AKUISISI SEISMIK UNTUK MONITORING GUNUNGAPI I.
PENDAHULUAN Gempabumi merupakan gerakan tanah secara tiba-tiba dari suatu region dan bersifat
transient. Hampir 90%, merupakan gempabumi tektonik (tectonic events), 10% sisanya merupakan gempabumi volkanik, runtuhan, dan buatan (man-made). Gempabumi dapat terjadi kapan saja di seluruh bumi, di ujung lempeng (plate edges) dan sepanjang patahan/sistem sesar (faults). Sebagian besar gempabumi terjadi diujung lempeng samudera (oceanic plate) dan lempeng benua (continental plate). Lempeng-lempeng bumi senantiasa bergerak, satu lempeng menunjam pada lempeng lain (kovergen), saling mendorong menjauh (divergen) atau berpapasan (transform). Gempa bumi gunung api terjadi akibat adanya aktivitas magma, yang biasa terjadi sebelum gunung api meletus. Apabila keaktifannya semakin tinggi maka akan menyebabkan timbulnya ledakan yang juga akan menimbulkan terjadinya gempa bumi. Gempa bumi tersebut hanya terasa di sekitar gunung api tersebut. Seismology merupakan ilmu yang sangat penting dan efektif untuk memantau aktivitas gunung api, dalam dua decade terakhir telah terjadi peningkatan teknik akuisisi dan pengolahan dalam rangka analisis data untuk memonitoring. Saat ini terdapat 6-sampai lebih local seismic stasiun dengan jarak (1-15Km) dan beberapa regional stasiun (30-200Km)
II. PRINSIP KERJA SEISMOMETER Seismograf
adalah
alat
pencatat
parameter
gempa
yang
dirangkai
bersama
dengan seismometer. Sebuah seismograf dapat mencatat gempa komponen vertical dan komponen horizontal. Ketika peristiwa gempa bumi terjadi, getaran yang pertama direkam seismograf adalah gelombang tubuh (body wave). Gelombang tubuh terbagi lagi menjadi dua, yaitu gelombang primer dan sekunder. Ketika terjadi gempa, getaran gempa yang terekam adalah gelombang primer karena kecepatan rambatnya paling tinggi, lalu diikuti oleh rekaman gelombang sekunder yang memiliki kecepatan rambat lebih rendah dari gelombang primer. Gelombang permukaan datang paling akhir karena memiliki kecepatan rambat paling rendah. Seismograf mencatat semua getaran dan kecepatan rambat gempa bumi dalam bentuk seismogram dengan kata lain hasil rekaman dari getaran yang dicatat oleh seismograf dinamakan seismogram Alat ini sangat sensitif terhadap gelombang seismik yang ditimbulkan karena gempa bumi, ledakan nuklir dan sumber gelombang seismik lainnya. hasil rekaman dari alat tersebut dinamakan seismogram. Prinsip kerja dari alat ini yaitu mengembangkan kerja dari bandul sederhana. ketika Page | 1
mendapatkan usikan atau gangguan dari luar seperti gelombang seismik maka bandul akan bergetar dan merekam datanya seperti grafik. Pada bandul matematis, berat tali diabaikan dan panjang tali jauh lebih besar dari pada ukuran geometris dari bandul. Pada posisi setimbang, bandul berada pada titik A. Sedangkan pada titik B adalah kedudukan pada sudut di simpangan maksimum (θ). Kalau titik B adalah kedudukan dari simpangan maksimum, maka gerakan bandul dari B ke A lalu ke B’ dan kemudian kembali ke A dan lalu ke B lagi dinamakan satu ayunan. Waktu yang diperlukan untuk melakukan satu ayunan ini disebut periode (T).
Gambar……. Berdasarkan pada rancangannya, seismometer merespon gerakan tanah pada arah vertikal atau gerak horizontal. Beberapa alat elektromagnetik dikonstruksi untuk merekam simultan gerak tiga komponen ortogonal. Kebanyakan rancangan menggunakan variasi pada prinsip pendulum.
Gambar …… Page | 2
Persamaan seismometer:
Untuk slow movements, percepatan dan kelajuan dapat diabaikan, seismometer merekam percepatan tanah. Dan sebaliknya untuk fast movement seismometer merekam perpindahan pergerakan tanah. Efek redaman:
Gerak tanah disebabkan oleh gelombang seismik yang mengandung spektrum broad dari frekuensi. Nilai =1 berhubungan dengan redaman kritis sehingga disebut karena melukiskan dua jenis berbeda dalam respon seismometer terhadap ketiadaan gaya getaran. Jika 1, redaman seismometer bebas merespon gangguan dengan ayunan periodik dengan menurunkan amplitudo sekitar posisi diamnya. Jika 1, seismometer terganggu menjadi aperiodik, gerakan mulus kembali ke posisi diamnya. Jika redaman terlalu keras ( 1), alat kelebihan redaman dan seluruh frekuensi dalam gerak tanah tertahan.
