JENIS DAN APLIKASI GELOMBANG DALAM SEISMIK(Tugas Gelombang Dalam Geofisika)

Oleh:Nanda Hanyfa Maulida1115051026

JURUSAN TEKNIK GEOFISIKAFAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS LAMPUNG 2012

GELOMBANG SEISMIKGelombang seismik merupakan gelombang yang merambat melalui bumi. Perambatan gelombang ini bergantung pada sifat elastisitas batuan. Gelombang seismik dapat ditimbulkan dengan dua metode yaitu metode aktif dan metode pasif. Metode aktif adalah metode penimbulan gelombang seismik secara aktif atau disengaja menggunakan gangguan yang dibuat oleh manusia, biasanya digunakan untuk eksplorasi. Metode pasif adalah gangguan yang muncul terjadi secara alamiah, contohnya gempa. Gelombang seismik termasuk dalam gelombang elastik karena medium yang dilalui yaitu bumi bersifat elastik. Oleh karena itu sifat penjalaran gelombang seismik bergantung pada elastisitas batuan yang dilewatinya. Teori lempeng tektonik telah menjelaskan bagaimana pergerakan dari lempeng bumi. Pergerakan lempeng bumi menyebabkan batuan terdeformasi atau berubah bentuk dan ukuran karena adanya pergerakan antar lempeng. Deformasi akibat bergerakan lempeng ini berupa tegangan (stress) dan regangan (strain).

Tegangan (Stress) didefinisikan sebagai gaya persatuan luas. Gaya merupakan perbandingan dari besar gaya terhadap luas dimana gaya tersebut dikenakan. Gaya yang dikenakan tegak lurus terhadap benda maka tegangan tersebut normal, jika gaya berarah tangensial terhadap luas maka tegangan tersebut tegangan geser, dan jika tidak tegak lurus maupun paralel maka gaya tersebut dapat diuraikan kekomponen yang paralel dan tegak lurus terhadap elemen luas. Persamaan matematis dari tegangan (

Benda elastis yang mengalami stess maka akan terdeformasi atau mengalami perubahan bentuk maupun dimensi. Perubahan tersebut disebut dengan regangan atau strain.strain adalah jumlah deformasi material persatuan luas. Hukum hooke menyatakan bahwa stress akan sebanding dengan strain pada batuan (antara gaya yang diterapkan dan besarnya deformasi).

Strain (e) dan Stress () merupakan besaran tensor, sedangkan C adalah konstanta yang berupa matriks (tensor) yang menentukan sifat dasar elastisitas dari batuan, parameter merupakan parameter elastik bebas yang dapat mencirikan sifat elastisitas batuan.JENIS GELOMBANG SEISMIKGelombang seismik ada yang merambat melalui interior bumi disebut sebagai body wave, dan ada juga yang merambat melalui permukaan bumi yang disebut surface wave. Sumber gelombang seismik ada dua yaitu alami dan buatan. Sumber alami terjadi karena adanya gempa tektonik, gempa vulkanik dan runtuhan/ longsoran, sedangkan buatan menggunakan gangguan yang disengaja.

1. Gelombang Badan/ Body Wave Gelombang badan adalah gelombang yang menjalar dalam media elastik dan arah perambatannya keseluruh bagian di dalam bumi. Berdasarkan gerak partikel pada media dan arah penjalarannya gelombang dapat dibedakan menjadi gelombang P dan gelombang S. a. Gelombang P (Primer)Gelombang P disebut dengan gelombang kompresi/gelombang longitudinal. Gelombang ini memiliki kecepatan rambat paling besar dibandingkan dengan gelombang seismik yang lain, dapat merambat melalui medium padat, cair dan gas. Persamaan dari kecepatan gelombang P adalah sebagai berikut :

Keterangan: = konstanta lame = rigiditas = densitas

Gelombang P menjalar dengan kecepatan tertentu. Jika gelombang melewati material yang bersifat kompak atau keras, misalnya seperti dolomit, maka kecepatan gelombang P akan lebih tinggi dibanding jika melewati material yang 'lunak' seperti batulempung. Dibawah ini merupakan gambaran dari gelombang P.

