KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur yang tiada terhingga selalu kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa. Karena hanya atas berkat rahmat & karunia-Nya kami Kelompok 7 dapat menyelesaikan tugas makalah ini. Tugas makalah ini disusun untuk mempelajari Gelombang Seismik secara lebih detail sehingga mahasiswa dapat mengetahui sifat-sifat dan jenis dari Gelombang Seismik serta prinsip-prinsip yang digunakan dalam gelombang tersebut. Semoga tugas makalah ini dapat diterima bagi semua orang yang membacanya. Namun, makalah ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, kami dengan senang hati akan menerima segala kritik & saran yang membangun demi kesempurnaan makalah ini. Sekian dari kami, semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Teruslah berusaha meningkatkan ilmu pengetahuan dan teknologi dengan berfikir baik, logis, dan sistematis.
1
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR.....................................................................................................................1
DAFTAR ISI....................................................................................................................................2
BAB I : PENDAHULUAN..............................................................................................................3 -
LATAR BELAKANG...............................................................................................................3 RUMUSAN MASALAH.................................................................................................................3 TUJUAN......................................................................................................................4
BAB II : PEMBAHASAN...............................................................................................................5
BAB III : PENUTUP.....................................................................................................................15 -
2
KESIMPULAN.........................................................................................................15
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Ilmu yang mempelajari tentang gempa disebut dengan seismologi. Seismologi berasal dari dua kata dalam bahasa Yunani, yaitu seismos yang berarti getaran atau goncangan dan logos yang berarti risalah atau ilmu pengetahuan. Orang Yunani menyebut gempa bumi dengan katakata seismos tes ges yang berarti Bumi bergoncang atau bergetar. Ilmu ini mengkaji tentang apa yang terjadi pada permukaan bumi disaat gempa, bagaimana energi goncangan merambat dari dalam perut bumi ke permukaan, dan bagaimana energi ini dapat menimbulkan kerusakan, serta proses tumbukan antar lempeng pada sesar bumi yang menyebabkan terjadinya gempa. Dengan demikian, secara sederhana seismologi dapat diartikan sebagai ilmu yang mempelajari fenomena getaran pada bumi, atau dengan kata sederhana, ilmu mengenai gempa bumi. Seismologi merupakan bagian dari ilmu geofisika. Gempa bumi adalah sebuah fenomena alam yang terjadi karena lapisan tanah di bawah permukaan tanah bergeser secara mendadak. Ketika getaran itu sampai ke permukaan bumi kita akan merasakan guncangan atau pergerakan tanah yang intensitasnya beragam mulai dari getaran lunak, membuat kita limbung, bahkan hingga mengakibatkan hancurnya bangunan kokoh. Kuat atau lemahnya getaran tergantung kekuatan sumber dan jarak titik fokus gempanya. Guncangan itu sebenarnya berupa gelombang-gelombang yang menjalar menjauhi titik focus gempa kesegala arah di bumi. Ada beberapa gelombang yang terbentuk saat gempa, yang utama dibedakan menjadi gelombang badan dan gelombang permukaan. Gelombang badan terbagi dua yaitu gelombang primer ( Wave-P ) dan gelombang sekunder ( Wave-S ). Sedangkan gelombang permukaan ada dua jenis, yaitu gelombang Love dan gelombang Rayleigh. Pengetahuan mendalam tentang gelombang sismik ini mutlak diperlukan untuk memahami data seismik umumnya dan interpretasi pada khususnya. Beberapa sifat gelombang seismik akan diketengahkan pada makalah ini.
B. Rumusan Masalah Menurut latar belakang diatas, kita mendapatkan rumusan masalah : 1. 2. 3. 4. 5. 3
Apa yang dimaksud dengan Gelombang Seismik ? Apa saja jenis Gelombang Seismik ? Prinsip apa yang digunakan dalam Gelombang Seismik ? Bagaimana cara penjalaran Gelombang Seismik ? Apa saja Aplikasi dalam Gelombang Seismik
C. Tujuan Berdasarkan penjelasan diatas, terdapat 2 tujuan penyusunan Makalah ini : 1. Untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Seismologi, sebagai pengganti nilai Ujian. 2. Untuk menegetahui apa itu Gelombang Seismik dan hal-hal yang berkaitan dengan Gelombang Seismik.
4
BAB II PEMBAHASAN Gelombang seismik adalah gelombang energi yang menjalar ke seluruh bagian dalam bumi dan melalui permukaan bumi. 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 ( ) 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. Sumber gelombang seismik yang pada awalnya berasal dari gempa bumi yang dapat berupa gempa vulkanik maupun gempa tektonik, namun sekarang ini sumber gelombang seismik dapat berasal dari sumber buatan seperti water gun, dinamit, hentakan martil, dsb.
