61
T O M O G R A F I S T R U K T U R T A N A H DI B A W A H ITS M E L A L U I ANALISA F I R S T B R E A K G E L O M B A N G SEISMIK Bagus Jaya Santosa* dan Hero Yulianto**
ABSTRAK Penelitian atas struktur tanah di bawah ITS melalui lubang bor (Geoteknik) bersifat 1 titik dan in-situ, sehingga untuk daerah yang lebih luas menjadi lebih mahal. Dalam penelitian ini, gelombang seismik yang dibangkitkan oleh sumber buatan menjalar dalam tanah, dan kemudian ditangkap oleh 12 geofon yang dipasang pada berbagai jarak offset. Analisa atas waktu datang dari gelombang yang datang pertama akan menghasilkan gambaran struktur tanah dengan parameter kecepatan gelombang P. Dengan membentuk kurva waktu tempuh terhadap jarak offset dan penerapan formula Wiechert Herglotz-Bateman (selanjutnya disingkat W H B ) , diperoleh hubungan antara kedalaman dengan kecepatan. Pengambilan data seismik meliputi enam lintasan di sekitar kawasan Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, kampus ITS Surabaya. Hasil perhitungan yang diperoleh adalah kecepatan paling rendah di permukaan sebesar 357,14 meter/detik dan kecepatan tertinggi di kedalaman 26,5 meter sebesar 2500 meter/detik. Penggabungan enam lintasan seismik berhasil menggambarkan tomografi struktur bawah permukaan di daerah ITS Surabaya yang menunjukkan adanya variasi kedalaman di masing-masing lapisan. Kata kunci: waktu tiba gelombang P, W H B dan struktur tanah
ABSTRACT The research of the underground structure of ITS area using borehole ended up with ground parameter which is only one point and in-situ; so for a wider area will become more expensive. In this research seismic waves, exited by an artificial source, propagate through the ground and recorded by 12 geophohes installed at different offset distances. By analyzing the onset times offirst breaks versus the offset distances of geophone and application of W H B method we can obtain the relation between depths and speed of seismic waves. The acquisition was conducted at six line-profiles around the Civil Engineering Faculty of ITS. The interpretation showed that the slowest wave speed of 357.14 m/s and the fastest at a depth of about 26.5 m is 2500 m/s. The lining up of these six profiles describes the tomography of underground land structure of ITS area which shows depth variations in each layer. Keywords: first
breaks,
W H B , earth Structure
1. P E N D A H U L U A N Analisa atas struktur
tanah
sebelumnya
di ITS
menggunakan metoda Geoteknik yang berlangsung pada satu titik pengeboran. Untuk daerah yang lebih luas harus digunakan lebih banyak titik pengeboran dan ini bersifat mahal.
gempa. Geofon merupakan alat perekam gerakan tanah. Rekaman seismik atas sumber gelombang buatan menunjukkan suatu deret waktu yang kompleks, tersusun
atas
berbagai
fase
dihasilkan oleh interaksi antara
gelombang
yang
medium/strukrur
bertujuan
bumi dengan gelombang datang dan noise. Oleh
• e m p e r o l e h struktur tomografi tanah di bawah ITS
karena itu analisa yang paling sederhana meliputi
*ngan parameter
analisa
Sebagai
alternatif,
penelitian berupa
ini
kecepatan
gelombang
atas f i r s t break,
yaitu onset dari gelombang
seismik
yang pertama datang, di mana rekaman sebelumnya
Kfaksi. Dimana dalam metoda ini tanah digetarkan
diandaikan relatif tenang, sehingga fase gelombang
oleh sumber seismik berupa benda jatuh bebas dan
ini
actaannya dicatat oleh 12 geofon yang dipasang
kurva yang menyatakan hubungan
pada berbagai jarak offset terhadap titik sumber
tempuh gelombang terhadap terhadap jarak sumber
primer,
dengan
menggunakan
metoda
tampak
tajam.
