1 Pendahuluan
Tatanan geologi wilayah Indonesia saat ini terjadi akibat interaksi 3 lempeng utama dunia, yaitu Lempeng Samudra Pasifik yang bergerak ke arah baratbaratlaut dengan kecepatan sekitar 10 cm per tahun, Lempeng Samudra India-Benua Australia (Indo-Australia) yang bergerak ke arah utara-timurlaut dengan kecepatan sekitar 7 cm per tahun, serta Lempeng Benua Eurasia yang relatif diam, namun resultan sistem kinematiknya menunjukkan gerakan ke arah baratdaya dengan kecepatan mencapai 13 cm per tahun (Badan Geologi Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral, 2009). Gambar 1.1 menunjukkan peta tektonik aktif di Indonesia, terlihat bahwa Pulau Sumatera terletak dekat pertemuan Lempeng Samudera Indo-Australia dan Lempeng Benua Eurasia. Saat lempeng samudera terdorong ke bawah lempeng benua terjadi gesekan yang menghambat terdorongnya lempeng samudera, perlambatan gerak tersebut menyebabkan adanya akumulasi energi di zona subduksi. Akibatnya, terjadi tekanan dan regangan yang sifatnya temporal dan spasial. Apabila zona tersebut mengalami kondisi dimana bidang temu antar lempeng terkunci (locked zone) maka akumulasi energi tekanan atau tarikan yang telah melewati batas elastisitas menyebabkan lempeng yang bertemu akan melepaskan energi. Energi inilah sebagai penyebab utama gempa.
Gambar 1.1 Peta tektonik aktif di Indonesia [Bock et al.2003]
Beberapa contoh diantaranya, gempa Padang 6 Maret 2007 merenggut korban 52 jiwa dan gempa Bengkulu 12 September 2007 merenggut korban 300 jiwa. Berdasarkan banyaknya korban jiwa yang disebabkan oleh gempa bumi inilah, diperlukan adanya suatu metode pengukuran untuk mengamati tekanan dan regangan lempeng bumi. Salah satu yang bisa digunakan adalah metode pengukuran GPS geodetik yang dipasang pada tempat yang dianggap mengalami pergeseran. Metode ini dapat mendokumentasikan dengan baik hampir semua tahapan yang terjadi dalam suatu siklus gempa bumi berikut besar dan arah pergeseran titik-titik di permukaan bumi dari setiap tahapan gempa tersebut. Dengan demikian, penelitian ini diharapkan memperoleh
variasi regangan tektonik di Sumatera secara spasial dan temporal menggunakan data pengamatan continuous GPS SuGAr tahun 2007-2008 (Gambar 1.2), yang analisisnya dibagi per enam bulan, adapun manfaatnya yaitu untuk mitigasi bencana gempabumi dimasa depan.
Gambar 1.2 Sebaran stasiun SuGAr.
2 Metodologi
Deformasi dalam konteks pergerakan lempeng adalah perubahan dan pergerakan titik-titik yang diletakkan pada lempeng yang akan diamati pola deformasinya dalam selang waktu tertentu sehingga dapat menunjukkan adanya perubahan dalam besaran tertentu. Analisis deformasi bertujuan untuk menentukan kuantitas pergeseran dan parameter-parameter deformasi yang mempunyai karakteristik dalam ruang dan waktu [Chrzanowski et al., 1986]. Parameter deformasi ini didapat dari hasil pergeseran koordinat titik objek dalam pengamatan yang dilakukan berkala maupun kontinu.