5
Gradien tegangan mengakibatkan terganggunya keseimbangan gaya-gaya di dalam medium sehingga terjadi pergeseran titik materi yang menyebabkan deformasi yang menjalar dari satu titik ke titik lain. Dimana deformasi ini dapat menyebabkan pemampatan atau peregangan partikel-partikel medium yang berbentuk osilasi. Kurva osilasi yang bentuknya mirip sinusoidal terpotong ini dinamakan sinyal seismik.
Sifat dan Jenis Gelombang Seismik Pulsa seismik merambat melewati batuan dalam bentuk gelombang elastis yang mentransfer energi menjadi pergerakan partikel batuan. Gelombang elastik dapat dibagi dua yaitu gelombang tubuh (body wave) dan gelombang permukaan (surface wave). a. Gelombang Tubuh (body wave) Gelombang tubuh merupakan gelombang yang energinya ditransfer melalui medium di dalam bumi. Berdasarkan sifat gerakan partikel mediumnya, gelombang tubuh dibagi menjadi dua, yaitu gelombang P dan gelombang S. Gelombang Pressure (P) disebut juga gelombang kompresi. Gerakan partikel pada gelombang ini searah dengan arah penjalaran gelombang. Gelombang shear dikenal juga sebagai gelombang sekunder yang kecepatannya lebih rendah 6
dari gelombang P. Gelombang ini disebut juga gelombang S atau transversal yang memiliki gerakan partikel yang berarah tegak lurus terhadap arah penjalaran gelombang. Jika arah gerakan partikel merupakan bidang horizontal, maka gelombang tersebut adalah gelombang S Horizontal (SH) dan jika pergerakan partikelnya vertikal, maka gelombang tersebut adalah gelombang S Vertikal (SV). a)
b)
Ilustrasi trayektori gerakan partikel dari (a) gelombang pressure (gelombang longitudinal), (b) gelombang transversal. (Sheriff, 1995) b. Gelombang Permukaan (surface wave) Gelombang permukaan merupakan gelombang yang memiliki amplitudo besar dan frekuensi rendah yang menjalar pada permukaan bebas (free surface). Berdasarkan sifat gerakan partikel mediumnya, maka gelombang permukaan di bagi menjadi 2 yaitu gelombang Rayleigh dan gelombang love.
Ilustrasi gelombang permukaan (a) gelombang Rayleigh, (b) gelombang Love. (Sheriff, 1995) -
7
Gelombang Rayleigh atau dikenal juga dengan nama Ground roll merupakan gelombang permukaan yang gerakan partikelnya merupakan kombinasi gerakan partikel gelombang P dan S, yaitu berbentuk ellips. Sumbu mayor elips tegak lurus dengan permukaan dan
sumbu minor sejajar dengan arah penjalaran gelombang. Kecepatan gelombang Rayleigh bergantung pada konstanta elastik dekat permukaaan dan nilainya selalu lebih kecil dari gelombang S (Vs). Gerakan partikelnya ke belakang (bawah maju atas mundur) dan gelombang ini menjalar melalui permukaan media yang homogen. Gelombang Rayleigh merambat dengan kecepatan sekitar 2 1/4 mil sehingga menimbulkan efek gerakan tanah yang sirkuler dan hasilnya tanah akan bergerak naik turun seperti ombak di laut. -
Gelombang love merupakan gelombang permukaan yang menjalar dalam bentuk gelombang transversal. Gerakan partikelnya mirip dengan gelombang S. Kecepatan penjalarannya bergantung pada panjang gelombangnya dan bervariasi di sepanjang permukaan. Gelombang love terbentuk karena interferensi konstruktif dari pantulan – pantulan gelombang seismik pada permukaan bebas. Gelombang ini merambat dengan kecepatan 2 3/4 km/s. Pergerakan partikel gelombang love sejajar dengan permukaan tetapi tegak lurus dengan arah rambatnya. Gelombang love lebih cepat daripada gelombang Rayleigh dan lebih dulu sampai pada seismograf.
Prinsip-prinsip yang digunakan dalam Gelombang Seismik 1. Prinsip Huygens Prinsip Huygens merupakan salah satu pendekatan yang digunakan untuk menggambarkan penjalaran gelombang yang berada di bawah permukaan. Prinsip ini menyatakan bahwa setiap titik pada muka gelombang bertindak sebagai sumber baru untuk muka gelombang berikutnya. Jadi jika diketahui terdapat suatu muka gelombang x pada waktu t yang dihasilkan dari suatu sumber S, maka untuk mendapatkan muka gelombang dengan waktu t + ∆t, dapat dilakukan dengan cara membuat lingkaran-lingkaran wavelet sekunder dengan jarijari v∆t yang dibuat dari setiap titik pada muka gelombang x dan kemudian membuat garisgaris singgungnya sepanjang lintasan tersebut sehingga diperoleh muka gelombang baru dengan waktu t+∆t.
