SAP III. TRANSPORTASI DAN PENGENDAPAN MATERIAL SEDIMEN SILISIKLASTIK

1. Pendahuluan

Hasil dari proses pelapukan dan aktivitas gunung api akan mengalami proses pengikisan dari tempat yang tinggi, kemudian mengalami pengangkutan/transportasi, dan akan mengalami proses pengendapan di cekungan-cekungan pada permukaan bumi. Proses pengangkutan material sedimen dilakukan baik oleh udara/angin, air, es, atau oleh proses-proses yang disebabkan oleh gravitasi yang biasanya menyertakan air. Studi tentang proses transportasi sediment harus memahami dan mengaplikasikan prinsip-prinsip aliran fluida. Problem yang timbul bagi geologist adalah pada dasarnya geologist melakukan interpretasi proses transportasi sedimen didasarkan pada hasil proses pengendapan transportasi sedimen. Geologist selalu mencari hubungan antara karakteristik batuan sedimen seperti tekstur dan struktur sedimen yang terjadi di masa lampau dengan parameter aliran fluida seperti velositas dan kedalaman aliran.

2. Sifat-sifat fluida

Fluida merupakan suatu substansi yang bentuknya selalu berubah apabila terkena gaya dari luar. Sifat fluida sangat tergantung pada densitas dan viskositasnya, yang mempengaruhi kemampuan fluida mengerosi dan mengangkut sedimen.

Densitas fluida (ρ) adalah massa per unit volume. Densitas mempengaruhi besarnya gaya yang bekerja pada fluida dan akan mempengaruhi kecepatan pengendapan partikel yang berada dalam fluida. Densitas akan meningkat dengan menurunnya temperatur fluida. Densitas air lebih besar daripada densitas udara, sehingga kemampuan fluida untuk mengangkut partikel sedimen lebih besar daripada udara/angin.

Viskositas (kekentalan) adalah kemampuan fluida untuk mengalir. Fluida dengan viskositas rendah akan mengalir dengan mudah, sedangkan sebaliknya fluida dengan viskositas tinggi akan lebih sulit untuk mengalir. Untuk lebih memahami mengenai viskositas dapat dibayang sebagai suatu lapisan fluida yang terdapat diantara 2 bidang. yang sejajar. Bidang yang ada di dasar merupakan bidang yang tetap, sedangkan yang diatas bergerak dengan kecepatan tetap. Fluida yang terletak diantara dua bidang tersebut diibaratkan sebagai suatu lapisan yang sejajar dengan bidang tadi. Seiring dengan bergeraknya bidang yang diatas, maka lapisan fluida akan mengikuti gerakan bidang tadi dengan kecepatan nol di bagian bawah sampai kecepatan V di bagian atas.

Tipe-tipe fluida

Tipe fluida dapat dibedakan menjadi 3, yaitu newtonian, non newtonian, dan bingham plastis. Fluida Newtonian memiliki no strength, kekentalan tidak berubah selama pengalirannya. Fluida non Newtonian, memiliki no strength, menunjukkan kekentalan yang bervariasi selama pengalirannya. Air dengan konsentrasi pasir lebih besar dari 30%, dan konsentrasi lempung meskipun rendah cenderung mengikuti tipe ini. Fluida Bingham Plastic merupakan fluida yang memiliki konsentrasi sedimen yang cukup besar dengan viskositas yang relatif konstan. Contohnya adalah aliran debris.

10

10

Aliran Laminer dan Turbulen

Berdasarkan kecepatan dan viskositasnya, aliran fluida dapat dibedakan menjadi dua tipe, yaitu:

Laminer: gerak molekul air lurus (gambar 3.1 A,B). Gerakan ini dapat digambarkan sebagai suatu lapisan tipis yang bergerak dengan kecepatan yang lambat.

Turbulen gerak molekul air tidak beraturan (gambar 3.1 C). Gerakan ini terjadi pada kecepatan yang lebih tinggi, dengan arah gerakan molekul air yang tidak beraturan. Kebanyakan aliran air dan udara di alam adalah turbulen. Tetapi aliran es dan lumpur adalah laminar. Arah gerakan molekul air yang bervariasi ini menyebabkan kecepatan pengendapan mateial yang diangkut menurun, sehingga aliran turbulen dapat mengangkat sedimen di dasar aliran dapat terangkut kembali.