Sebelum melakukan analisis regangan, terlebih dahulu dihitung vektor pergeseran setiap titik pengamatan, yaitu koordinat toposentrik kala (n+1) dikurangkan terhadap kala sebelumnya (kala ke-n)
\[\begin{pmatrix} dn \\ de \\ du \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} nT(n+1) \\ eT(n+1) \\ uT(n+1) \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} nT(n) \\ eT(n) \\ uT(n) \end{pmatrix}\] (1)
Keterangan:
nT(0), eT(0), uT(0) = koordinat toposentrik pada kala ke-0 nT(1), eT(1), uT(1) = koordinat toposentrik pada kala ke-1 adapun besar dan arah vektor pergeseran arah horizontal yaitu :
\[ds = \sqrt{dn^2 + de^2} \qquad \alpha = \tan^{-1} \begin{pmatrix} de \\ dn \end{pmatrix}\] (2)
Tahap selanjutnya adalah menghitung nilai regangan dengan menggunakan model regangan yang terdiri dari 9 parameter, yaitu 6 parameter regangan dan 3 parameter rotasi. Titik-titik yang akan dihitung nilai regangannya adalah titik GPS di Pulau Sumatera dengan IGS sebagai titik ikat. Tujuan penggunaan titik ikat ini adalah untuk memberikan pola pergeseran yang konsisten. Pada perhitungan deformasi metode 9 parameter ini, hubungan fungsional antara vektor pergeseran dan parameter-parameter deformasi dalam koordinat toposentrik dinyatakan sebagai berikut [Ma'ruf, 2001]:
\[dn = \varepsilon_{nn} n + \varepsilon_{ne} e + \varepsilon_{nu} u + \Omega_{ne} e + \Omega_{nu} u\] \[de = \varepsilon_{ne} n + \varepsilon_{ne} e + \varepsilon_{nu} u - \Omega_{ne} n + \Omega_{nu} u\] (3)
\[de = \varepsilon_{ne} n + \varepsilon_{ee} e + \varepsilon_{eu} u - \Omega_{ne} n + \Omega_{eu} u\] \[dn = \varepsilon_{nu} n + \varepsilon_{eu} e + \varepsilon_{uu} u - \Omega_{nu} e - \Omega_{eu} e\] (4)
dalam notasi matrik dinyatakan sebagai berikut :
\[d = Bc\]
\(d = [dn de du]^T\)
keterangan:
\[B = \begin{pmatrix} n & 0 & 0 & e & u & 0 & 0 & u & e \\ 0 & e & 0 & n & 0 & u & u & 0 & -n \\ 0 & 0 & u & 0 & n & e & -e & -e & 0 \end{pmatrix}\] (6)
\[c = \left[ \varepsilon_{nn} \, \varepsilon_{ee} \, \varepsilon_{uu} \, \varepsilon_{ne} \, \varepsilon_{nu} \, \varepsilon_{eu} \, \varepsilon_{nu} \, \varepsilon_{eu} \right] \tag{7}\]
d = vektor pergeseran
B = matriks desain
c = parameter-parameter deformasi
Parameter-parameter regangan dan deformasi dapat dihitung dengan metode hitung perataan kuadrat terkecil, yaitu :
\[c = (B^{T} \Sigma_{dd} B)^{-1} (B^{T} \Sigma_{dd} d)\] (8)
sedangkan standar deviasi parameter-parameter regangan dan rotasi ditentukan dengan :
\[\Sigma_{\rm pp} = (\mathbf{B}^{\rm T} \ \Sigma_{\rm dd} \ \mathbf{B})^{-1} \tag{9}\]
Berdasarkan parameter-parameter tersebut, besaran yang akan digunakan dalam analisis regangan yaitu besaran principal strain \(\epsilon_1\) dan \(\epsilon_2\) dapat diturunkan.
\(\varepsilon_1\) merupakan besaran yang menunjukkan nilai perpanjangan utama (extension) dan dapat dijadikan indikator adanya post-seismic sedangkan \(\varepsilon_2\) adalah besaran yang menunjukkan nilai kontraksi (contraction) dan dapat dijadikan indikator proses inter-seismic [Scholz, 2002]. Keduanya diperoleh melalui persamaan [Ma'ruf, 2001]:
\[\begin{aligned} & \epsilon_{1} = \epsilon_{ee} \cos^{2}\theta + 2 \epsilon_{ne} \sin\theta \cos\theta + \epsilon_{nn} \sin^{2}\theta \\ & \epsilon_{2} = \epsilon_{ee} \cos^{2}(\theta + 90^{\circ}) + 2 \epsilon_{ne} \sin(\theta + 90^{\circ}) \cos(\theta + 90^{\circ}) + \epsilon_{nn} \sin^{2}(\theta + 90^{\circ}) \\ & \tan 2\theta = (2 \epsilon_{ne}) / (\epsilon_{ee} - \epsilon_{nn}) \end{aligned}\](10)
principal strain (\(\epsilon_1\) dan \(\epsilon_2\)) menyatakan perubahan elemen panjang terhadap panjang awal (mm/mm) dan dinyatakan dengan satuan strain.
3 Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan perhitungan matematis dari time series data pengamatan, diperoleh vektor pergeseran masing-masing titik. Berikut ini plotting hasil perhitungan kecepatan pergeseran yang dihitung setiap enam bulan selama dua tahun pengamatan.