Selanjutnya
dibentuk antara
sebuah wnWtu
seismik-geofon. • —
Jurusan F i s i k a , FMIPA, ITS Surabaya LSM G E O - A TLAS, S i d o a r j o V o l . 15, N o . 2, M e i 2004 - Majalah I P T E K
• 62
Analisa data waktu tempuh untuk menemukan hubungan kecepatan terhadap kedalaman lapisan merupakan bagian pcnting dalam proses tomografi, agar diperoleh penggambaran struktur tanah yang teliti. Metode Wiechert-Herglotz-Bateman (WHB) meliputi perhitungan derivatif atas data waktu tempuh, yang menunjukkan struktur kecepatan dan menghasilkan suatu integrasi terhadap kedalaman struktur lapisan. Oleh karena itu, metode W H B berbasis komputer yang diaplikasikan terhadap data waktu tempuh diharapkan mampu memperoleh struktur kedalaman lapisan secara tepat.
Gambar
1
memberikan
disebut gelombang seismik refraksi, yang terlihat dalam Gambar 1.
Gelombang seismik yang
sebagai kurva O-W-S
mengalami
dalam Gambar 1. Waktu first
breaks
ditunjukkan
dalam Gambar 1 bagian atas.
ilustrasi
penjalaran
gelombang dalam 2 medium homogen berlapis. Titik sumber diletakkan di 0 dan beberapa geofon diletakkan pada sumbu x dengan berbagai jarak offset. Sumber seismik melapaskan energi pada semua sudut ruang. Penjalaran gelombang ketika menjumpai suatu antar-muka (yaitu bidang batas dua medium elastik dengan nilai-nilai parameternya berbeda) akan menuruti Hukum Snellius, yang menjelaskan tentang besarnya sudut pantul dan sudut
bias
(lihat Gambar
1, pada
antarmuka
pertama). Meskipun pada kedua sisi antarmuka nilai elastik parameter
2. TEORI GELOMBANG SEISMIK Gelombang seismik yang dihasilkan oleh sumber akan merambat ke dalam struktur bumi pada semua arah. Dalam penjalarannya gelombang mengalami pembiasan
seperti lintasan
Notasi dalam Gambar 1 adalah sebagai berikut: garis absis menyatakan jarak offset dari 0 dan ordinat menyatakan waktu tempuh. Masing-masing kurva menyatakan waktu tempuh dari fase gelombang tersebut.
pemantulan disebut gelombang seismik refleksi, seperti lintasan OE dan kurva waktu tempuh gelombang langsung dinyatakan sebagai garis OF, seperti diilustrasikan
tempuh dari gelombang
berbeda,
namun
ada
sebuah
parameter yang bemilai tetap, ketika gelombang, melintasi antarmuka, yaitu parameter sebuah berkas sinar {ray p a r a m e t e r ) , dinotasikan sebagai p . Model
inversi W H B berawal
dari metode
ray
tracing, digunakan untuk menginversi kurva waktu tempuh gelombang menjadi sebuah hubungan antara kedalaman terhadap kecepatan gelombang. Diandaikan bahwa medium penjalaran gelombang bersifat tak homogen vertikal. Parameter-parameter fisis dalam medium tak homogen vertikal hanya bervariasi sebagai fungsi kedalaman (z), baik secara kontinu maupun diskontinu (berubah dengan tibatiba untuk harga kedalaman yang sama). Dalam Gambar 2 ditunjukkan sebuah contoh model geometri sinar dalam medium rata datar tak homogen vertikal kontinyu, sb. Datar kecepatan dan sb tegak ke bawah adalah kedalaman. Waktu tempuh suatu gelombang yang bergerak sepanjang RS melalui lintasan PQ (Gambar 2) dapat
Slope - a t / a I -
dihitung melalui persamaan berikut:
1^.',
T=
= jv-'(z)[l + ( £ ) dx
•0)
2
Sesuai dengan Persamaan (2) tentang parameter p , ketika sinar mencapai titik terdalam ( b o t t o m p o i n t ,
_
0
B
z*), akan berlaku hubungan:
*1
n
1 ^ t
*
r
I
P ~
i
sin 0 __
1
v(0)
V
Gambar 1. Kurva travel time untuk gelombang P first b r e a k (kurva O-W-S) terhadap jarak sumber seismik-geofon.
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
63
Pada akhirnya, persamaan (8) menjadi: ] \»
;}*.«,
(9)
ibpe : g B
\
Sisi sebelah kiri pada persamaan (9) diintegrasikan secara parsial, sehingga menghasilkan persamaan berikut (Gubbins 1990):
*0»co*-(£) Gambar 2. Lintasan sinar seismik dalam medium, dimana kecepatan bertambah secara linear terhadap kedalaman.