[courtesy of darylscience]

Gelombang P

b. Gelombang S (Sekunder)Gelombang S disebut juga gelombang shear/ gelombang transversal. Gelombang ini memiliki cepat rambat yang lebih lambat bila dibandingkan dengan gelombang P dan hanya dapat merambat pada medium padat saja. Gelombang S tegak lurus terhadap arah rambatnya. Persamaan dari kecepatan Gelombang S (Vs) adalah sebagai berikut :

Di bawah ini adalah gambaran dari Gelombang S

[courtesy of darylscience]

Gelombang S

2. Gelombang PermukaanGelombang permukaan merupakan salah satu gelombang seismik selain gelombang badan. Gelombang ini ada pada batas permukaan medium. Berdasarkan pada sifat gerakan partikel media elastik, gelombang permukaan merupakan gelombang yang kompleks dengan frekuensi yang rendah dan amplitudo yang besar, yang menjalar akibat adanya efek free survace dimana terdapat perbedaan sifat. Jenis dari gelombang permukaan ada dua yaitu gelombang Reyleigh dan gelombang Love.a. Gelombang ReyleighGelombang Reyleigh merupakan gelombang permukaan yang Orbit gerakannya elips tegak lurus dengan permukaan dan arah penjalarannya. Arah getaran dari gelombang ini berlawanan arah dengan arah perambatannya. Karena menjalar di permukaan, amplitudo gelombang rayleigh akan berkurang dengan bertambahya kedalaman. Gelombang jenis ini adalah gelombang permukaan yang terjadi akibat adanya interferensi antara gelombang tekan dengan gelombang geser secara konstruktif. Persamaan dari kecepatan gelombang Reyleigh (VR) adalah sebagai berikut :

Di bawah ini adalah gambaran dari Gelombang Reyleigh

[courtesy of darylscience]

Gelombang Reyleigh

b. Gelombang LoveGelombang Love merupakan gelombang permukaan yang menjalar dalam bentuk gelombang transversal yang merupakan gelombang S horizontal yang penjalarannya paralel dengan permukaannya. Gelombang Love biasanya dinotasikan dengan gelombang L atau elombang Q. Kecepatan penjalaran gelombang Love bergantung pada panjang gelombangnya dan bervariasi sepanjang permukaan. Secara umum, kecepatan gelombang love dinyatakan sebagai VR < VQ < VS. Gambaran dari gelombang love dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

[courtesy of darylscience]

Gelombang Love

APLIKASI GELOMBANG DALAM SEISMIKGelombang seismik paada dasarnya merupakan gelombang elastik yang dijalarkan melalui media bumi. Pembangkitan gelombang seismik dapat dilakukan dengan dua metode, yaiutu metode aktif dan metode pasif. Metode aktif biasanya digunakan pada seismik eksplorasi, yaitu dengan peledakan dinamit, pemukulan dengan palu, dan sebagainya. Metode pasif memanfaatkan gejala-gejala alam yang sudah ada, seperti gempa bumi, baik yang diakibatkan oleh letusan gunung berapi maupun gempa tektonik.

Pada saat terjadi gempa bumi, sejumlah besar enegi dilepaskan dari sumber gempa atau fokus. Energi ini akan dipancarkan kesegala arah melalui usikan (disturbance) yang menjalar keseluruh bagian bumi karena adanya sifat elastisitas material bumi. Usikan yang menjalar dalam medium elastis disebut gelombang elastik.

Informasi struktur bagian dalam bumi diperoleh dari pengamatan penjalaran gelombang elastik yang dibangkitkan oleh gempa bumi (metode pasof). Gelombang ini disebut gelombang seismik gempa atau secara umum dikenal sebagai gelombang seismik dan jenis-jenisnya seperti yang sudah dijelaskan dibagian sebelumnya.

Dalam aplikasi bidang geofisik, pemanfaatan gelombang telah memberikan kontribusi yang besar untuk keperluan investigasi permukaan bumi. Salah satunya adalah metode SASW (Spectral Analysis of Surface Wave) yang dalam prinsipnya teknik ini mengukur sifat perambatan gelombang permukaan seismik Rayleigh (gelombang R) yang bergerak secara horizontal. Sumber mekanik buatan digunakan untuk menghasilkan energi gelombang mekanik di atas permukaan suatu media maka akan dihasilkan beberapa jenis gelombang yang merambat sesuai karakternya masing-masing.

