Landasan Teori Geologi Struktur Geologi struktur adalah bagian dari ilmu geologi yang mempelajari tentang bentuk (arsitektur) batuan akibat proses deformasi serta menjelaskan proses pembentukannya. Proses deformasi adalah perubahan bentuk dan ukuran pada batuan akibat gaya (Force) yang terjadi di dalam bumi.. Sesar Sesar atau patahan adalah rekahan pada batuan yang telah mengalami pergeseran yang berarti, melalui bidang rekahnya. Suatu sesar dapat berupa Bidang Sesar (Fault Plane), atau rekahan tunggal. Tetapi lebih sering berupa jalur sesar (Fault Zone), yang terdiri lebih dari satu sesar. Jalur sesar atau jalur penggerusan (Shear Zone), mempunyai dimensi panjang dan lebar yang beragam, dari skala minor sampai puluhan kilometer. Kekar yang memperlihatkan pergeseran dapat pula dikatakan sebagai sesar minor. Shear zone adalah suatu zona yang berbentuk tabular sampai melembar dan planar (datar) sampai bergelombang yang terbentuk pada batuan yang cenderung memiliki tingkat keterakan yang lebih besar daripada batuan sekitarnya, dengan intensitas yang terkadang lebih tinggi. Shear Zone memiliki ciri ciri yang dapat dikenali di lapangan. Karakteristiknya berbeda tergantung dimana Shear Zone terbentuk, dapat dibedakan sebagai berikut: 1. Brittle shear zone, yaitu jalur penggerusan pada batuan yang getas. 2. Ductile shear zone, yaitu jalur penggerusan pada batuan yang lentur. 3. Semi Brittle shear zone. 4. Semi ductile shear zone. Zona patahan adalah suatu jalur penggerusan pada kondisi brittle. Sedangkan bila jalur penggerusan terbentuk pada daerah ductile, maka akan menghasilkan metamorfisme juga menghasilkan pula batuan dengan foliasi, lineasi dan lipatan Untuk mengetahui klasifikasi sesar, maka kita harus mengenal unsur-unsur struktur (Gambar 2.1) sebagai berikut : 1. Bidang sesar, yaitu bidang sepanjang rekahan dalam batuan yang tergeserkan.
2. Dip sesar, sudut antara bidang sesar dengan bidang horizontal dan diukur tegak lurus jurus sesar. Strike dan dip sesar menunjukkan kedudukan dari bidang sesar. 3. Pitch, arah gelinciran yang membentuk sudut pada bidang sesar, diukur terhadap bidang horizontal. 4. Hade, sudut antara garis vertikal dengan bidang sesar dan merupakan penyiku dari dip sesar. 5. Throw, komponen vertikal dari slip/ separation diukur pada vertikal yang tegak lurus terhadap jurus sesar. 6. Heave, komponen horisontal yang tegak lurus dari slip/ separation diukur pada bidang vertikal yang tegak lurus jurus sesar. 7. Slip (pergeseran relatif), merupakan pergeseran titik titik yang sebelumnya berimpit, diukur dari blok satu ke blok yang lain. Gambar 1 Unsur-unsur struktur sesar Pemodelan Patahan Anderson ( 1951 ) Berdasarkan uji ketahanan batuan, Anderson mengetahui bahwa kondisi tegasan yang menyebabkan terjadinya patahan pada suatu tubuh batuan, mengikuti hukum Coulomb mengenai batas ketahanan suatu massa terhadap tekanan (Coulomb law of failure) seperti terlihat pada gambar 2.2 A,B. Coulomb failure envelope biasanya lurus, dengan kemiringan rata rata sekitar 30. Sudut kemiringan (φ) adalah sudut geser dalam (angle of internal friction) suatu material. Ketika envelope terproyeksikan pada
sumbu σ s pada diagram Mohr (Gambar 2.2 C), juga berpotongan dengan sumbu pada nilai 0 (σ 0 ), titik ini dinamakan kekuatan kohesif ( cohesive strength ) batuan. Adapun hukum Coulomb adalah sebagai berikut : dimana, σ c =-σ 0 + tan φ (σ n ) σ c = Titik kritis dimana besarnya tegasan mampu menyebakan batuan terpatahkan σ 0 = Kekuatan kohesif ( cohesive strength ) σ n = Tegasan normal Anderson berpendapat bahwa sudut geser dalam ( φ ) menentukan sudut antara bidang patahan dan arah dari tegasan utama ( σ 1 ). Berdasarkan geometri dari failure envelope, mendapatkan : φ = 90-2θ Atau, 2θ = 90 - φ
Gambar 2 (A.) Pengeplotan nilai σ 1 dan σ 3 di 3 percobaan. Menunjukkan pola failure envelope yang melewati tiga titik pecah pada setiap pecobaan. (B) Menggunakan failure envelope untuk menunjukkan besarnya tegasan (stress) yang mampu mematahkan batuan dengan σ s ( confining pressure ) 1,85 Mpa. (C)Persamaan Coulomb law failure dalam hubungannya dengan diagram Mohr.