C-*f^ooA-(f (10)
tetapi nilai x = 0
bila
p = q, s
kelambatan di
kedalaman nol (permukaan) diketahui, kemudian
T i p ) = 2 Jv" (z)[v" (z) - p p dz 2
2
(3)
1
batas integrasinya dapat diubah sehingga diperoleh persamaan:
o
Sedangkan jarak lateral di permukaan adalah:
z.^jcosrT'tfV*
(ii)
0
Iip)^2p\[v'\z)-p r-dz
(4)
2
dengan Dari persamaan (4), kemudian dilakukan peagubahan batas integrasinya dan didefinisikan q = \/v(z*), yaitu slowness di titik pantul r-
"rang, maka terbentuklah persamaan berikut:
P = P(x) =f
(12)
dan 9 i = P ( * . ) = £L,
(13)
p
= 2pf— F v
/c\
W-P )"h <, 2
q*
d
( 5 )
adalah harga q di pennukaan tanah.
§i§i pada Persamaan P,
yang mencakup
bingga
sinar
:*
dengan
(5) diintegrasikan semua
bergerak
sinar dari
mendatar
di dan
•t^^iasilkan persamaan:
Sedangkan harga kecepatan di kedalaman z, dapat dihitung dari persamaan:
* i) i r
=
(i4)
Persamaan (11) dan (14) dikenal sebagai perumusan Wiechert-Herglotz-Bateman (WHB) dan merupakan perumusan inti yang digunakan untuk mentomografi struktur tanah melalui analisa waktu tiba dan derivatifnya.
.(6) 3. L O K A S I AKUSISI D A T A
•(7)
mm)**
Akusisi data seismik dilakukan di lapangan Fakulta* Teknik SipiJ dan Perencanaan (FTSP), kampus ITS Surabaya. Setiap lintasan terdiri atas sumber seismik dan urutan geofon sebagai penerima di permukaan.
.(8)
Vol. 15, No. 2, Mei 2004 - Majalah IPTEK
64
Dalam Gambar 3, SP-ITS01, SP-ITS02, SP-ITS03 dan SP-ITS4 adalah lintasan-lintasan seismik yang diakusisi. Pada lintasan SP-ITS05 dan SP-ITS06, rentang lateralnya 70 meter dengan arah penembakan tepat menuju ke arah selatan, sedangkan jarak antar lintasan 20 meter. Penembakan lintasan seismik dilakukan menggunakan metode off-end. N e a r offset masingmasing lintasan 15 meter dan f a r offset setiap lintasan adalah 70 meter. Peta lokasi pengambilan data seismik refraksi ditunjukkan dalam Gambar 3.
penelitian ini, perekaman data dilakukan satu kali untuk setiap lintasan seismik. Dengan demikian, jumlah perekaman yang diperiukan untuk enam lintasan seismik adalah enam file. Lintasan SPITS01 mengambil data dari file mcl78sx.org dan fase awal seismogram ditampilkan dalam Gambar 4. D a t a Ssiamik L a p a n g a n
FISP-ITS
offset I B m. ch. - B n
4. ANALISA DATA Akusisi data menghasilkan data lapangan yang siap diouallsa dengan bantuan komputer. Akusisi data seismik yang dilaksanakan pada tahun 2000, sebelum bangunan untuk Jurusan Teknik Lingkungan dibangun. Akusisi data seismik refraksi dilakukan dengan menggunakan benda jatuh bebas seberat 23 kg dari ketinggian 3 m. Geofon diletakkan sebagai larikan dengan offset pertama 15 m dan jarak antar geofon 5 m.
Gerakan tanah akibat tumbukan benda jatuh
bebas direkam selama 2,048 detik dalam bentuk format digital. Data tersebut berbentuk satu unit arsip data (data file) untuk setiap lintasan seismik. Masing-masing file mewakili satu kali perekaman
data. Pada
.3d
Gambar 4. Inset dari Rekaman data seismik lintasa SP-ITS01, bulatan kecil menunjukka waktu tiba g e l o m b a n g f i r s t b r e a k s . Dalam Gambar 4, sumbu mendatar menyataka domain waktu, sedangkan masing-masing kurva k arah vertikal menyajikan rekaman seisroggram pa masing-masing geofon, n e a r offset 15 m. Kare gambar ini hanya inset dari keseluruhan panja rekaman yang hingga 2048 detik, sementara renta dalam gambar kurang dari 60 ms, sehingga ga minor sekalipun tidak muncul pada penskala
SP-1T5D4 SP-1T503 — sp-rrscrz SP-lTSOl
— T
t s
FTSP
//7;::
f
\
.