Bolt (1976) mengklasifikasikan gelombang mekanik dalam gelombang tubuh utama (primary, P) dan gelombang tubuh sekunder (secondary, S) serta gelombang permukaan yang digolongkan berasaskan bentuk perambatannya yaitu gelombang Love (gelombang L) dan gelombang Rayleigh (gelombang R). Ketika suatu beban getaran diletakkan di atas permukaan media, perambatan gelombang R yang dihasilkan memiliki 67 % daripada seluruh tenaga mekanik yang dikeluarkan. Oleh kerana itu, gelombang R merupakan parameter yang berpotensi bagi pengukuran sifat bahan yang menggunakan asas perambatan gelombang.Energi dari suatu sumber gelombang permukaan Rayleigh akan bergerak sepanjang permukaan dan amplitudonya akan berkurang secara cepat sesuai kedalaman. Pergerakan gelombang Rayleigh akan berlaku secara menyebar (dispersion) yang merupakan suatu fenomena dari fungsi kecepatan gelombang terhadap panjang gelombang dan frekuensinya. Sifat penetrasi gelombangnya pada suatu media juga dipengaruhi oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang pendek dengan frekuensi tinggi hanya merambat pada permukaan yang dangkal, sedangkan gelombang yang lebih panjang dengan frekuensi rendah dapat merambat lebih dalam. Perilaku ini dipelajari pertama kalinya oleh Lord Rayleigh pada 1885, selanjutnya secara lebih terperinci oleh Lamb pada tahun 1904 yangmenurunkan persamaan matematik gelombang dari suatu titik sumber gelombang dalam media yang homogen dan elastis.Penggunaan gelombang permukaan pertama kali untuk pengukuran sifat-sifat tanah dilakukan oleh Germany Society of Soil Mechanic sebelum perang dunia II berlangsung. Penelitian berkait dengan pengamatan reaksi struktur fondasi terhadap getaran dalam keadaan yang stabil. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa terdapat sifat non-linier dalam tanah terhadap getaran yang dibangkitkan. Selanjutnya perkembangannya dalam bidang geoteknik dimulai oleh Terzaghi (1943) dan Hvorslev (1949) dengan menyatakan prinsip-prinsip kerja gelombang permukaan. Dalam studinya dilakukan analisis frekuensi dan amplitudo gelombang Rayleigh untuk menentukan ketebalan suatu lapisan tanah. Selanjutnya pada tahun 1946 di Swedia, Bergstrom dan Linderholm melakukan pengujian mengenai penyebaran gelombang Rayleigh pada permukaan tanah yang bersifat homogen. Penelitian dilakukan dengan membandingkan modulus elastis yang diperoleh dari penyebaran gelombang permukaan dengan modulus reaksi tanah dasar. Hasil yang didapat menunjukan adanya korelasi linier di antara kedua modulus yang diuji. Pengujian ini seterusnya dilanjutkan oleh Henkelom dan Klomp (1962) yang melakukan pengujian di atas perkerasan landasan pesawat terbang. Hasil yang diperoleh menunjukan adanya kemampuan perambatan gelombang untuk mendeteksi adanya pengaruh kadar air dalam tanah dasar setelah hujan. Jones (1958) memberikan sumbangan terbesar dalam kajian gelombang secara teoritis dan praktis di atas permukaan suatu media. Dalam studi Jones (1958) diusulkan suatu konsep pengujian dinamik bahan menggunakan perangkat dinamik dengan sumber gelombang tetap atau disebut sebagai steady state method. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa analisis gelombang permukaan berpotensi untuk mendeteksi perbedaan nilai material pada perkerasan ataupun profil tanah berlapis.Prosedur ini selanjutnya digunakan oleh Woods dan Richart (1967) untuk mengkaji pengaruh lubang dalam struktur dengan pemanfaatan gelombang permukaan. Penggunaan analisis spektrum dalam pemanfaatan gelombang permukaan juga digunakan oleh Williams (1981), yang menyimpulkan perlunya menggunakan sumber gelombang yang berbeda untuk mendapatkan variasi nilai frekuensi yang berbeda dalam analisis spektrum. Selanjutnya, penelitian mendalam dilakukan oleh Heisey (1982) dengan menggunakan palu yang dijatuhkan untuk membangkitkan