Dari pernyataan tersebut dapat disimpulkan bahwa sudut antara bidang patahan dengan arah tegasan utama harus lebih kecil dari 45 atau dengan kata lain arah tegasan utama harus diapit oleh dua bidang conjugate yang membentuk sudut lancip ( kurang dari 90 ). Oleh karena itu kita dapat menentukan arah dari tegasan utama bila didapatkan 2 bidang conjugate. Dari hasil tersebut Anderson membuat suatu pemodelan yang menjelaskan hubungan antara pola tegasan dan bidang patah yang terbentuk, dengan kesimpulan : 1. Sesar normal terbentuk bila σ 1 vertikal. 2. Sesar mendatar terbentuk bila σ 2 vertikal. 3. Sesar naik terbentuk bila σ 3 vertikal. Klasifikasi Sesar Klasifikasi sesar telah banyak dikemukakan oleh para ahli terdahulu. Mengingat struktur sesar adalah rekahan di dalam bumi yang ditimbulkan karena pergeseran sehingga untuk membuat analisis strukturnya diusahakan untuk dapat mengetahui arah pergeseran tersebut. Mengingat arah dari net slip yang memiliki beberapa kemungkinan, pitch yang berkisar dari 0 0 90 0 maka Rickard (1972) membuat pengelompokkan sesar yang termasuk strike slip dan dip slip. berikut : Penamaan sesar berdasarkan nomor yang ada pada tabel 2.2. A adalah sebagai 1. Sesar naik dengan dip < 45 ( Thrust slip fault ). 2. Sesar naik dengan dip > 45 ( Reverse slip fault ). 3. Sesar naik dekstral dengan dip < 45 ( Right thrust slip fault ). 4. Sesar dekstral naik dengan dip < 45 ( Thrust right slip fault ). 5. Sesar naik dekstral dengan dip > 45 ( Right reverse slip fault ). 6. Sesar dekstral naik dengan dip > 45 ( Reverse right slip fault ). 7. Sesar dekstral ( Right slip fault ). 8. Sesar dekstral normal dengan dip < 45 ( Lag right slip fault ). 9. Sesar normal dekstral dengan dip < 45 ( Right lag slip fault ).
10. Sesar normal dekstral dengan dip < 45 ( Right normal slip fault ). 11. Sesar dekstral normal dengan dip > 45 ( Normal right slip fault ). 12. Sesar normal dengan dip < 45 ( Lag slip fault ). 13. Sesar normal dengan dip > 45 ( Normal slip fault ). 14. Sesar normal sinistral dengan dip < 45 ( Left lag slip fault ). 15. Sesar sinistral normal dengan dip < 45 ( Lag left slip fault ). 16. Sesar sinistral normal dengan dip > 45 ( Normal left slip fault ). 17. Sesar normal sinistral dengan dip < 45 ( Left normal slip fault ). 18. Sesar sinistral ( Left slip fault ). 19. Sesar sinistral naik dengan dip < 45 ( Thrust left slip fault ). 20. Sesar naik sinistral dengan dip < 45 ( Left thrust slip fault ). 21. Sesar naik sinistral dengan dip > 45 ( Left reverse slip fault ). 22. Sesar sinistral naik dengan dip > 45 ( Reverse left slip fault ). Tabel 2 Diagram klasifikasi sesar, Rickard 1972. ( A ). Klasifikasi sear berdasarkan segitiga dip pitch. ( B ). Segitiga Dip pitch.
Kekar Kekar adalah suatu rekahan yang sedikit atau tidak mengalami pergeseran, terjadi oleh gejala tektonik maupun non tektonik. jenis yaitu: Secara kejadiannya,kekar akibat gejala tektonik dapat dibedakan menjadi dua 1. Shear (Kekar Gerus), terjadi akibat adanya tegasan 2. Tension (Kekar Tarikan). Kekar tarikan dapat dibedakan sebagai : 1. Tension Fracture, yaitu kekar tarik yang bidang rekahnya searah dengan tegasan. Kekar jenis inilah yang biasanya terisi oleh cairan hidrothermal yang kemudian berubah menjadi vein. 2. Release Fracture, yaitu kekar tarik yang terbentuk akibat hilangnya atau pengurangan tekanan, orientasinya tegaklurus terhadap gaya utama. Struktur ini biasa disebut dengan stylolite. Kekar merupakan salah satu struktur yang sulit untuk diamati, sebab kekar dapat terbentuk pada setiap waktu kejadian geologi, misalnya sebelum terjadinya suatu lipatan. Kesulitan lainnya adalah tidak adanya atau relatif kecil pergeseran dari kekar, sehingga tidak dapat ditentukan kelompok mana yang terbentuk sebelum atau sesudahnya. Walaupun demikian, di dalam analisis, kekar dapat dipakai untuk membantu menentukan pola tegasan, dengan anggapan bahwa kekar-kekar tersebut pada keseluruhan daerah terbentuk sebelum atau pada saat pembentukan sesar. Dalam penentuan jenis sesar cara ini sangat lemah dan data yang dipakai tidak hanya kekar, tetapi juga jalur sesar yang dapat diamati dari peta topografi, foto udara dan citra landsat. Pemodelan patahan mendatar oleh Harding dkk ( 1971 ) Harding, Wilcox dan seely (1971) mendesain beberapa percobaan menggunakan adonan lempung (clay cake), untuk mengevaluasi pola struktur yang berkembang di atas patahan mendatar. Adonan lempung diletakkan diatas panel metal yang dapat digerakkan berlawanan arah secara bersamaan. Lingkaran lingkaran diletakkan agar keterakannya dapat terlihat. Pergerakan awal dari patahan mendatar pada panel metal menghasilkan gangguan pada lempung yang ditunjukan oleh perubahan lingkaran menjadi elips.