Gambar 3.1 Plotting vektor pergeseran 6 bulan pertama tahun 2007.
Gambar 3.2 Plotting vektor pergeseran 6 bulan kedua tahun 2007.
Gambar 3.3 Plotting vektor pergeseran 6 bulan pertama tahun 2008.
Gambar 3.4 Plotting vektor pergeseran 6 bulan kedua tahun 2008.
Gambar 3.2 menunjukkan arah dan nilai vektor stasiun BSAT berubah drastis dari semula menuju timur laut berubah menjadi barat daya. Hal ini terjadi karena adanya gempa yang mengguncang lepas pantai Bengkulu tanggal 12 September 2007 \(M_w = 8.4\) dan Kepulauan Mentawai tanggal 13 September 2007 (selisih 12 jam) \(M_w = 7.9\).
3.1 Analisis Regangan
Berikut ini plotting hasil perhitungan regangan yang dihitung setiap enam bulan selama dua tahun pengamatan
Gambar 3.5 Regangan enam bulan pertama tahun 2007.
Lingkaran 1 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Aceh 2004 Mw = 9.15. Pola kompresi yang ada menunjukkan adanya
energi yang belum lepas dan potensial menjadi co-seismic. Lingkaran 2 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Nias 2005 Mw = 8.6. Pola ekstensi terlihat pada lingkaran 3, menunjukkan masih ada post-seismic gempa Padang 2007 Mw = 6.4. Pola kompresi yang ada di daerah Padang dan Kepulauan Mentawai menunjukkan adanya energi yang belum lepas dan potensial menjadi co-seismic.
Pola kompresi dan ekstensi yang ada tapi tidak terlihat pada hitungan regangan metode manual dikarenakan metode ini sangat tergantung pada pemilihan segmen segitiga yang dibuat untuk mendapatkan parameter deformasi.
Gambar 3.6 Regangan enam bulan kedua tahun 2007.
Lingkaran 1 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Aceh 2004 Mw = 9.15. Pola kompresi yang ada menunjukkan adanya energi yang belum lepas dan potensial menjadi co-seismic. Lingkaran 2 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Nias 2005 Mw = 8.6. Pola ekstensi yang terlihat berkurang pada enam bulan kedua tahun 2007 dikarenakan tidak adanya data stasiun BITI. Pola ekstensi terlihat pada lingkaran 2, menunjukkan masih ada post-seismic gempa Padang Maret 2007 Mw = 6.4. Lingkaran 3 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Bengkulu 12 September 2007 Mw = 8.4 dan gempa Kepulauan Mentawai 13 September 2007 Mw = 7.9.
Gambar 3.7 Regangan enam bulan pertama tahun 2008.
Lingkaran 1 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan postseismic gempa Aceh 2004 Mw = 9.15, gempa Nias 2005 Mw = 8.6, dan gempa Simeulue 20 Februari 2008 Mw = 7.4. Pola kompresi yang ada menunjukkan adanya energi yang belum lepas dan potensial menjadi coseismic. Lingkaran 2 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Bengkulu 12 September 2007 Mw = 8.4, gempa Kepulauan Mentawai 13 September 2007 Mw = 7.9 dan 25 Februari 2008 Mw = 7. Pola kompresi yang ada menunjukkan adanya energi yang belum lepas dan potensial menjadi co-seismic.
Gambar 3.8 Regangan enam bulan kedua tahun 2008.
Lingkaran 1 menunjukkan adanya pola ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Aceh 2004 Mw = 9.15, gempa Nias 2005 Mw = 8.6, dan gempa Simeulue 20 Februari 2008 Mw = 7.4. Pola kompresi yang ada menunjukkan adanya energi yang belum lepas dan potensial menjadi co-seismic. Pola kompresi yang ada pada lingkaran 2 menunjukkan adanya energi yang belum lepas dan potensial menjadi co-seismic. Lingkaran 3 menunjukkan adanya ekstensi, yaitu merupakan post-seismic gempa Bengkulu 12 September 2007 Mw = 8.4, gempa Kepulauan Mentawai 13 September 2007 Mw = 7.9 dan 25 Februari 2008 Mw = 7. Pola kompresi yang ada menunjukkan adanya energi yang belum lepas dan potensial menjadi co-seismic.