gelombang sementara (transient) dalamproses untuk mendapatkan kurva penyebaran kecepatan dan panjang gelombang. Hasil yang didapatkan menunjukan bahwa kedalaman yang diperoleh untuk pengukuran analisis spektrum adalah sepertiga (1/3) panjang gelombang Rayleigh. Selanjutnya pengembangan dari studi pemanfaatan karakter perambatan gelombang permukaan ini didapatkan suatu metode yang lebih automatik dengan menganalisis spektrum gelombang permukaan yang dikenal sebagai metode Spectral Analysis of Surface Wave (SASW).Salah satu metode NDT yang telah dikembangkan sejak tahun 1980 di University of Texas at Austin, Amerika Serikat adalah metode analisis spektrum gelombang permukaan atau Spectrum-Analysis-of-Surface-Waves (SASW). Prinsip metode SASW adalah memanfaatkan karakteristik perambatan gelombang permukaan dari sumber mekanik buatan untuk menilai kecepatan gelombang geser yang merupakan representasi dari nilai kekakuan (stiffness) dinamik suatu bahan struktur. Keunggulan dari metode SASW ini adalah sifat pengujiannya yang tidak memberikan sebarang kerusakan pada struktur, metode ini murah dalam pelaksanaannya dan cepat untuk proses analisis hasilnya. Perkembangan metode SASW meliputi sejumlah pengujian dan riset yang telah dijalankan untuk berbagai jenis infrastruktur dan penggunaan teknik analisis yang diautomasi sepenuhnya. Aplikasinya yang pertama telah dilakukan oleh Nazarian (1984) dan Nazarian & Stokoe (1984) yang menjelaskan penggunaan SASW kepada analisis kekakuan tanah dan struktur timbunan jalan pada beberapa lokasi jalan di Texas, USA. Dalam studinya, hasil pengukuran SASW telah dibandingkan dengan pengujian lubang silang (cross hole) dan mendapati hasil pengujian SASW memiliki ketepatan yang tinggi. Meskipun demikian, teknikk SASW yang dikembangkan masih menggunakan algoritma analisis yang sederhana sehingga proses inversi profil kekakuan bahan masih sederhana yang belum merepresentasikan profil kedalaman yang detail. Pengujian yang sama selanjutnya dilakukan oleh Hiltunen & Woods (1988) yang menghasilkan korelasi yang memuaskan dari kedua metode pengujian tersebut. Penelitian lain mengenai penggunaan teknik SASW telah didapati berhasil untuk beberapa pengujian empris lapangan, seperti studi karateristik berbagai fondasi bangunan yang dilakukan oleh Madshus & Westerdhal (1990) dan Stokoe et al. (1994). Penelitian yang dilakukan menghasilkan korelasi- korelasi empiris parameter dinamik gelombang dengan berbagai variasi kekuatan fondasi.Studi ini dilanjutkan oleh Matthews et al. (1996) dengan melakukan pengukuran lapangan dan perbandingan nilai kekakuan tanah meliputi modulus geser dan modulus elastisitas tanah menggunakan metode SASW dan metode seismik lainnya. Hasil studi menunjukkan nilai korelasi perbandingan yang baik. Penilaian nilai modulus dinamik struktur beton menggunakan metode SASW dilakukan oleh Rix et al. (1990) dan Cho (2002), dan dilanjutkan dengan studi pengembangan dengan pendeteksian tebal dan parameter dinamis lapisan pada struktur motar semen oleh Cho et al. (2001). Kim et al. (2001) melakukan studi pengukuran kepadatan tanah menggunakan penganalisis spektrum. Studi yang dilakukan menerbitkan suatu korelasi empiris antara kecepatan gelombang geser (VS) dan kepadatan kering tanah (dry density) dengan koefisien determinasi yang baik. Studi penggunaan spektrum gelombang permukaan pada struktur fondasi (ballast) jalan kereta api dilakukan oleh Zagyapan et al. (2002). Hasil yang didapat menunjukkan bahwa profil distribusi modulus agregat lapisan balas sehingga lapisan tanah dasar dapat diobservasi dengan baik. Pada perkembangannya, penggunaan analisis spektrum gelombang permukaan telah diperluas untuk mendeteksi anomali pada berbagai struktur sub-permukaan, diantaranya oleh Haupt (1977), Dravinsky (1983), Curro (1983) dan