Gambar 3.1. Macam aliran fluida

Profil kecepatan dan kekasaran dasar aliran

Karena besarnya gesekan pada dasar aliran, perubahan kecepatan aliran turbulen baik pada profil vertikal maupun profil horisontal yang dilihat dari atas, menunjukkan perbedaan bentuk dengan profil kecepatan pada aliran laminer (Gambar 3.2). Pada aliran turbulen, pada daerah dekat dengan dasar aliran terbentuk aliran laminer atau hampir laminer. Kondisi ini disebut laminer sublayer. Ketebalan lapisan laminer sublayer tergantung pada kondisi dasar saluran. Pada dasar yang licin, akan terbentuk laminer sublayer. Tetapi pada dasar yang kasar, laminer sublayer akan dihancurkan oleh aliran yang tidak beraturan, yag akan membentuk aliran turbulen.

Laminer sublayer merupakan semacam lapisan gerakan molekul air dekat dasar saluran, kecepatannya 0 yang menutupi sedimen dasar untuk mengalami pengangkatan. Dengan terbentuknya lapisan ini mengakibatkan material sediment yang sudah mengalami pengendapan akan lebih sulit terangkut kembali.

11

11

Gambar 3.2. Penampang tegak kecepatan aliran. A. Aliran laminer. B. Aliran turbulen. C. Bentuk umum aliran laminer dan turbulen dilihat dari permukaan (atas)

Boundary Shear Stress

Boundary shear stress (τo) merupakan gaya yang muncul pada dasar aliran yang berlawanan arah dengan arah aliran Boundary shear stress digambarkan dengan persamaan:

τo = γ RhS

dimana γ = spesifik gravity fluida Rh = radius hidrolik ( penampang saluran dibagi dengan wetted perimeter) S = kemiringan

Boundary shear stress juga dipengaruhi oleh kecepatan aliran meskipun tidak secara langsung. Dari persamaan di atas, boundary shear stress akan meningkat dengan bertambahnya specific gravity aliraan fluida, meningkatnya kedalaman dan luasnya saluran, dan semakin besarnya kemirngan saluran. Reynold Number

Angka Reynold merupakan hubungan antara kekentalan dan gaya inersi suatu aliran. Besarnya angka ini kan menunjukkan macam aliran fluida. Angka Reynold digambarkan dengan rumus

Re = =

Dimana U = Kecepatan rata-rata aliran L = kedalaman aliran Ν = viskositas kinematik

Pada fluida yang kental seperti fluida yang mengandung banyak material tersuspensi seperti lumpur, dan kedalaman yang dangkal, mendapatkan angka Reynold kecil dan alirannya laminer. Kenaikan kecepatan aliran dan kedalaman, menyebabkan naiknya angka Reynold. Hal ini menyebabkan macam aliran menjadi turbulen. Kebanyakan aliran di alam adalah turbulen. Dari persamaan di atas, mendapatkan angka Reynold berkisar antara 500 sampai 2000. Bila Re > 2000, aliran fluida turbulen, sedang jika angka Re < 500, aliran fluida adalah laminer.

Froude NumberAngka Froude merupakan hubungan antara kecepatan aliran dengan gaya gravitasi dan

inersi. Angka Froude digambarkan dengan rumus:

Fr =

Dimana U = Kecepatan alirang = gaya gravitasiD = kedalaman aliran

Bila angka Froude < 1, pada saat ombak lebih besar dari kecepatan aliran, maka alirannya disebut tranquil, streaming, atau subcritical. Jika Fr > 1, maka alirannya menjadi deras (rapid) dan disebut shooting atau supercritical. Angka Froude dapat menentukan kecepatan kritis untuk aliran fluida, pada kedalaman aliran tertentu akan berubah dari tranquil ke rapid.

12

12

Ulρμ

ULν

U

√gD

3. Transport sedimen oleh fluida

Transport sedimen oleh aliran fluida dapat dibedakan menjadi dua tahap. Pertama adalah proses erosi dan pengangkatan sedimen dari dasar saluran. Kedua kemampuan sedimen untuk tetap berada di dalam tubuh aliran.

1. Pengangkatan sedimen dari dasar saluran (Particle Entrainment)

Proses pengangkatan sedimen pada dasar saluran ke dalam aliran terjadi apabila kecepatan dan gaya gesek fluida meningkat. Akibat peningatan ini sedimen pada dasar salauran akan mulai naik dan berada di dalam aliran. Mula-mula butiran yang kecil dan ringan terangkat, selanjutnya dengan meningkatnya gaya gesek fluida meningkat butiran yang lebih besar mulai terangkat. Jadi ambang batas sedimen mulai terangkut dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu, gaya gesek fluida, kekentalan fluida, dan ukuran, bentuk dan densitas partikel sedimen, serta kecepatan aliran. Pergerakan sedimen dasar karena aliran digambarkan dengan diagram Hjulstrom dan diagram Shield.

