ANALISIS GEMPA BUMI SUMATRA BARAT C050294B DI BIDANG SUBDUKSI SUMATRA PADA BERBAGAI STASIUN OBSERVASI ASIA TIMUR

Transkripsi

1 J. Sains MIPA, April 2007, Vol. 13, No. 1, Hal.: ISSN 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 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 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 10 6, fase gelombang pantul pp 0,6 x 10 6, dan terbias dalam inti bumi PKP hampir 1 x 10 6,. Data sejumlah ini dikumpulkan dari gempa-gempa bumi dari rentang waktu 1/1/1964 hingga 31/12/2000 2), begitu pula sejumlah kecil data selisih absolut waktu-waktu tempuh PP-P, PKP-Pdiff, diukur 66

2 J. Sains MIPA, April 2007, Vol. 13, No. 1 secara akurat melalui korelasi silang waveform dari data digital broad-band 3). Dalam inversi data waktu tempuh digunakan data waktu terhitung yang disimulasikan pada model bumi IASPEI91 4). 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 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 Chapman 5), didapat dari 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 67

3 Bagus Jaya Santosa Analisis Gempa Bumi Sumatra Barat Gambar 1. Anomali struktur bumi di Asia Tenggara menurut 1) Gambar 2. Jalan-jalan gelombang dari episenter gempa bumi C050294B ke stasiun-stasiun observasi 68

4 J. Sains Tek., Desember 2006, Vol. 12, No 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 β h di upper mantle diubah menjadi positif terhadap kedalaman, daripada negatif seperti pada PREMAN. Sedangkan gradien untuk β v 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 seismolog 9) dalam hasil risetnya menyatakan, bahwa di daerah depan bidang subduksi memiliki anomali kecepatan positif. 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 β h 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 β h 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 3. Perbandingan seismogram gempa bumi C050294B di CHTO Gambar 4. Perbandingan seismogram gempa bumi C050294B di ENH 69

5 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 β h dan β v 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 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 km 10). 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. (a) Gambar 5. Perbandingan seismogram gempa bumi C050294B di QIZ a. Fase gelombang S, SS, L & R b. Fase gelombang P dan repetisi (b) 70

6 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 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 Gambar 9. Perbandingan seismogram gempa bumi C050294B di GUMO 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 β h dan β v menunjukkan 71

7 Bagus Jaya Santosa Analisis Gempa Bumi Sumatra Barat 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. 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 β h 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 reconstructions and seismic tomography, Earth and Planetary Science Letters. 221: Engdahl, E.R., Van Der Hilst, R.D., Buland, R.P Global teleseismic earthquake relocation with improved travel times and procedures for depth determination, Bull. Seism. Soc. Am., 88: Grand, S.P., Van Der Hilst, R.D., Widiyantoro, S Global seismic tomography; a snapshot of convection in the Earth, GSA Today, 7: Kennett, B.L.N., IASPEI. 1991, Seismological Tables, Research School of Earths Sciences, Australian National University. 5. Bulland, R. and Chapman, C Travel time Calculation, BSSA, 73: 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 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: Dziewonski, A.M. and Anderson, D.L Preliminary reference Earth model, Phys. of the Earth and Plan. Int., 25: Dreger, D.S Time-Domain Moment Tensor INVerse Code (TDMT_INVC), The Berkeley Seismological Laboratory (BSL), report number Kárason, H., Van der Hilst, R.D Tomographic imaging of the lowermost mantle with deferential times of refracted and difracted core phases (PKP, P diff), J. Geophys. Res. 106: Replumaz, A, Kárason, H, van der Hilst, R. D., Besse, J. and Tapponnier, P D evolution of SE Asia s mantle from geological 72