais, P. Zwick, and R.
McCaffrey
Fauzi,
1997,
Geodetic
observations
of
interseismic
strain
segmentation at the Sumatera subduction
zone, Geophys. Res. Lett., 24, 2601-2604.
Reasenberg, P. A. and R. W. Simpson, 1992,
Response of Regional Seismicity to the
Static Stress Change Produced by the Loma
Prita Earthquake, Science, 255, 1687-1690.
Toda, S., R. S. Stein, P. A. Reasenberg, J. H.
Dieterich, and A. Yoshida, 1998, Stress
transferred by the MW = 6.9 Kobe, Japan,
shock: Effect on aftershocks and future
earthquake probabilities, J. Geophys. Res.,
103, 24543-24565.
Vigny, C., 2009, The Earthquake of Padang, Sumatra
of 30 September 2009 – scientific
information and update, “Laboratoire de
Géologie” Geoscience Dept. Of ENS,
UMR8538 of CNRS.
Wiseman K., B. Paramesh, B. Roland, S. Kerry, S. D.
Douglas and H. Iwan, 2012, Source model
of the 2009 Mw 7.6 Padang intraslab
earthquake and its effect on the Sunda
megathrust, Geophys. J. Int., 190, 1710–
1722.
Zahradnik, J., F. Gallovic, E. Sokos, A. Serpetsidaki,
and T. G-Akis, 2008, Quick fault-plane
identification by a geometrical method:
Application to17 the Mw 6.2., Seismological
Research Letters, 79, 653 – 662.