8
Prinsip Huygens 2. Hukum Snellius Hukum snellius menunjukkan hubungan antara sudut refleksi dan sudut refraksi muka gelombang pada batas antar medium yang memiliki perbedaan kecepatan gelombang.
Hukum Medium
Snellius Penjalaran Sinar Gelombang Melalui Berbeda
Gambar di atas memperlihatkan penjalaran secara periodik gelombang bidang yang melewati permukaan datar perbatasan antara dua medium. Pada medium pertama panjang gelombangnya adalah sedangkan untuk medium kedua panjang gelombangnnya adalah . Pada saat gelombang melewati daerah perbatasan antara dua medium maka harus berlaku kontinuitas untuk gelombang refleksi dan gelombang transmisi. Jika kontinuitas tidak berlaku maka muka gelombang di medium 1 akan mendahului atau justru tertinggal dari muka gelombang di medium 2. Untuk menghindari hal ini dan mempertahankan kontinuitas selama melewati daerah batas dengan panjang gelombang yang berbeda maka gelombang refleksi dan gelombang transmisi haruslah memiliki besar sudut yang berbeda terhadap garis normal bidang batas. 3. Prinsip Fermat Prinsip Fermat menyatakan bahwa gelombang yang menjalar dari satu titik ke titik yang lain akan memilih lintasan dengan waktu tempuh tercepat. Prinsip Fermat dapat diaplikasikan untuk menentukan lintasan sinar dari satu titik ke titik yang lainnya yaitu lintasan yang waktu tempuhnya bernilai minimum. Dengan diketahuinya lintasan dengan waktu tempuh minimum maka dapat dilakukan penelusuran jejak sinar yang telah merambat di dalam medium. Penelusuran jejak sinar seismik ini akan sangat membantu dalam menentukan posisi reflektor di bawah permukaan. Jejak sinar seismik yang tercepat ini tidaklah selalu berbentuk garis lurus.
9
APLIKASI GELOMBANG DALAM SEISMIK Gelombang 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 10
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 yang menurunkan 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, 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) dalam proses untuk mendapatkan kurva penyebaran 11
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.
12
PERSAMAAN GELOMBANG Kita dapat menentukan kecepatan transversal sembarang partikel yang bergerak dalam gelombang transversal dengan menggunakan fungsi gelombang.
y( x, t ) A sin t kx, v y kec. partikel v kec.gelombang
v y ( x, t )
y( x, t ) A cost kx. t
Percepatan partikel dalam gelombang sinusoidal
2 y ( x, t ) a y ( x, t ) 2 A sin t kx 2 y ( x, t ). 2 t
Turunan pertama y ( x, t ) / x adalah kemiringan dawai. Dan turunan parsial kedua terhadap X adalah kelengkungan dawai itu.
2 y ( x, t ) k 2 A sin t kx k 2 y ( x, t ). 2 x Arah kecepatan transversal dan percepatan transversal pada beberapa titik dalam dawai.
13
2 y ( x, t ) / t 2 2 y ( x, t ) 2 2 v 2 y ( x, t ) / x 2 k 2 y ( x, t ) k 2 Persamaan ini disebut Persamaan Gelombang:
2 y ( x, t ) 1 2 y ( x, t ) 2 . 2 2 x v t
14
BAB III PENUTUP
A. KESIMPULAN 1. Gelombang seismik adalah rambatan energi yang disebabkan karena adanya gangguan di dalam kerak bumi, misalnya patahan atau adanya ledakan. Energi ini akan merambat ke seluruh bagian bumi dan dapat terekam oleh seismometer. 2. Gelombang badan adalah gelombang yang merambat disela-sela bebatuan dibawah permukaan bumi. 3. Gelombang primer adalah salah satu dari dua jenis gelombang seismic, sering juga disebut gelombang tanah ( dinamakan demikian karena merambat didalam tanah ), adalah gelombang yang ditimbulkan oleh gempa bumi dan terekam oleh seismometer. 4. Gelombang Sekunder adalah gelomgang transversal yang arah gerakannya tegak lurus dengan arah perambatan gelombang. 5. Gelombang permukaan adalah gelombang yang merambat di permukaan bumi, tidak penetrasi ke dalam medium bumi. 6. Gelombang Reyleigh adalah gelombang yang menjalar di permukaan bumi dengan pergerakan menyerupai ellip. 7. Gelombang Love adalah gelombang geser ( S wave ) yang terpolarisasi secara horizontal dan tidak menghasilkan perpindahan vertical.
15