Kemudian lempung mulai patah di daerah yang paralel di dalam zona pergerakan utamanya. Seiring dengan kejadian yang terus menerus, lingkaran lingkaran ini secara perlahan terpatahkan. Patahan patahan atau rekahan rekahan yang dihasilkan dari percobaan menggambarkan geometri dan kinematik dari Riedel Shearing atau dikenal pula dengan simple shear (Gambar 2.3) yaitu karakteristik hubungan geometri dari pasangan patahan mendatar, dengan kesimpulan sebagai berikut : 1. Sesar mendatar Riedel ditandai dengan adanya sepasang Riedel Shear (R dan R ) yang berarah 30 0 terhadap tegasan maksimum (σ 1 ). Pergerakan dalam Riedel Shear terhadap R di sebut sebagai synthetic faults yang relatif sejajar dengan patahan utama (Major Faults. R merupakan arah berikutnya setelah terjadi R yang disebut sebagai antithetic faults dengan pergerakan memotong major faults. Dalam suatu sistem yang lain akan timbul pula synthetic P dan X sebagai antithetic faults membentuk sudut 10 terhadap patahan utama. 2. Tegasan utama σ 1 membentuk sudut 45 0 terhadap major faults. Gambar 3 Pemodelan Riedel Shear.
Teori Sistem Sesar Mendatar Moody dan Hill ( 1956 ) Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh Moody dan Hill yang meneliti hubungan tegasan utama terhadap unsur unsur struktur yang terbentuk maka muncul teori pemodelan sistem Sesar Mendatar Moody dan Hill atau dikenal pula dengan pure shear sebagai berikut : 1. Jika suatu materi isotropic yang homogen dikenai oleh suatu gaya kompresi akan menggerus (shearing) pada sudut ±30 0 terhadap arah tegasan maksimum yang mengenainya. Penyimpangan maksimum dari sudut antara gaya kompresi dan bidang penggerusan adalah kurang dari 45, hal ini diyakini akibat adanya internal friksi atau sudut geser dalam pada batuan. 2. Suatu kompresi stres yang mengenai suatu materi isotropik yang seragam, pada umumnya dapat dipecahkan ke dalam tiga arah tegasan (sumbu tegasan maksimum, menengah dan minimum) dan salah satu dari tiga arah tegasan tersebut akan berarah vertikal. 3. Orde ketiga dalam sistem ini arahnya akan mulai menyerupai arah orde pertama, sehingga tidak mungkin untuk membedakan orde keempat dan seterusnya dari orde pertama, kedua, dan orde ketiga. Akibatnya tidak akan muncul jumlah tak terhingga dari arah tegasan. Sistem ini dipecahkan ke dalam delapan arah shear utama, empat antiklinal utama dan arah patahan naik untuk segala province tektonik. Dalam kenyataan kenampakan orde pertama dan orde kedua dapat kita bedakan dengan mudah, namun kenampakan orde ketiga dan orde-orde selanjutnya pada umumnya sulit sekali untuk ditemukan.
Gambar 4 Pemodelan sesar mendatar Moody dan Hill (1956) Jika bidang gerus akibat pure shear I membentuk suatu en echelon ( berjajar ) sehingga membentuk koridor koridor, maka sistem Riedel I atau simple shear I akan bekerja. Dalam koridor dimana sistem Riedel bekerja akan membentuk pula pola tegasan utama yang membentuk sistem pure shear II, demikian seterusnya sampai gaya berhenti. Selain dari dua pemodelan di atas banyak pula pemodelan pemodelan struktur geologi yang telah di buat. Untuk membandingkan hasil pemodelan pemodelan tersebut, maka dibuatlah tabel hubungan sudut antara sesar utama dengan struktur penyerta dari hasil penelitian ( Tabel.3 ).
Tabel 3 Hubungan sudut antara sesar utama dengan unsur penyertanya, dari beberapa ahli. Keterangan : δ Sudut antara sesar utama dengan lipatan utama. ρ Sudut antara sesar utama ( S ) dengan R dan R 1 ( subsidiary shear fracture ). η Sudut antara σ 1 akibat pure shear I dengan σ 1 akibat pure shear II shear I. atau simple θ = β Sudut antara σ 1 /kekar tensional ( vein ) akibat pure shear 1 dengan sesar utama akibat pure shear 1. γ = δ Sudut antar sesar utama dengan dengan σ 1 akibat pure shear II atau vein akibat simple shear I. ξ = β Sudut antara sesar utama dengan sumbu lipatan subsidiary / drag fold.