••
"
s
>
Gambar 3. Lokasi akusisi data seismik di utara Sipil ITS.
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
65
waktu. Dari masing-masing trace seismik dicuplik saat datang dari gelombang first breaks
(titik-titik
5.
PENAMPANG
Penghalusan data waktu tiba gelombang first breaks ( s m o o t h i n g ) dilakukan untuk mereduksi data yang tidak diinginkan, yaitu titik data waktu tempuh mempunyai gradien yang tidak sesuai atau menyimpang (menunjukkan gradien kurva terhadap jarak offset bernilai negatif). Metode penghalusan data yang digunakan adalah dengan memberikan faktor bobot pada titik-titik tetangga dari titik yang sedang dianalisa ( w e i g h t e d r u n n i n g average). Setelah proses penghalusan dilakukan kurva waktu tempuh gelombang P kemudian diplot terhadap jarak lateral, sebagaimana terlihat dalam Gambar 5.
BAWAH
PERMUKAAN Pertama
dalam Gambar 4).
STRUKTUR
ditunjukkan
adalah
bagaimana
hasil
penerapan dari persamaan (11) dan persamaan (14) terhadap data yang
seperti
ditunjukkan
dalam
Gambar 5, disajikan dalam Gambar 6. Oroflk K » d o l a m o n T«rhodap K « a « p a t a n
KuiVii Fiist bieok still pemjlialiisan
100
1000 K«ctpotan
1
15
1
20
i
1
25
30
i
35
i
40
1
45
50
r-—i 1 1 1 55 60 65 70
JaiakGwfon
5. Hasil p i c k i n g alas waktu tiba gelombang pertama dan setelah penghalusan. &ft-data tempuh kemudian dianalisa dengan •eaggunakan metoda W H B . Analisa dilakukan « a r a berurutan, dimulai dari titik pertama untuk •caiperoleh struktur kecepatan paling dangkal. Dengan menghitung gradien dari kurva waktu lanpuh dan memasukkan ke dalam persamaan (11) i m . (14) diperoleh hubungan antara kedalaman demean kelambatan (invers dari kecepatan) di I H I I I I I I I in tsb. Dengan melakukan perulangan kagga 5emua titik data, diperoleh kurva kecepatan -" - - . :_r.;si kedalaman (lihat Gambar 6). w
a
k
t
u
1800
2000
(miUr/nkon)
Gambar 6. Hasil inversi kecepatan perambatan dalam tanah terhadap kedalaman, pada data lintasan SP-ITS01 melalui persamaan (11) dan (14). Selanjutnya hasil dari keempat lintasan, yaitu SPITS02, SP-ITS03 dan SO-ITS04 dikompilasi untuk memperoleh penampang struktur kecepatan. Hasil akhir perhitungaii W H B adalah graflk kecepatan perambatan gelombang terhadap kedalaman pada masing-masing lintasan. Jika beberapa lintasan yang saling sejajar digabungkan akan terlihat penampang struktur bawah permukaan. Empat lintasan yang sejajar (lihat Gambar 7), yaitu: SP-ITS01, SP-ITS02, SP-ITS03 dan SP-ITS04 digabungkan menjadi satu penampang. Hasil tomografi dari keempat lintasan tersebut terlihat dalam Gambar 7. Arah lintasan pada penampang seismik tersebut adalah tepat mengarah ke utara.
Vol. 15, No. 2, M e i 2004 - Majalah IPTEK
66
4HI
,
Gambar 7. £
rn E£EJ3
^
> < X » . )1S0
•111I
l M M
||~r^j
kecepatan rambat gelombang pada tanah di lap angan utara
Dalam Gambar 7 terlihat bahwa struktur lapisan
Kecepatan penjalaran gelombang seismik dalam tanah berhubungan dengan kerapatan partikel dalam medium tersebut. Karena semakin dalam tekanan tanah semakin besar maka kecepatan juga membesar. Sehingga dapat dideduksi, batuan semakin dalam juga menjadi lebih kompak. Tana di kedalaman lebih dari 20 m diduga merupaka tanah yang lebih keras.
