Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian

Program Studi Meteorologi

© 2012 Program Studi Meteorologi Institut Teknologi Bandung

PENERBITAN ONLINE AWAL

Paper ini adalah PDF yang diserahkan oleh penulis kepada Program Studi Meteologi sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana. Karena paper ini langsung diunggah setelah diterima, paper ini belum melalui proses peninjauan, penyalinan penyuntingan, penyusunan, atau pengolahan oleh Tim Publikasi Program Studi Meteorologi. Paper versi pendahuluan ini dapat diunduh, didistribusikan, dan dikutip setelah mendapatkan izin dari Tim Publikasi Program Studi Meteorologi, tetapi mohon diperhatikan bahwa akan ada tampilan yang berbeda dan kemungkinan beberapa isi yang berbeda antara versi ini dan versi publikasi akhir.

1

ANALISIS SEISMOTEKTONIK SULAWESI UTARA BERDASARKAN MEKANISME FOKUS

Imam Muslih1,2, Prof. Dr. A. Nanang T. Puspito1, Drs. Joko Wiratmo,MP1

1Institut Teknologi Bandung 2Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika

ABSTRAK Sulawesi Utara memiliki tingkat seismisitas tinggi karena terletak pada zona interaksi antar lempeng Pasifik , lempeng Indo–Australia, lempeng Eurasia, lempeng Philipina, lempeng Sulawesi, lempeng laut Maluku dan patahan-patahan di sekitarnya. Penentuan mekanisme fokus dalam analisis seismotektonik menggunakan sistem SWIFT (Source parameter determination based on Waveform Inversion of Fourier Transformed seismograms) yang menggunakan metode inversi gelombang yang dikembangkan oleh Nakano dkk(2008). Mekanisme fokus menunjukkan sesar naik lebih dominan dari sesar turun atau sesar geser di Sulawesi Utara. Hasil mekanisme fokus oleh sistem SWIFT tidak jauh berbeda dengan hasil Global CMT Journal. Sumbu maksimum kompresi P di subduksi Sulawesi, gaya tekan maksimum berasal dari utara dan di laut Maluku sumbu maksimum kompresi P berasal timur. Kata Kunci: mekanisme fokus, SWIFT, Global CMT Journal, seismotektonik. 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Wilayah Indonesia timur khususnya Sulawesi terletak pada daerah pertemuan lempeng Eurasia, lempeng Pasifik, lempeng Indo-Australia dan lempeng Philipina.Sehingga pada daerah tersebut sering terjadi gempabumi. Sulawesi Utara disebelah timur terdapat zona subduksi yaitu penunjaman lempeng laut Maluku di bawah busur Kepulauan Sulawesi dan dibawah pulau Halmahera. Sedangkan di sebelah utara terdapat palung laut dalam yang disebut palung Minahasa. Palung ini merupakan tempat penukikan lempengan laut Sulawesi ke bawah busur busur Kepulauan Sulawesi Utara. Subduksi ini dapat menimbulkan gempabumi dengan kedalaman dangkal dan menengah di Sulawesi Utara. Jika kedalaman gempanya dangkal dan patahannya

adalah patahan naik, maka akan berpotensi terjadi tsunami. Pola patahan akibat gempabumi dapat diketahui dengan mekanisme fokus. Untuk mengetahui informasi mengenai parameter sumber gempa seperti episenter, magnitudo, mekanisme fokus, telah dikembangkan suatu sistem otomatis untuk menentukan mekanisme fokus secara cepat yang disebut SWIFT. Prinsip dari sistem SWIFT ini adalah menggunakan metoda inversi gelombang (Nakano dkk, 2008). Hasil dari sistem SWIFT di antaranya adalah berupa solusi mekanisme fokus yang dapat digunakan untuk mengetahui jenis patahan yang disebabkan oleh gempabumi untuk menganalisis seismotektonik di Sulawesi Utara. Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah :

2

Menentukan mekanisme fokus gempa dengan menggunakan SWIFT di Sulawesi Utara, menganalisis seismotektonik Sulawesi Utara dengan melihat mekanisme fokus dan membandingkan hasil parameter sumber gempa dari sistem SWIFT dengan hasil Global CMT Journal. 2. DATA DAN METODOLOGI 2.1 Data