III. TIPE & PARAMETER SEISMOMETER Tipe-tipe dari seismometer adalah sebagai berikut: A. Long Period Seismometer Didesain untuk merekam sinyal seismik dengan frekuensi 0,01 Hz hingga 0,1 Hz dimana digunakan periode 100 detik hingga 10 detik. B. Short Period Seismometer Didesain untuk merekam sinyal seismik dengan frekuensi 1 Hz hingga 10 Hz dimana digunakan periode 1 detik hingga 0,1 detik. C. Broadband Seismometer Didesain untuk merekam sinyal seismik dengan frekuensi 0,1 Hz hingga 1 Hz dimana digunakan periode 10 detik hingga 1 detik. Dari kejadian gempa bumi parameter-parameter gempa dapat berupa simpangan kecepatan (velocity), displacement (simpangan) dan percepatan (acceleration). Perpindahan materi dalam perjalaran gelombang seismik biasa disebut displacement. Jika kita lihat waktu yang Page | 3
diperlukan untuk perpindahan tersebut, maka kita bisa tahu kecepatan materi tersebut. Sedangkan percepatan adalah parameter yang menyatakan perubahan kecepatan mulai dari keadaan diam sampai pada kecepatan tertentu. Untuk harga percepatan terbagi menjadi dua bagian yaitu percepatan tanah maksimum dan percepatan tanah sesaat. Percepatan tanah maksimum adalah suatu harga yang dihitung di titik amat / titik penelitian pada permukaan bumi dari riwayat gempa dengan harga perhitungan dipilih yang terbesar. Sedangkan untuk harga percepatan tanah sesaat adalah merupakan harga percepatan tanah pada saat gempa terjadi. Nilai percepatan tanah yang akan diperhitungkan sebagai salah satu bagian dalam perencanaan bangunan tahan gempa adalah nilai percepatan tanah maksimum. Titik – titik penelitian/titik amat pada permukaan bumi adalah tempat atau daerah yang akan diteliti berapa besar nilai percepatan tanah maksimum dari seluruh riwayat gempa, selanjutnya dari titik amat untuk kepentingan perencanaan bangunan dibuat kontur percepatan tanah maksimum, hal ini diperlukan untuk menyesuaikan dengan kekuatan bangunan yang akan dibangun di daerah tersebut. Nilai percepatan tanah dapat dihitung langsung dengan alat seismograph khusus yang disebut strong motion seismograph atau accelerograph. Tetapi karena keterbatasan peralatan jaringan accelerograph yang tidak lengkap dari segi periode waktu maupun tempatnya maka perhitungan empiris dengan cara pendekatan dari data histories gempa Sangat perlu dibuat. Dan jika sudah ada alat accelerographnya perlu dilakukan kajian rumus pendekatan mana yang paling sesuai untuk daerah tersebut.
Gambar….. IV. SPESIFIKASI SEISMOMETER FITUR – FITUR
Operasi vertikal atau horisontal
Stabilitas yang sangat baik
Kinerja Optimal Terbukti dengan lebih dari 4500 unit terpasang Page | 4
Gambar …… Geotech Model S-13 adalah resolusi tinggi, seismometer premium yang mampu memenuhi noise dan persyaratan stabilitas pada studi yang paling sulit. Fitur fitur periodenya disesuaikan dari 0,75 hingga 1,1 Hz dan sensitivitas dari 629 V-sec/m, dengan standar Koil/kumparan 3600 ohm. Penguncian massa eksternal S-13, spring tension dan penyesuaian operasional semuanya dilengkapi dengan segel yang memungkinkan instrumen springsal akan terendam sampai kedalaman 100 kaki tetap tanpa mengalami kebocoran. Sebuah atribut utama dari S-13 adalah desain mekanik yang cocok misal dilakukan perbaikan di lapangan oleh orang umum pun tetap bisa dilakukan menggunakan suku cadang minimal. Kualitas ini ditambah dengan pengalaman 30 tahun dengan kinerja luar biasa di lapangan, memenuhi syarat S-13 menjadi seismometer periode pendek (short period) standar dibandingkan dengan produk yang lain/yang sejenis. Model GS-13 memiliki magnet kuat jadi sekitar 10 dB noise mandiri lebih rendah, sehingga mampu menjadi seismometer periode pendek (short period)