Gucunski et al. (1996, 2000). Gucunski et al. (2000) melakukan pengamatan keretakan dan lubang pada permukaan struktur jalan yang tidak homogen menggunakan metode analisis spektrum gelombang permukaan.Penggunaan SASW dalam penilaian kualitas jalan telah dimulai oleh Nazarian (1984), Nazarian & Stokoe (1984), dari hasil penelitiannya menjelaskan adanya potensi teknik SASW sebagai teknik pengukuran parameter dinamik gelombang yang merupakan representasi dari nilai kekakuan bahan jalan. Hasil penelitian yang dilakukan masih terdapat beberapa kendala terutama terkait dengan belum dapat dibedakannya antara kecepatan kelompok (group velocity) dan kecepatan fase (phase velocity) dalam analisis spektrumnya. Kajian tersebut seterusnya dilanjutkan oleh Gucunski (1991) yang mengobservasi reaksi impuls yang diukur oleh penganalisis spektrum akibat pengaruh variasi bentuk beban pada media tanah berlapis. Hasil penelitiannya memberikan kontribusi dengan ditemukannya variasi mode gelombang yang dipengaruhi oleh gelombang mekanik tubuh (Primer dan Sekunder) dan gelombang mekanik permukaan (Rayliegh dan Love). Berbagai pengaruh gelombang ini selanjutnya diselesaikan dengan pendekatan model perambatan gelombang mekanik 2 D dan 3 D dengan menggunakan persamaan kekakuan dinamik untuk meida berlapis yang direkomendasikan oleh Kausel & Roesset (1981). Penelitian mengenai pengaruh mode gelombang dan pendekatannya melalui model 2 D dan 3 D ini selanjutnya diteruskan oleh Mera et al. (1991) dan Al Syahea (1994). Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa pengaruh pencampuran gelombang mekanik dapat didekati dengan pemodelan 3 D, dimana model ini dianalisis lebih nyata dibandingkan pendekatan 2 D. Penelitian lanjutan dilakukan oleh Rosyidi et al. (2002, 2003) dan Rosyidi (2004) dengan melakukan pengujian empiris terhadap model 2 D dan 3 D pada berbagai tipe jalan di Malaysia. Hasil kajiannya menunjukkan bahwa untuk kajian SASW pada profil berlapis dengan perbedaan nilai kekakuan yang tidak ekstrim, model inversi sederhana (Richart et al., 1970) dan model perambatan gelombang 2 D masih digunakan untuk membangun kurva penyebaran gelombang fase terhadap frekuensi dengan baik (representatif) sedangkan untuk profil yang lebih kompleks, penggunaan model 3 D adalah sangat dianjurkan. Di sisi lain, Rosyidi (2004) menemukan bahwa untuk menjalankan pengujian SASW di perkerasan jalan masih terdapat berbagai kesulitan terutama memastikan mode perambatan gelombang Rayleigh yang sesungguhnya sehingga rekomendasi yang diberikan oleh Rosyidi (2004) adalah diperlukannya studi lanjutan berupa simulasi pemodelan dan penyempurnaan perumusan algoritma bagi memperoleh bentuk-bentuk mode perambatan gelombang yang nyata, dengan demikian dapat membantu dalam proses analisis data seismik. Kekeliruan dalam intepretasi mode gelombang R yang bergerak di suatu profil uji akan berpengaruh pada tingkat keberhasilan pada proses inversi (inversion process) kurva dispersi kecepatan gelombang geser. Proses tersebut bertumpu pada intepretasi dan pemisahan kecepatan gelombang fase kelompok (group velocity) menjadi kelompok gelombang fase (phase velocity) yang mewakili gelombang Rayleigh. Tambah lagi, Rosyidi (2004) mengemukakan bahwa faktor penentu lain dalam keberhasilan analisis SASW adalah pemilihan bentuk dan frekuensi gelombang yang diperlukan dalam analisis. Kekeliruan ini akan berpengaruh pada hasil akhir berupa dispersi kecepatan gelombang geser.

REFERENSI Juanita, Retno. 2012. Gelombang Seismik. E-book. Susilawati. 2008. Penerapan Penjalaran Gelombang Seismik Gempa Pada Penelaahan Struktur Bagian Dalam Bumi. Sumatera Utara. Usu e-Repository 2008 http://atmaja.staff.umy.ac.id/2012/06/06/artikel-gelombang-rayleigh-untuk-penyelidikan-seismik-sub-permukaan-1/ www.ensiklopediseismik.blogspot.com