PENGOLAHAN SINYAL GEOMAGNETIK SEBAGAI PREKURSOR GEMPA BUMI DI REGIONAL JEPANG

Transkripsi

1 PENGOLAHAN SINYAL GEOMAGNETIK SEBAGAI PREKURSOR GEMPA BUMI DI REGIONAL JEPANG Bulkis Kanata 1), Teti Zubaidah 1,3), Budi Irmawati 2,4), Cipta Ramadhani 1,5) 1 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Mataram 2 Jurusan Teknik Informatika, Fakultas Teknik, Universitas Mataram Jl. Majapahit 62 Mataram uqinata@yahoo.co.id, 3 tetizubaidah@yahoo.com, 4 yzakodek@yahoo.com, 5 ramadhani.cipta@gmail.com Abstrak Selama tahun empat gempa besar dengan amplitude diatas 7SR terjadi di regional Jepang, yang paling terakhir diantaranya merupakan gempa besar di Jepang sepanjang sejarah. Tulisan ini mengupas kemungkinan kaitan antara kejadian gempa besar dengan fluktuasi sinyal geomagnetik yang bersifat anomali, dengan menerapkan prosedur diferensiasi dan moving average. Data geomagnetik per-menit yang hampir kontinyu selama rentang waktu sebelas tahun diambil dari tiga observatorium INTERMAGNET di wilayah regional Jepang. Hasil pengolahan sinyal menunjukkan fluktuasi geomagnetik dengan magnitude tinggi yang terlihat dari sejak 3 bulan sampai 1 bulan sebelum kejadian gempa, yang kemungkinan dapat dijadikan sebagai prekursor kejadian gempa bumi besar. Prosedur moving average yang diterapkan atas nilai diferensiasi geomagnetik total antar observatorium menunjukkan magnitude yang cukup tinggi, namun terdapat pula kejadian gempa yang tidak menunjukkan kecenderungan anomali dan hanya menunjukkan trend linear. Sementara itu, kondisi geomagnetik global pada saat kejadian gempa menunjukkan adanya semacam hubungan sebab-akibat antara gempa dan gangguan geomagnetik di lithosfer dan atmosfer dengan ditandai munculnya anomali sinyal geomagnetik tersebut. Sekalipun demikian, hubungannya secara fisis maupun matematis belum dapat didefinisikan dengan tegas. Kata kunci : geomagnetic, gempa bumi, prekursor, diferensiasi, moving average, INTERMAGNET 1. Pendahuluan Aktivitas seismik dapat dikaitkan dengan penyimpangan dari berbagai jenis parameter. Beberapa orang menghubungkan perilaku tidak wajar dari hewan pada gempa besar yang merusak [1] atau menunjukkan peningkatan ketegangan sosial beberapa tahun sebelum gempa bumi merusak [2]. Banyak makalah mengupas kejelasan dari fenomena magnetik, listrik dan elektromagnetik sebelum, selama atau setelah peristiwa tektonik [3, 4, 5]. Namun demikian, pengamatan anomali elektromagnetik cukup sulit, karena amplitudonya sangat tergantung pada intensitas seismik, mekanisme fisik yang terlibat, dan jarak titik pengamatan dari hiposenter gempa. Biasanya hanya gempa besar (M >= 5) yang menghasilkan anomali elektromagnetik jelas. Terlebih lagi, kadang-kadang waktu munculnya sinyal anomali tidak tepat bersesuaian dengan sinyal koseismik. Oleh karena itu, pengolahan sinyal geomagnetik untuk keperluan mendapatkan prekursor gempa harus melibatkan banyak data yang diperoleh dari pengamatan dalam jangka waktu lama. Selama tahun empat gempa besar magnitude diatas 7 SR telah terjadi di regional Jepang sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 1. Gambar 1 menunjukkan lokasi dan waktu kejadian gempa, serta lokasi ketiga observatorium geomagnetik INTERMAGNET yang dipergunakan dalam pengolahan sinyal. Pada tulisan ini dilakukan prosedur diferensiasi dan moving average untuk mengetahui apakah gempa dengan magnitude besar tersebut dapat menyebabkan fluktuasi sinyal geomagnetik yang bersifat anomali; serta sejauh mana besarnya fluktuasi yang timbul dan mulai kapan munculnya sinyal anomali tersebut. Dengan melakukan kajian ini diharapkan muncul kesimpulan apakah metode pengolahan sinyal fluktuasi geomagnetik dapat dijadikan salah satu prekursor gempa bumi besar, yang selanjutnya dapat diterapkan untuk keperluan mitigasi bencana.