Data yang digunakan dalam penentuan mekanisme fokus adalah gempa yang tercatat di Pusat Gempa Nasional Jakarta dengan aplikasi sistem SWIFT. Data gempa yang digunakan adalah gempabumi besar serta susulannya dan gempa-gempa signifikan di sekitar Sulawesi Utara dari bulan Januari 2008 sampai dengan Desember 2011 dengan magnitudo di atas 5. Batas koordinat gempa pada 1⁰ LS dan 4⁰ LU dan antara 122⁰ BT dan 127⁰ BT. 2.2 Metodologi 2.2.1 SWIFT SWIFT (Source parameter determination based on Waveform Inversion of Fourier Transformed seismograms) adalah suatu sistem otomatis yang digunakan untuk menentukan parameter sumber gempa misalnya menentukan mekanisme fokus. Dalam pengukurannya, SWIFT menggunakan data yang diperoleh dari jaringan broad band di Indonesia yaitu JISNET dan data stasiun yang dioperasikan oleh BMKG dan GFZ. Penentuan parameter sumber gempa seperti magnitudo, mekanisme fokus dapat dilakukan dengan sistem SWIFT secara otomatis dengan menggunakan metode inversi yang telah dikembangkan oleh Nakano dkk (2008). Proses Otomatis Sistem SWIFT sebagai berikut:

1. Mengaktifasi sistem SWIFT Untuk informasi sumber gempa seperti origin time, lokasi sumber (lintang, bujur, kedalaman) dan magnitudo dapat diekstrak dari email. Sistem SWIFT dipicu oleh email berita gempa dan inisial lokasi hiposenter. Untuk sistem yang dijalankan di NIED, email peringatan berasal dari GEOFON, sedangkan pada sistem yang dijalankan di BMKG, email peringatannya berasal dari SEISComP. 2. Persiapan data

Data observasi dari jaringan broadband diunduh dari data server JISNET(Japan-Indonesia Seismic Network). Email berita gempa dikirim setelah 5 sampai 10 menit setelah origin time, sedangkan inversi gelombang menggunakan data sampai 8 menit setelah origin time, sistem SWIFT akan menangguhkan prosesnya sampai 10 menit setelah origin time. Data untuk reprocessing dengan menggunakan data 10 menit sebelum dan sesudah origin time, sehingga total data yang diunduh adalah data 20 menit. Untuk data JISNET disimpan dalam format WIN. Jika semua data yang dibutuhkan untuk inversi telah tersedia maka data tersebut kemudian diubah ke SAC(Seismic Analysis Code). 3. Mengecek kualitas data Setiap channel dilakukan pengecekan

kualitas data setelah mengkonversi format data dan reprocessing. Langkah dalam mengecek kualitas data sebagai berikut:

- Jika data ada gap, maka channel tersebut tidak akan digunakan dalam estimasi parameter sumber.

Gambar 3.1 . Tampilan data gaps (Nakano, 2008) -Setiap waveform dilakukan pengecekan rasio S/N. Level sinyal (S) dihitung dari

3

nilai peak to peak pada data 512 detik yang dipakai untuk inversi, sedangkan level noise (N) dievaluasi dari nilai peak to peak selama data 100 detik sebelum waktu inversi. Untuk pengecekan rasio S/N dilakukan pada velocity seismogram dan displacement seismogram yang telah difilter. Data dikatakan berkualitas baik jika rasio S/N lebih besar dari 8 pada seismogram velocity dan lebih besar dari 4 pada seismogram displacement yang telah difilter.

Gambar 3.2 Penentuan rasio S/N pada velocity seismogram dan filtered displacement seismogram (Nakano, 2008)

4. Pemilihan stasiun yang digunakan untuk inversi. Stasiun yang digunakan untuk inversi adalah yang berada pada radius 1500 km dari inisial episenter. Pada umumnya hasil akan semakin berkualitas jika jumlah stasiun dan waveform semakin banyak karena cakupan azimuth sumber gempa akan semakin besar. Namun nilai residu inversi akan besar jika jumlah stasiun banyak yang memiliki rasio S/N rendah. 5. Penentuan parameter sumber berdasarkan inversi gelombang Inversi gelombang untuk penentuan parameter sumber apabila jumlah waveform sudah cukup. Transformasi fourier dari medan displacement yang disebabkan sebuah sumber titik diberikan oleh : ũn(ωk)= ∑ Ğ��

