Pencitraan Struktur 3-D Vp, Vs, Rasio Vp/Vs Menggunakan Tomografi Double Difference di Wilayah Bali

Transkripsi

1 Pencitraan Struktur 3-D Vp, Vs, Rasio Vp/Vs Menggunakan Tomografi Double Difference di Wilayah Bali Putu Kusuma Yadnya 1, Andri Dian Nugraha 1, Supriyanto Rohadi 2 1) Teknik Geofisika, Fakultas Teknik Pertambangan dan Perminyakan, Institut Teknologi Bandung, Jalan Ganesha 10 Bandung, ) Balai Besar Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta, Indonesia kusuma.putu.student@itb.ac.id 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 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

2 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 Indo- Australia 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

3 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: (2) 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). Tabel 1Model kecepatan 1-D Vp, Vs. Kedalaman (km) Kedalaman (Km) Vp (km/s) Vs (km/s) 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): Penulisan yang sama juga berlaku untuk gempa ke j yang juga teramati pada stasiun k menjadi: sehingga pengurangan untuk gempa i dan j didapatkan: (3) (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: 34

4 ( ) ( ) (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 N p 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,t 0 ). (41) adalah vektor pertubasi untuk parameter hiposenter (x,y,z,t 0 ). ( ) 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 Q DD. 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: (8) Penulisan yang lengkap dari persamaan struktur kecepatan dan lokasi gempa dengan menggunakan data absolut dan diferensial adalah: (9) 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

5 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 (t obs -t cal ) 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 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. 36

6 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

7 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 yang berada di bawah gunung Agung dan gunung Batur pada beberapa kedalaman 38

8 (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

9 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, 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 /2006JB 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, 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 Trenggoning, P., F. K. Brunner, Y. Bock, S. S. O. Puntodewo, R. McCaffrey, J. F. Genrich, E. Calais, J. Rais, dan C. Subarya, 1994, First geodetic measurement of convergence across the java Trench, Geophys, Res.lett.,21, 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, Widiyantoro, S. dan R. D. Van der Hilst, 1997, Mantle structure beneath Indonesia inferred from highresolution tomographic imaging, J. Geophys. Int.,130,

10 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 doi: /SP355.7 Wolfe, C. J., 2002, On the mathematics of using difference operators to relocateearthquakes, Bull. Seism. Soc. Am., 92, 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,