2 Gambar 1. Lokasi gempa besar (M>7 SR) di Jepang yang akan diinvestigasi dan letak tiga observatorium geomagnetik: Memambetsu (MMB), Kakioka (KAK) dan Kanoya (KNY). Tabel 1. Gempa magnitude >=7 SR di Jepang tahun YYMMDD Time Lat Long Depth M (km) (SR) Pengambilan dan Pengolahan data Observatorium-observatorium geomagnetik INTERMAGNET di Memambetsu (MMB), Kakioka (KAK), dan Kanoya (KNY) merupakan observatorium di wilayah regional Jepang yang datanya akan digunakan untuk melakukan investigasi. Gambar 1 menunjukkan lokasi ketiga observatorium tersebut, sementara koordinat geografisnya ditampilkan pada Tabel 2. Tabel 2. Posisi geografis observatorium MMB, KAK, dan KNY IAGA Latitude Longitude Elevation code (m) MMB 43 o N 144 o E 42 KAK 36 o N 1 o E 36 KNY 31 o N 130 o E 107 Japan Meteorological Agency (JMA) mengoperasikan ketiga observatorium geomagnetik ini. Sejak tahun 1967, MMB telah dioperasikan sebagai salah satu dari 14 observatorium yang dipilih untuk menentukan indeks Kn, yang merupakan suatu indeks aktivitas geomagnetik di belahan bumi utara. Sejak tahun 1973, observatorium KAK telah didesain sebagai salah satu dari empat oservatorium didunia didedikasikan untuk mengukur indeks Dst, yang merupakan indeks geomagnetik yang memonitor tingkat badai magnetik di seluruh dunia, yang merupakan ratarata komponen horisontal medan geomagnetik dari pertengahan garis lintang dan magnetograms khatulistiwa dari seluruh dunia. KNY telah dioperasikan sejak tahun 1975 sebagai salah satu dari 10 observatorium yang mengklasifikasikan badai magnetik. Ketiga observatorium ini dilengkapi sistem perekaman data magnet real-time dan beroperasi dalam jaringan observatorium geomagnetik nearly real-time internasional (INTERMAGNET). Data yang diolah dalam tulisan ini diambil langsung dari halaman web INTERMAGNET ( merupakan data per-menit (one-minute values) yang telah diverifikasi (definitive) untuk medan magnet total (F). Untuk memperoleh data yang berkualitas, hanya data pada waktu malam hari (00:00 06:00 pada waktu lokal) yang akan digunakan dalam pengolahan data dan analisa. 3. Hasil prosedur diferensiasi Prosedur diferensiasi dilakukan dengan mengurangkan nilai rerata harian geomagnetik total antara dua buah observatorium. Perbedaan rerata harian ini dihitung untuk menghilangkan variasi diurnal, mengurangi gangguan ionosfer dan magnetospheric, serta menghilangkan pengaruh kecenderungan medan geomagnetik sekuler. Dengan demikian, sinyal yang tersisa benar-benar disebabkan oleh variasi lokal akibat magnetisasi kerak yang kemungkinan berhubungan dengan aktivitas tektonik. Selanjutnya prosedur movingaverage dilakukan untuk menghaluskan sinyal hasil prosedur diferensiasi untuk mendapatkan kejelasan trend fluktuasi. Dengan melakukan prosedur tersebut, penulis menemukan beberapa anomali geomagnetik dari perbedaan medan magnetik total pada peristiwa tektonik yang bersesuaian. Hal ini dapat dipandang sebagai prekursor kejadian gempa bumi besar di regional Jepang, sebagaimana diuraikan di bawah September 2003 Gambar 2 menunjukkan sekumpulan data geomagnetik dalam rentang waktu bulan Maret 2003 Februari 2004 dari ketiga observatorium MMB, KAK dan KNY. Gambar 2 (a) menunjukkan rerata harian data medan magnetik total, sedang Gambar 2(b) menunjukkan perbedaan rerata harian dan