����� (ωk)mi(ωk), k= 1,Nf .. (1)

dimana: ωk : frekuensi angular ũn (ωk), Ğni(ωk) dan mi (ωk) : hasil transformasi fourier dari un(j∆t), Gni(j∆t) dan mi(j∆t). Dimana un(j∆t)

merupakan jejak ke n dari seismogram displacement pada saat j∆t, mi(j∆t) adalah basis ke i dari moment function tensor.Gni(j∆t) menunjukkan derivatif spasial sesuai dengan Green’s function. Persamaan (1) dapat dituliskan dalam bentuk matrik sebagai berikut:

d(ωk) = Ğ(ωk) m(ωk) ……….. (2) dimensi kernel data matrik pada persamaan (2) adalah Nt x Nm dimana lebih kecil dibandingkan dimensi pada domain waktu yaitu NtNs x NmNs. Penyelesaian matrik pada domain frekuensi jauh lebih singkat dibandingkan penyelesaian matrik besar tunggal pada domain waktu. Metode inversi yang dikembangkan Nakano dkk (2008), diasumsikan sebagai mekanisme fokus double couple murni. Asumsi dari double couple murni m(ωk) dapat diuraikan ke dalam moment function dan momen tensor sebagai persamaan berikut : m(ωk)=m(ωk)mDC(ф,δ,λ)………….. (3) dimana, m(ωk) adalah komponen frekuensi dari moment function skalar untuk asumsi mekanisme double couple. ф, δ dan λ adalah strike, dip dan rake. ��ф, δ, λ) merepresentasikan moment tensor sesuai dengan mekanisme double couple dimana komponen-komponennya adalah ( Aki & Richards, 2002) : � � - (sinδ cosλ sin2ф+sin2δ sin λ sin2ф),

��� � sin δ cos λ sin 2ф - sin 2δ sin λ cos2ф,

��� � sin 2δ sin λ,

� � � ��

= sin δ cos λ sin 2ф + ½ sin 2δ sin λ sin2ф, � � � ��

= -(cos δ cos λ cos ф + cos 2δ sin λ sin ф), ��� � ���

= -(cos δ cos λ sin ф - cos 2δ sin λ sin ф) ……………………………………………....… (4)

Dalam memperkirakan lokasi sumber, dimulai dengan jarak horisontal 1⁰ yang berpusat pada inisial sumber. Pada langkah akhir, jarak grid dikurangi 0.5⁰ dan 0.2⁰ . Grid terdiri dari 5x5 poin node pada arah horisontal.

4

Gambar 3.3 Ilustrasi mengenai proses pencarian grid spasing horizontal (Nakano, 2008) 6. Rekonstruksi moment function Untuk merekonstruksi moment function menggunakan metode yang dikembangkan Nakano dkk (2008). Moment function pada domain waktu diperoleh dengan melakukan IFT hasil inversi pada domain frekuensi.

Gambar 3.4 Model ramp dari durasi rupture (Nakano, 2008)

���������� ����� ……………… (5)

dimana: ����� : Fungsi momen yang diperoleh dari proses inversi. �����: Fungsi momen pada domain waktu

Email dari sistem seiscom P Sistem SWIFT teraktifasi

Cek kualitas data Inisial lokasi sumber gempaOrigin time dan magnitudo

-Data tidak ada gap?-S/N ratio ≥ 8 utk velocity

Seismogram-S/N ratio ≥ 4 utk filteredDisplacement Seismogram-Tidak ada data off scale

Data tidak digunakan

Pemilihan stasiun & waveform pada radius 1000 km dari inisial sumber

Jumlah stasiun ≥3Jumlah waveform ≥5

Pemilihan stasiun & waveform pada radius 1500 km

Inversi gelombangJumlah stasiun ≥3

Jumlah waveform ≥5

Grid lokasi sumber Parameter sumber gempa

ResidualKecil?

Hasil ditampilkan pada webserver

Proses berhenti,Tidak cukup data

Diagram Alur

5

3. HASIL DAN ANALISA 3.1Hasil Gempa tanggal 16 November 2008

Gambar 4.1 (a) Lokasi sumber gempa (b) Mekanisme fokus (c) Waveform fitting Gempa tanggal 26 Oktober 2008

Gambar 4.2 (a) Lokasi sumber gempa (b) Mekanisme fokus (c) Waveform fitting Gempa tanggal 13 Juni 2011