dengan self
noise terendah di dunia. SPESIFIKASI SEISMOMETER PERIODE PENDEK (SHORT PERIOD) MODEL S-13 dan GS-13 KARAKTERISTIK OPERASIONAL Mode Operasi
Convertible - vertikal dan horisontal
Frekuensi Natural
Inertial Mass
Bisa disesuaikan (Adjustable) 0,75 hingga 1,1 Hz Beroperasi dalam 4 ° dari vertikal pada frekuensi alami 0,8 Hz Nominal 5 kg (11,0 lbs)
Jangkauan Suhu
-51 ° sampai +60 ° C (-60 ° sampai 140 ° F)
Kemiringan (Tilt)
Transducer Jenis
Koil/Kumparan bergerak (kecepatan)
Damping
Elektromagnetik Page | 5
Generator Konstan
629 V/(m/detik) / 2180 V/(m/detik)
Coil Resistance *
3600 ohm ± 10% @ 25 ° C / 9100 ohm ± 700 ohm @ 25 ° C
Maximum Mass Travel
6.00 mm (0.24 in.) Puncak ke puncak (peak to peak)
Calibration Coil Motor Constant
0,1975 ± 0.002 N/A / 4,5 ± 0.29 N/A 23 ohm ± 3 ohm @ 25 ° C (77 ° F)
Resistance
CDR adalah 6525 ohm @ 1HZ / 29 ohm ± 2 ohm @ 25 ° C (77 ° F) CDR adalah 83 KOhms @ 1 Hz
Allowable Current Seketika Puncak (Peak Instantaneous) Berkelanjutan (sustained)
100 mA 10 mA
KARAKTERISTIK FISIK Dimensi (nominal) Dimensi dasar Tinggi
38,1 cm (15 in.)
Diameter
16,8 cm (6,625 in.)
Berat Bersih
10,4 kg (23 lbs.)
Pengiriman data Berat
13,6 kg (30 lbs.)
Volume
0.036 m3 (1,3 ft3)
Seismometer Bulk
Spesifik gravitasi 1,6-1,8
Konektor Lubang (Receptacle)
MS3102C-14S-6P
Mating Plug
MS3108B-14S-6S
* Alternatif kumparan transduser untuk S-13 dapat tersedia pada pesanan khusus. Silakan berkonsultasi dengan pabrik untuk rinciannya.
Gambar …….. V. PEMANTAUAN KEGEMPAAN Untuk pemantauan kegempaan umumnya dipakai sistem telemetri gelombang radio yang terdiri dari dua subsistem yaitu sistem pencatatan gempa di lapangan dan sistem penerima. Page | 6
A. Sistem Pencatat
Gambar ……. Subsistem pencatat terdiri dari :
Seismometer (4) Seismometer yang dipakai biasanya jenis sensor kecepatan tipe short-period namun saat ini seismometer broadband juga banyak digunakan
Amplifier (5) Berguna untuk menguatkan sinyal keluaran dari sensor
VCO ( Voltage Controlled Oscilator) (5) Sinyal tegangan dari amplifier diubah ke bentuk frekuensi oleh VCO
Radio Transmitter Antenna (6) Sinyal dikirim oleh radio transmitter yang mempunyai frekuensi pembawa antara 160 – 170 MHz, dengan daya pancar 100 mWatt
System Catu Daya Lapangan Terdiri dari solar panel (1) dan regulator (2) untuk memutus dan menyambung arus dari aki (3) kesolar panel.
B. Sistem Penerima Subsistem penerima terdiri dari : Radio Penerima Menerima sinyal dari radio transmitter pengirim. Diskriminator Menyalurkan sinyal ke seismograph. Perekam (Recorder) Umumnya memakai seismograph (analog), namun sekarang juga telah menggunakan komputer (digital) dengan bantuan ADC (Analog to Digital Converter). Gambar …. Page | 7
VI. DESAIN SURVEI Desain survei sangat diperlukan dalam monitoring gunungapi karena desain survei merupakan suatu langkah awal penelitian dalam kegiatan memonitoring gunungapi.
Untuk
menentukan desain survei seismik untuk gunungapi (mikroseismik) diperlukan langkah-langkah sebagai berikut : a) Menentukan posisi dari seismometer dengan mepertimbangkan titik yang dapat mendukung studi dari data event gempa. b) Melakukan studi cakupan ray (ray coverage) dengan posisi stasiun tersebut dengan berbagai skenario data sintetik. Jika ada referensi gempa terdahulu, lakukan studi tes resolusi pada daerah tersebut dengan berbagai skenario penempatan stasiun, pilih yang paling optimal. c) Lakukan tes noise pada titik tersebut. Apabila terdapat noise yang cukup tinggi pindahkan ke titik yang lain. d) Plot titik-titik yang ditentukan ke dalam peta geologi.