moving average dari ketiga observatorium MMB, KAK, dan KNY. Nilai sigma Kp harian disertakan pula dalam gambar tersebut, untuk mengetahui kondisi geomagnetik global, khususnya menjelang saat terjadinya gempa. Gambar 2(b) yang ditandai dengan lingkaran memperlihatkan adanya pola anomali, sebagaimana dapat dikalkulasikan dalam Tabel 3. tertinggi terdapat pada sinyal diferensiasi antara observatorium MMB dan KNY. Hal ini kemungkinan disebabkan salah satu observatorium jaraknya paling dekat dengan pusat gempa dan lainnya paling jauh dari pusat gempa. Dari data

3 medan magnetik total pada Gambar 2(a), observatorium MMB memiliki magnitude paling tinggi dan observatorium KNY memiliki magnitude paling rendah pada DOY yang bersesuain dengan kejadian anomali. tercatat sebanyak empat kali, yakni sebesar 30 pada 99 hari (kira-kira 3 bulan), 25 pada 76 hari (kira-kira 2,5 bulan), 39 pada 71 hari, dan 42 pada 38 hari sebelum kejadian gempa. Prosedur moving average yang diterapkan atas perbedaan medan magnet total masih sulit untuk menentukan adanya anomali karena trend data cenderung linear. Nilai sigma Kp rata-rata diatas pada kemunculan anomali tersebut, menandakan bahwa hari-hari tersebut bertepatan dengan terjadinya badai magnetik. Dengan demikian sinyal anomali yang muncul belum dapat dipastikan apakah hanya bersifat lokal di wilayah gempa dan terkait langsung dengan kejadian gempa September 2004 Gambar 3 menunjukkan sekumpulan data geomagnetik dalam rentang waktu bulan Maret 2004 Februari 2005 dari ketiga observatorium MMB, KAK dan KNY. Gambar 3(a) menunjukkan rerata harian data medan magnetik total, sedangkan Gambar 3(b) menunjukkan perbedaan rerata harian dan moving average dari ketiga observatorium MMB, KAK, dan KNY. Nilai sigma Kp harian disertakan pula dalam gambar tersebut, untuk mengetahui kondisi geomagnetik global, khususnya menjelang saat terjadinya gempa. Gambar 3(b) yang ditandai dengan lingkaran memperlihatkan pola anomali, sebagaimana dapat dikalkulasikan dalam Tabel 4. tertinggi terdapat pada perbedaan pada sinyal diferensiasi antara observatorium MMB dan KNY. Hal ini kemungkinan disebabkan salah satu observatorium jaraknya paling dekat dengan pusat gempa dan lainnya paling jauh dari pusat gempa. dengan magnitude yang paling tinggi tercatat pada observatorium MMB dan yang paling rendah pada observatorium KNY. tercatat sebanyak lima kali, yakni sebesar 8 pada 83 hari, 15 pada 43 hari, 36 pada 42 hari, 51 pada hari, dan 22 pada 6 hari sebelum kejadian gempa. Prosedur moving average yang diterapkan atas perbedaan medan magnet total memperlihatkan suatu pola anomali yang besarnya 26 selama 12 hari, yang dimulai sejak 41 hari sebelum kejadian gempa. Nilai sigma Kp rata-rata diatas pada kemunculan anomali tersebut, menandakan bahwa hari-hari tersebut bertepatan dengan terjadinya badai magnetik. Dengan demikian sinyal anomali yang muncul belum dapat dipastikan apakah hanya bersifat lokal di wilayah gempa dan terkait langsung dengan kejadian gempa Maret 2011 Gambar 4 menunjukkan sekumpulan data geomagnetik dalam rentang waktu bulan Oktober 2010 September 2011 dari ketiga observatorium MMB, KAK dan KNY. Gambar 4(a) menunjukkan rerata harian data medan magnetik total, sedangkan Gambar 4(b) menunjukkan perbedaan rerata harian dan moving average dari