5-10 meter memiliki kecepatan sebesar
meter. Penelitian ini menunjukkan berapa ketebalan lapisan alluvium yang bersifat lunak di bawah ITS.
bawah permukaan di daerah FTSP ITS cenderung datar, terutama pada kedalaman dekat permukaan yaitu
kedalaman
antara
0-5
meter,
dengan
kecepatan kurang dari 1000 meter/detik. Adanya beberapa kemiringan juga terlihat pada kedalaman antara 5-20 meter, dengan kecepatan antara 10002000
meter.
Kecepatan
360-1000
meter/detik
terletak di kedalaman antara 0-5 meter. Pada
kedalaman
1000-1500 meter/detik. Kecepatan antara 1500-1750 meter/detik terletak di kedalaman 10-15 meter. Pada kedalaman 15-20 meter terdapat kecepatan antara
6.
SIMPULAN
WHB
2100-2500 meter/detik terdapat di kedalaman 20-25
Berdasarkan hasil pengujian sintetik antara mode
1750-2000 meter/detik, sedangkan kecepatan antara
dengan model r a y t r a c i n g diperoleh hasi
Hasil pengolahan data dari lintasan SP-ITS0 hingga SP-ITS06 menunjukkan variasi kecepata antara 357,14-2500 meter/detik yang berada d kedalaman antara 0-26,5 meter. Berdasarkan dat kecepatan dan kedalaman yang diperole diperkirakan struktur tanah di daerah ITS, yait alluvium yang memiliki kecepatan antara 350-160 meter/detik (Grant dan West 1965), terletak pad kedalaman antara 0-10 meter, kemudian lempun { s h a l e ) yang mempunyai kecepatan antara 100
Dengan memperhatikan kondisi geologi di daerah Surabaya Timur, berupa endapan alluvium, struktur tanah di daerah ITS memiliki kecepatan antara 3501600 meter/detik (merujuk dari Tabel kecepatan gelombang seismik dalam berbagai batuan (Grant dan West 1965), terletak pada kedalaman antara 010 meter, kemudian shale yang mempunyai kecepatan antara 1000-2500 meter/detik (Kearey dan Brooks 1984), terletak di kedalaman antara 5-25
struktur bawah permukaan.
kedalaman antara 0-25,9 meter.
metode altematif dalam penggambaran tomograf
di
363,64-2500,00
bahwa pemodelan W H B dapat digunakan sebaga
juga menunjukkan adanya variasi kecepatan antara
kesesuaian antara 96-100%. Hal ini menunjukka
kecepatan pada lintasan SP-ITS05 dan SP-ITS06
kesesuaian
meter.
Hasil
dari perhitungan
meter/detik
kedalaman dan
yang
terletak
yang
cukup
baik,
dengan
rasi
Majalah IPTEK - Vol. 15, No. 2, Mei 2004
67
2500 meter/detik (Kearey dan Brooks 1984), terletak di kedalaman antara 5-25 meter. Struktur tanah tesebut juga menunjukkan adanya variasi kedalaman di setiap lapisan tanah. Metoda ini •empunyai keunggulan dapat dengan cepat digunakan untuk menduga struktur kecepatan tanah yang bersifat kontinyu. Namun gagal jika diterapkan pada model bumi berlapis, yang antannukanya ditunjukkan dengan perubahan parameter elastik tanah yang signifikan. Daerah penelitian di ITS merupakan lapisan tanah hasil pengendapan sungai Brantas yang merupakan sedimentasi muda, sehingga perlapisan masih belum terbentuk. .
DAFTAR ACUAN Grant, F.S. dan West, G.F. (1965), Interpretation Theory in Aplied Geophysics, M c Graw Hill, New York. Gubbins, D. (1990), Seismology and Plate Tectonics, Cambridge University Press, Cambridge. Kearey, P. dan Brooks, M . (1984), An Introduction to Geophysical Exploration, Blackwell Scientific, Oxford.
Vol. 15, No. 2, Mei 2004 - Majalah IPTEK