Diagram Hjustrom (Gambar 3.3) menggambarkan hubungan antara kecepatan aliran dan ukuran butir sedimen. Kenaikan kecepatan aliran akan menyebabkan partikel sedimen mulai bergerak. Diagram Hjultrom menunjukkan ambang batas kecepatan aliran untuk menggerakkan butiran kuarsa dari dasar saluran pada kedalaman aliran satu meter. Pada diagranm ini terbagi menjadi daerah erosi, transportasi dan pengendapan. Untuk butiran lebih besar 0,5 mm kecepatan aliran untuk mengangkat partikel sedimen akan meningkat seiring dengan meningkatanya ukuran butir sedimen. Sedangkan untuk ukuran butir partikel sedimen lebih kecil dari 0,05 mm kejadian ini akan sebaliknya, meningkatnya kecepatan aliran seiring dengan menurunnya diameter ukuran butir sedimen.

Gambar 3.3 Diagram Hjulstrom

2. Settling VelocityKecepatan pengendapan material sedimen tergantung pada viskositas fluida, ukuran,

bentuk, dan densitas dari partikel sedimen.

3. Sediment Loads and Transport

Bedload Transport, pengangkutan sedimen yang selalu dekat atau pada dasar saluran. Material yang diangkut pada umumnya yang berbutir kasar. Ada beberapa cara pengangkutan sedimen dekat dasar saluran, yaitu traksi, dan saltasi. Pengangkutan dengan cara traksi terjadi bila material yang berpindah tempat selalu bersentuhan dengan dasar saluran. Angkutan traksi dibedakan menjadi menggelinding (rolling), meluncur (sliding), dan merayap (creeping).

13

13

Angkutan dengan cara menggelinding terjadi bila material sedimen berpindah tempat dengan cara mengelinding. Cara ini biasanya terjadi pada butiran sedimen yang membundar. Sliding merupakan angkutan sedimen dengan cara meluncur. Merayap merupakan angkutan sedimen yang bergeser sedikit demi sedikit.

Saltasi merupakan angkutan sedimen dengan cara meloncat. Pada proses pengangkutan ini material sedimen kadang menyentuh dasar saluran kadang tidak.

Suspended Load Transport adalah proses pengangkutan sedimen dimana material sedimen yang terangkut berada di dalam tubuh fluida.

- Intermittent suspension, terjadi apabila partikel sedimen terangkut di dalam aliran fluida karena adanya aliran turbulen. Segera setelah kecepatan aliran menurun, partikel sedimen akan terendapkan kembali di dasar saluran.

- Continuous suspension, terjadi apabilan partikel sedimen selalu terangkut di dalam aliran fluida.

Washload and Dustload, merupakan angkutan sedimen tersuspensi yang berasal dari proses erosi pada tebing saluran. Biasanya merupakan partikel sedimen yang berbutir halus.

4. Pengendapan oleh aliran fluida

Pengendapan terjadi apabila terjadi perubahan kondisi hidrologinya, seperti menurunnya kecepatan aliran atau viskositasnya berubah. Pengendapan sedimen bisa bersifat permanen atau sementara dan dapat mengalamai transportasi kembali,.

Sedimentasi dari angkutan sedimen secara traksi akan membentuk struktur sedimen cross bed, ripple mark, imbrikasi kerakal, sesuai dengan arah aliran fluidanya. Sedimen tersuspensi yang diendapkan akan membentuk struktur laminasi.

Pengendapan sedimen oleh air, mempunyai ukuran butir sangat bervariasi, mulai dari lempung sampai berangkal atau bahkan bolder. Sedang yang diendapkan oleh angin mempunyai ukuran butir mulai dari lempung sampai pasir.

5. Angkutan sedimen oleh aliran gravitasi

Angkutan sedimen dapat juga terjadi tanpa aliran fluida. Fluida yang bercampur dengan material sedimen bukan berperan sebagai media transportasi, tetapi sebagai material yang menurunkan daya rekat sedimen. Proses perpindahan sedimen lebih disebabkan oleh gaya gravitasi (Gambar 3.4)

Turbidity Current (arus keruh)Turbidity current merupakan arus gravitasi yang meluncur dari suatu lereng di dalam tubuh air (laut atau danau) . Mekanisme terbentuknya arus turbid ada dua, yang pertama arus turbid terbentuk pada tepi kontinen akibat adanya gempa bumi atau badai yang terjadi pada paparan benua (continental shelves). Tipe yang ke dua terjadi akibat aliran tetap uniform (steady uniform flow) dari fluida yang densitasnya besar mengalir di bawah fluida yang densitasnya lebih kecil. Fluidized and Liquefied Flows (aliran cairan kental)Aliran cairan kental terjadi apabila material sedimen lepas mengalir bersama dengan cairan sebagai suspensi dan membentuk cairan dengan kekentalan yang tinggi. Cairan ini dapat mengalir dengan kecepatan tinggi pada kemiringan sekitar 3 derajad. Grain Flows (aliran butiran tanpa cairan)Aliran butiran merupakan pergerakan sedimen atau material lepas pada kemiringan lereng yang terjal. Grain flow umumnya terjadi pada lee slope pada gumuk pasir (sand dunes) Debris Flows and Mud Flows (aliran hasil rombakan bercampur air)