ketiga observatorium MMB, KAK, dan KNY. Nilai sigma Kp harian disertakan pula dalam gambar tersebut, untuk mengetahui kondisi geomagnetik global, khususnya menjelang saat terjadinya gempa. Gambar 4(b) yang ditandai dengan lingkaran memperlihatkan pola anomali, sebagaimana dapat dikalkulasikan dalam Tabel 5. tertinggi terdapat pada perbedaan pada sinyal diferensiasi antara observatorium KAK dan KNY. Hal ini kemungkinan disebabkan salah satu observatorium jaraknya paling dekat dengan pusat gempa dan lainnya paling jauh dari pusat gempa. tercatat sebanyak empat kali, yakni sebesar 9.06 pada 33 hari, pada 10 hari, 6.51 pada 4 hari, dan 16.8 pada 1 hari sebelum kejadian gempa. Sayang sekali, pada saat kejadian gempa dan sesudahnya data tidak terekam selama 3 hari. Prosedur moving average yang diterapkan atas perbedaan medan magnet total memperlihatkan suatu pola anomali yang besarnya selama 8 hari (DOY 38 - DOY 45), yang dimulai sejak 32 hari sebelum gempa (DOY 70). Dalam kejadian ini, nilai sigma Kp rata-rata tidak terlalu tinggi, menandakan bahwa hari-hari tersebut tidak sedang bertepatan dengan terjadinya badai magnetik. Dengan demikian sinyal anomali yang muncul dapat dipastikan hanya bersifat lokal di wilayah gempa dan terkait langsung dengan kejadian gempa. 4. Analisa dan kesimpulan Prekursor gempa bumi dengan magnitude besar dapat diperoleh melalui prosedur diferensiasi dan moving-average pada sinyal geomagnetik. Prosedur diferensiasi memperlihatkan anomali sinyal geomagnetik dengan magnitude tinggi, yang ratarata terjadi 3 1 bulan sebelum kejadian gempa. Adapun prosedur moving average atas sinyal diferensiasi, hanya memperlihatkan anomali jika magnitude gempa sangat besar atau pusat gempa yang sangat dangkal. Untuk gempa besar namun pusat gempanya cukup dalam, magnitude anomali tidak terlalu tinggi atau bahkan sulit ditentukan karena trend data cenderung linear. Besarnya sigma Kp harus selalu diperhatikan dalam menganalisa data, agar terdapat jaminan bahwa anomali yang teramati benar-benar hanya bersifat lokal di wilayah terjadinya gempa, dan bukan bersifat global karena pengaruh badai matahari. Dalam studi yang dilakukan kali ini, kondisi geomagnetik global pada saat kejadian gempa

4 Sigma Kp menunjukkan adanya semacam hubungan sebabakibat antara gempa dan gangguan geomagnetik di lithosfer maupun atmosfer dengan ditandai munculnya anomali sinyal geomagnetik tersebut dan tingginya nilai Kp. Sekalipun demikian, hubungan secara fisis maupun matematis belum dapat didefinisikan dengan tegas, karena pola kemunculan sinyal anomali dan sigma Kp yang tinggi cenderung bersifatnya acak. Untuk itu, diperlukan studi lanjut di wilayah regional lain dengan rentang waktu pengambilan data yang lebih panjang. Tabel 3. geomagnetik total observatorium MMB, KAK dan KNY sebelum gempa Gempa (DOY 268) 1 (DOY 169) 2 (DOY 192) 3 (DOY 197) 4 (DOY 230) OBS () () () () MMB-KAK MMB-KNY KAK-KNY Sigma Kp MMB Maret 2003-Februari KAK KNY (a) 3180 Maret 2003-Februari 2004 MMB-KAK MMB-KNY KAK-KNY /9/2003 8,3 SR DOY 268 (b) Gambar 2. Sekumpulan data geomagnetik bulan Maret 2003 Februari 2004 dari observatorim MMB, KAK dan KNY (a) Rerata harian medan magnetik total masing-masing observatorium, (b) Diferensiasi dan moving average untuk stasiun MMB-KAK, MMB-KNY, KAK-KNY serta Sigma Kp.