VII. AKUISISI Peningkatan aktivitas seismik (kegempaan) adalah fenomena yang paling sering dijadikan tanda adanya perubahan aktivitas gunungapi. Jika magma dari dalam bumi naik menuju permukaan maka batuan di sekelilingnya akan menerima tekanan yang lebih tinggi dan apabila kekuatan batuan di sekitar kantong atau saluran magma terlampaui maka batuan tersebut akan retak dan gempa terjadi.
Gambar ….. Gambar di atas merupakan model skematik terjadinya gempa-gempa vulkanik. Dimulai dengan adanya peningkatan pasokan magma dari dalam bumi atau pelepasan gas karena menurunnya tekanan internal magma maka batuan sekeliling saluran akan menerima tekanan lebih tinggi. Bila batas ketahanan batuan terlampaui maka akan terjadi retakan yang menyebabkan timbulnya gempa-gempa vulkanik. Page | 8
Sebagai target pemantauan, kegempaan mempunyai beberapa keunggulan diantaranya gempa bumi menimbulkan transmisi (penjalaran) gelombang seismik yang dapat merambat pada medium padat sehingga gempa yang kecil pun akan dapat terpantau pada jarak beberapa kilometer dari sumbernya dengan menggunakan seismometer. Inversi dari data waktu tiba gelombang seismik langsung memberikan minimal dua parameter sumber yaitu magnitude dan lokasi gempa dalam tiga dimensi (3D).
VIII. KELEMAHAN METODE SEISMIK Metode seismik untuk gunungapi juga memiliki kelemahan, yaitu : a. Gempabumi adalah fenomena lokal, sehingga satu kejadian tidak dapat mewakili seluruh informasi di wilayah sekitar sumber gempa. b. Distribusi spasial hiposenter mempunyai ambiguitas yaitu apakah itu menunjukkan dimana adanya intrusi atau tidak adanya intrusi magma.
Pertanyaan 1. Apakah dasar yang digunakan dalam melakukan akuisisi pemantauan gunung api? 2. Apa perbedaan antara Vb dan Lf event? Kapan terjadinya Lf event? 3. Apa penyebab terjadinya gempa vulkanik?
Jawaban 1. Dasar untuk melakukan akuisisi pemantauan gunung api adalah untuk mengurangi dari dampak dari letusan gunung api itu sendiri. Selain itu tujuan dalam akuisisi seismic gunung api adalah untuk mengetahui dari hiposenter dari aktifitas gunung api. Dalam akuisisi seismic, berikut adalah langkah yang dilakukan: Melakukan desain survey Melakukan pengukuran seismic Mendata jumlah gempa perhari oleh pengamat tiap stasiun yang memonitor aktivitas gunung api. Dikantor terapat receiver yang mengumpulkan data rekaman Membuat klasifikasi gempa kemudian grafik dan interpretasi apakah aktivitas gunung api meningkat atau tidak.
2. Vb event memilki ciri yang hampir sama dengan Va event. Vb event sangat sulit membedakan fase gelombang S nya. Biasanya Vb event merekam aktivitas pada kedalaman hiposenter <1.5 Page | 9
km. Vb event contohnya adalah aktivitas yang terekam akibat source magma yang naik kepermukaan. Sedangkan Lf event memiliki frekuensi dominan 1.5 Hz dan terjadi pada kedalaman <1 km. Lf event contohnya adalah aktivitas yang terekam akibat aktivitas manusia yang berjalan disekitar stasiun, hujan, atau guguran lava dalam intensitas yang rendah.
3. Gempa vulkanik tidak menyebabkan kerusakkan. Yang menyebabkan terjadinya gempa vulkanik adalah: Gempa vulkanik yang disebabkan oleh aliran fluida (pergerakkan lava). Akan menciptakan getaran yang stabil dan hampir seragam atau biasa disebut dengan Tremor. Gempa vulkanik yang disebabkan oleh guguran. Bentuk rekaman gempa memiliki durasi yang lama namun dengan frekuensi yang tinggi. Rekaman gempa memiliki bentuk yang rapat. Gempa vulkanik yang disebabkan oleh pembentukan lava dome. Gempa vulkanik yang disebabkan oleh retakkan pada dinding magma atau pipa fluida. Gempa vulkanik yang disebabkan oleh pelepasan gas dengan kecepatan yang tinggi. Ini akan menciptakan aliran turbulen.
Page | 10