Gambar 4.3 (a) Lokasi sumber gempa (b) Mekanisme fokus (c) Waveform fitting

Gambar 4.3 (a) Lokasi sumber gempa (b) Mekanisme fokus (c) Waveform fitting

3.2 Analisa Analisis solusi mekanisme fokus gempa dengan sistem SWIFT dari Januari 2008 sampai dengan Desember 2011, diperoleh beberapa tipe mekanisme fokus gempa di Sulawesi Utara. Adapun peta yang memuat solusi mekanisme fokus di Sulawesi Utara dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 4.5 Solusi mekanisme fokus dengan sistem SWIFT Gambar 4.5 menunjukkan solusi mekanisme fokus dari data BMKG yang dihasilkan sistem SWIFT. Ada tujuh belas solusi mekanisme fokus gempa yang terjadi di sekitar Sulawesi Utara. Gempa tanggal 16 November 2008, jenis pensesaran adalah thrust fault. Pola mekanisme fokus ini, arah strike menunjuk arah timur-barat. Gaya tekan berasal dari arah utara kearah selatan. Hal ini disebabkan adanya pergerakan subduksi lempeng Sulawesi. Solusi mekanisme fokus gempa, stress gempa, dan mekanisme fokus di daerah Sulawesi bagian utara didominasi oleh gempa dangkal dengan mekanisme fokus sesar naik dengan arah strike timur-barat dan sumbu P arah utara-selatan (Puspito,dkk 2000). Gempa tanggal 26 Oktober 2008 dan 8 Juli 2010, merupakan gempa dangkal dengan jenis pensesaran adalah oblique thrust fault. Pola mekanisme fokus ini, arah strike menunjuk arah timur-barat. Gaya tekan berasal dari selatan-utara. Kedua gempa ini akibat adanya pergerakan lempeng Pasifik terhadap subduksi laut Maluku.

6

Gempa tanggal 11 Februari 2009, 22 Februari 2009 dan 16 Maret 2009, merupakan gempa dangkal dengan jenis pensesaran adalah thrust fault. Pola mekanisme fokus dari empat gempa ini, arah strike menunjuk arah utara-selatan. Gaya tekan berasal dari timur-barat. Gempa-gempa dangkal di zona tumbukan laut Maluku (ZTLM) mempunyai mekanisme fokus sesar naik dengan arah strike utara-selatan dan sumbu P arah timur-barat. Untuk gempa tanggal 3 Agustus 2010 dan 11 November 2010, jenis pensesaran adalah thrust fault. Mekanisme fokus gempa ini, arah strike berarah utara-selatan dengan gaya tekan timur barat. Hal ini disebabkan oleh pergerakan lempeng Pasifik, lempeng Indo-Australia terhadap zona tumbukan lempeng Halmahera terhadap lempeng laut Maluku. Kemudian gempa tanggal 13 Juni 2011, jenis pensesaran adalah strike-slip. Mekanisme fokus gempa berarah strike utara-selatan dan gaya tekan timurlaut-baratdaya. Hal ini disebabkan oleh pergerakan lempeng Pasifik, lempeng Philipina dan lempeng Indo-Australia terhadap lempeng Halmahera. Dan gempa tanggal 12 Februari 2011, jenis pensesaran adalah oblique. Mekanisme fokus gempa berarah strike utara-selatan dan gaya tekan dari barat-timur. Hal ini disebabkan oleh pergerakan lempeng Indo-Australia.

Gambar 4.6 Orientasi sumbu kompresi maksimum P yang diperoleh dari data BMKG (Hasil SWIFT). Berdasarkan hasil solusi mekanisme sistem SWIFT yang didapatkan pada daerah sekitar Sulawesi Utara dari tahun

2008 sampai 2011. Gempa di subduksi laut Sulawesi dengan jenis patahan naik memiliki sumbu maksimum kompresi P dari utara. Di bagian selatan Sulawesi, sumbu kompresi maksimum dari selatan dan timur. Sedangkan di laut Maluku sumbu kompresi maksimum dari timur. Untuk melengkapi data mekanisme fokus hasil SWIFT, maka ditambahkan data solusi mekanisme fokus gempa dengan dari Global CMT Journal tahun 1976-2010 .Penyebaran mekanisme fokus gempa-gempa dangkal sebagai berikut: Data yang digunakan dalam penentuan mekanisme fokus adalah gempa yang tercatat di Pusat Gempa Nasional Jakarta dengan aplikasi sistem SWIFT. Data gempa yang digunakan adalah gempabumi besar serta susulannya dan gempa-gempa signifikan di sekitar Sulawesi Utara dari bulan Januari 2008 sampai dengan Desember 2011 dengan magnitudo di atas 5. Batas koordinat gempa pada 1⁰ LS dan 4⁰ LU dan antara 122⁰ BT dan 127⁰ BT.