5 Sigma Kp Tabel 4. geomagnetik total observatorium MMB, KAK dan KNY sebelum gempa Gempa (DOY 249) OBS 1 (DOY 166) 2 (DOY 206) 3 (DOY 207) 4 (DOY 209) 5 (DOY 243) () () () () () MMB-KAK MMB-KNY KAK-KNY Sigma Kp Tabel 5. geomagnetik total observatorium MMB, KAK dan KNY sebelum gempa Gempa (DOY 70) OBS 1 (DOY 37) 2 (DOY ) 3 (DOY 66) 4 (DOY 69) () () () () MMB-KAK MMB-KNY KAK-KNY Sigma Kp MMB Maret 2004-Februari KAK KNY (a) 3250 Maret 2004-Feb 2005 MMB-KAK MMB-KNY 7 hari Moving Average KAK-KNY /9/2004 7,2 SR & 7,4 SR DOY 249 Gambar 3. (b) Sekumpulan data geomagnetik bulan Maret 2004 Februari 2005 dari observatorim MMB, KAK dan KNY (a) Rerata harian medan magnetik total masing-masing observatorium, (b) Diferensiasi dan moving average untuk stasiun MMB-KAK, MMB-KNY, KAK-KNY serta Sigma Kp.

6 Sigma Kp MMB OKTOBER 2010-SEPTEMBER KAK KNY (a) 3220 OKTOBER SEPTEMBER 2011 MMB-KAK MMB-KNY KAK-KNY /3/ SR DOY 70 (b) Gambar 4. Sekumpulan data geomagnetik bulan Oktober 2010 September 2011 dari observatorim MMB, KAK dan KNY (a) Rerata harian medan magnetik total masing-masing observatorium, (b) Diferensiasi dan moving average untuk stasiun MMB-KAK, MMB-KNY, KAK-KNY serta Sigma Kp. Ucapan Terima kasih Hasil-hasil yang disajikan dalam makalah ini berdasarkan data yang dikumpulkan pada observatorium-observatorium geomagnetik. Kami berterima kasih kepada lembaga-lembaga yang mendukungnya dan INTERMAGNET yang telah mempromosikan observatorium geomagnetik dengan standar tinggi ( DIKTI telah menyediakan dukungan finansial melalui hibah Penelitian Unggulan Perguruan Tinggi/Unram Daftar Pustaka: [1] Tributsch, H.,1983, When the snakes awake, Cambridge, MIT Press. [2] Molchanov, O., 2008, Social tension as precursor of large damaging earthquake: legend or reality?, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 8, , [3] Stacey, F. D., 1964, The seismomagnetic effect, Pure Appl. Geophys.,58,5-22. [4] Hayakawa, M. and Fujinawa, Y. (Eds.), 1994, Electromagnetic Phenomena Related to Earthquake Prediction, Terra Scientific Publishing Co., Tokyo, 677 pp. [5] Johnston, M.J.S and Parrot, M., 1998, Electromagnetic effects of earthquakes and volcanoes, Phys. Earth Planet. In., Special Volume, 105,