3.2 Diskusi
Secara umum, pola kompresi terdapat pada segmen segitiga lingkaran 1 dan 2. Hal ini selaras dengan publikasi Chlieh, et al. (2008) yang menyatakan bahwa energi yang dilepaskan pada gempa Nias 2005 Mw = 8.6 adalah 50 % dari energi yang terakumulasi sejak terakhir terjadinya gempa di tempat yang sama pada tahun 1861. Adapun Konca, et al. (2008) menyatakan bahwa energi yang dilepaskan pada gempa tahun 2007 di Kepulauan Mentawai adalah 25 % dari energi yang terakumulasi sejak terakhir terjadinya gempa di tempat yang sama pada tahun 1833. Adanya pola kompresi hasil dari penelitian ini dan diperkuat dengan kedua pernyataan tersebut diatas, mengindikasikan masih ada gempa yang akan terjadi dimasa mendatang. Hal ini selaras dengan Kerry Sieh, et al. (2008) yang menyatakan 700 tahun terakhir rekaman supersiklus gempa besar di Sumatera mengindikasikan gempa September 2007 Mw = 8.4 adalah awal mula episode gempa patahan daerah Mentawai.
4 Kesimpulan
Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian mengenai regangan di Sumatera ini adalah :
- Vektor pergeseran di Sumatera mengarah ke timur-laut yang mengindikasikan adanya inter-seismic dan ke barat-daya yang mengindikasikan adanya post-seismic.
- Distribusi regangan berupa ekstensi yang mengindikasikan adanya postseismic tersebar secara merata dominan di zona tempat terjadinya gempa Aceh 2004, gempa Nias 2005, gempa Bengkulu 12 September 2007 dan gempa Kepulauan Mentawai 13 September 2007.
- Regangan tektonik di Sumatera masih dipengaruhi inter-seismic, ditunjukkan adanya pola kompresi.
- Berdasarkan pola regangan 2007-2008, di selatan Mentawai masih ada kompresi yang mengindikasikan gempa dimasa datang.
5 Daftar Pustaka
- [1] Bock, Y., L.Prawirodirdjo, J. F. Genrich, C. W. Stevens, R. McCaffrey, C. Subarya, S. S. O. Puntodewo & E. Calais, Crustral Motion in Indonesia from Global Positioning System Measurements, J. Geophys. Res., 108 (B8), 2367, doi:10.1029/2001JB000324, 2003.
- [2] Chlieh, Mohamed., J.P Avouac, K. Sieh, Danny H. Natawidjaja & John Galetzka, Heterogeneous Coupling of the Sumatran Megathrust Constrained by Geodetic and Paleogeodetic Measurements, J.
- [3] Konca, A.O., Vala Hjorleifsdottir, Teh-ru Alex Song, Jean-Philippe Avouac, Don V Helmberger, Chen Ji, Kerry Sieh, Richard Briggs & Aron Meltzner, Rupture Kinematics of the 2005 M<sub>w</sub> 8.6 Nias-Simeulue Earthquake from the Joint Inversion of Seismic and Geodetic Data, Bulletin of the Seismological Society of America, 97(1A), pp.S307-S322, doi:1785/0120050632, 2007.
- [4] Konca, A.O., Jean-Philippe Avouac, Anthony Sladen, Aron J Meltzner, Kerry Sieh, Peng Fang, Zhenhong Li, John Galetzka, Jeff Genrich,
- Mohamed Chlieh, Danny H. Natawidjaja, Yehuda Bock, Eric J Fielding, Chen Ji & Don V. Helmberger, Partial Rupture of a Locked Patch of the Sumatra Megathrust during the 2007 Earthquake Sequence, Nature 07572, 456, doi:10, 1038, 2008.
- [5] Sieh, Kerry., Danny H Natawidjaja, Aron J Meltzner, Chuan-Chou Shen, Hai Cheng, Kuei-Shu Li, Bambang W. Suwargadi, John Galetzka, Belle Philibosian & R Lawrence Edwards, Earthquake Supercycles Inferred from Sea-Level Changes Recorded in the Corals of West Sumatra, Science 322, 1674 (2008), doi:10.1126/Science.1163589.
- [6] Teza, G., Pesci., A. & Galgaro A., Grid_strain and Grid_strain3: Software Packages for Strain Field Computation in 2D and 3D Environments, International Journal of Computers & Geosciences 34 (2008) 1142–1153, 2008.