Gambar 4.7 Solusi Mekanisme fokus data Global CMT Journal tahun 1976-2010. Gambar 4.7 menunjukkan solusi mekanisme fokus yang diperoleh dari Global CMT Journal dengan menggunakan GMT (Generic Map Tool) dari tahun 1976 sampai dengan 2010 pada kedalaman dangkal. Untuk zona subduksi laut Sulawesi, gempa dengan pola mekanisme sesar naik (thrust fault) tampak mendominasi, baik thrust fault murni maupun thrust fault dengan kombinasi strike-slip. Di zona tumbukan

7

lempeng laut Maluku, gempa dengan pola mekanisme thrust fault dan oblique thrust fault tampak mendominasi dibandingkan dengan tipe lain. 4.3 Penampang Melintang

Seismisitas

Pada subduksi laut Sulawesi dengan arah penampang melintang Utara-Selatan. Sedangkan di lempeng Laut Maluku dengan arah penampang melintang Timur-Barat. Penampang melintang seismisitas dan zona penunjaman sebagai berikut: 1. Segmen A-A’ Pada segmen ini terlihat bahwa trend penyebaran hiposenter menunjukkan penunjaman. Penyebaran hiposenter mencapai kurang lebih 260 km dengan arah penunjaman dari utara-selatan.

Gambar 4.7 Penampang melintang seismisitas segmen A-A’(Data Engdahl 1976-2007). 2. Segmen B-B’ Pada segmen ini arah penunjaman tampak jelas dengan trend penyebaran menunjam hingga kedalaman kurang lebih 280 km dengan arah penunjaman tenggara-baratlaut.

Gambar 4.8 Penampang melintang seismisitas segmen B-B’(Data Engdahl 1976-2007).

3. Segmen C-C’ Pada segmen ini arah penunjaman tampak trend penyebaran menunjam hingga kedalaman kurang lebih 170 km dengan arah penunjaman timur-barat.

Gambar 4.9 Penampang melintang seismisitas segmen C-C’(Data Engdahl 1976-2007). Perbandingan Hasil SWIFT dan Global CMT

Gambar 4.9 Solusi mekanisme fokus hasil SWIFT dan Global CMT. 5. KESIMPULAN 1. Berdasarkan solusi mekanisme fokus

maka Sulawesi Utara dominan jenis sesar adalah sesar naik. Zona subduksi di laut Sulawesi menunjam ke selatan dibawah pulau Sulawesi. Sedangkan di bagian timur dan timurlaut Sulawesi Utara, lempeng laut Maluku menunjam ke arah barat busur Sangihe dan ke arah timur busur Halmahera.

2. Pada gempa di zona subduksi laut Sulawesi, sebagian besar jenis pensesaran adalah sesar naik dengan sumbu maksimum kompresi P dari arah utara. Zona di laut Maluku sebagian besar jenis pensesaran adalah sesar naik dengan sumbu maksimum kompresi P timur-barat.

8

3. Sebagian besar mekanisme fokus hasil aplikasi SWIFT tidak jauh berbeda dengan Global CMT.

DAFTAR PUSTAKA Aki, K. & Richads, P.G., 2002. Quantitative Seismology, University Science Books, Sausalita, California. Cronin V., 2004. A Draft Primer on Focal Mechanism Solution for Geologists, Baylor University. Ibrahim, Gunawan dan Subardjo, 2004, Pengetahuan Seismologi, Badan Meteorologi dan Geofisika, Jakarta. Lay T. et. al., 1995, Modern Global Seismology, London : Academic Press United. Lowrie, William, 2007, Fundamental of geophysics second edition, Cambridge University. Nakano, M., Kumagai, H., Chouet, B. & Dawson, P., 2007, Waveform inversion of volcano-seismic signals of an extended source, Geophysic Journal International. Nakano, Masaru et.al,2008, Waveform inversion in the frequency domain for the simultaneous determination of earthquake source mechanism and momen function, Geophysics Journal International. Puspito T.N., Ibrahim, Gunawan, Widiyantoro, Sri, dkk,. 2000, Model Tomografi dan Seismotektonik Zona Tumbukan Laut Maluku. Institut Teknologi Bandung. Pusat Dokumentasi dan Informasi Ilmiah, LIPI. Stein, S. and Wysession, 2003, An introduction to seismology, earthquake and earth structure, Blackwell Publishing Ltd, United Kingdom.