14

14

Debris dan mud flows merupakan aliran sedimen gravitasi pada tipe fluida Bingham plastic. Aliran ini terdiri dari campuran partikel yang berukuran pasir halus dan lempung yang membentuk lumpur dengan kekentalan yang memungkinkan untuk mengangkut material yang berukuran sangat kasar seperti bolder. Aliran ini sering terjadi pada daerah yang beriklim kering (arid) atau agak kering (semi arid) setelah terjadinya hujan lebat. Contoh yang sering terjadi pada daerah gunungapi adalah aliran lahar yang disusun oleh material hasil erupsi gunungapi.

6. Pengendapan sedimen oleh aliran gravitasi.

Pengendapan sedimen oleh aliran gravitasi sangat berbeda dengan pengendapan oleh aliran fluida normal. Pada pengendapan oleh aliran fluida butiran sedimen terendapkan satu persatu tergantung pada ukuran dan kondisi lingkungan pengendapannya. Tetapi pada aliran gravitasi, proses pengendapan terjadi bersamaan dengan hilangnya kecepatan aliran. Endapan yang terbentuk tidak mengalami pemilahan dan pembundaran, kecuali pada endapan oleh arus turbid. Karakteristik endapan aliran gravitasi dapat dilihat pada gambar 3.5.

Endapan arus turbid, biasanya disebut endapan turbidit, mempunyai dua macam tipe. Endapan turbidit yang berasal dari aliran dengan densitas tinggi dan konsentrasi sedimen yang tinggi. Endapan ini dicirikan oleh gradasi yang jelek dengan sedikit laminasi, dan scouring pada dasar endapan. Tipe yang kedua adalah endapan yang berasal dari arus turbid dengan konsentrasi sedimen rendah, membentuk perlapisan tipis dengan ukuran butir halus pada dasar dan gradasi ke arah atas yang baik. Laminasi dan silang siur sekala kecil berkembang dengan baik.

Sekuen turbidit yang ideal, biasa disebut sekuen Bouma, terdiri dari lima unit struktur sedimen (Lihat gambar 3.6). Endapan memiliki 5 unit struktur sediment. Meskipun demikian kebanyakan endapan turbid ini tidak menunjukan semua unit tersebut. Endapan turbid yang tebal dengan butiran kasar biasanya hanya unit A dan B yang berkembang dengan baik, sedangkan unit C sampai E tidak berkembang dengan baik atau tidak ada sama sekali. Sebaliknya endapan turbid dengan butiran yang halus dan relatif tipis , unit C sampai E berkembang dengan baik sedangkan unit A dan B tidak berkembang dengan baik atau tidak ada sama sekali.

Fludized flow deposit umumnya dicirikan oleh endapan yang tebal, terdiri dari pasir dengan sortasi jelek,. Endapan ini dicirikan oleh struktur sediment dish, pipes, dan sand vcolcano. Grain flow deposit dicirikan oleh endapan yang masif dengan sedikit atau tidak ada sama sekali lapisan laminasi dan garding kecuali pada beberapa endapan menunjukkan adanya reverse bedding pada dasar endapan. Ketebalan endapan ini pada umumnya kurang dari 5 cm. Debris flow deposit menunjukkan endapan yang tebal, derajad keseragaman butir jelek, dan tidak menunjukkan adanya perlapisan. Endapan ini dicirikan oleh percampuran ukuran butir mulai dari butiran yang berukuran lempung sampai bolder. Partikel yang berukuran besar tidak menunjukkan orientasi yang baik.

15

15

Gambar 3.4. Tipe-tipe sedimen aliran gravitasi, dan interaksi antara butiransedimen dengan fluida.

Gambar 3.6 Sekuen endapan turbid yang disusun oleh Bouma, sehingga disebut Sekuen Bouma.

7. Pertanyaan

1. Sebut dan jelaskan sifat-sifat dan tipe-tipe fluida.2. Gambar dan jelaskan macam-macam tipe aliran fluida.3. Sebut dan jelaskan macam-macam cara fluida mengangkut material sediment.4. Gambar dan jelaskan diagram Hjulstrom.5. Sebut dan jelaskan macam-macam aliran gravitasi6. Gambarkan dan jelaskan karakteristik endapan hasil aliran gravitas.7. Gambar dan jelaskan sekuen Bouma.

16

16

Gambar 3.5 Macam-macam struktur sedimen yang terbentuk oleh aliran gravitasi