JURNAL SAINS POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

1

Abstrak— Sumatera Utara merupakan salah satu zona

tektonik aktif di Indonesia karena memiliki zona sesar

semangko sebagai akibat pertemuan batas lempeng di lepas

pantai pulau Sumatera. Inilah yang menyebabkan Sumatera

utara sering mengalami gempa tektonik dangkal hingga

sedang. Tujuan dari penelitian ini adalah studi spesifik

mengenai struktur kecepatan gelombang gempa 1-D dan

letak hypocenters yang lebih akurat di daerah Sumatera

utara dengan menggunakan metode algoritma genetik. Data

yang digunakan sebanyak 22 event gempa di area sekitar

Sumatera Utara 1° - 4° Lintang Utara dan 98° - 100° Bujur

Timur) yang terjadi pada bulan Januari 2010 – Mei 2010

yang terekam dibeberapa stasiun seismograf setempat (PSI,

TSI, SBSI, TRSI RPSI dll). Model struktur 1-D didapatkan

dengan menganalisa waktu tempuh gelombang P dan S dari

data gempa lokal, yaitu dilakukan dengan picking

menggunakan WinQuake. Kemudian dilakukan inversi

menggunakan software hypoGA untuk mendapatkan nilai

dari 3 lapisan terbaik dibawah permukaan provinsi Sumatra

utara. sehingga didapatkan model struktur 1-D kecepatan

gelombang P dan S serta relokasi gempa di daerah tersebut.

Kata kunci: Model kecepatan 1D, Algoritma Genetik,

HypoGA, Sumatera Utara

I. PENDAHULUAN

ndonesia merupakan daerah pertemuan 3 lempeng tektonik

besar, yaitu meliputi lempeng Indo-Australia, Eurasia dan

lempeng Pasific. Salah satu kasusnya adalah Lempeng

India-Australia yang bertabrakan dengan lempeng Eurasia

dilepas pantai Sumatera, yang menyebabkan seringnya terjadi

gempa bumi disepanjang pulau sumatera dan menjadikan

kawasan ini menjadi daerah aktif gempa bumi.

Dengan melihat tingginya aktifitas kegempaan khususnya

Badan Metereologi Klimatolgi dan Geofisika (BMKG) harus

memiliki data yang memadai dan tepat tentang parameter

hiposenter dari gempa untuk diinformasikan ke masyarakat

luas. Parameter ini biasanya berupa magnitudo (kekuatan

gempa), origin time (waktu terjadinya gempa), episenter

(lokasi gempa), dan kedalaman pusat gempa. Ketelitian

perhitungan parameter gempa sangat tergantung pada model

struktur kecepatan gelombang gempa yang digunakan. Di

Indonesia model yang digunakan untuk menghitung parameter

hiposenter gempa adalah model Jeffrey-Bullen. Model struktur

kecepatan tersebut dibuat dengan asumsi model bola bumi

ideal. Model ini tentu saja tidak sesuai dengan kondisi wilayah

kepulauan Indonesia yang mempunyai tatanan tektonik yang

kompleks karena sangat mungkin menimbulkan kesalahan

dalam perhitungan parameter hiposenter gempa.

Studi tentang model kecepatan 1-D struktur lapisan kerak

bumi ini dikembangan oleh Groot-Hedlin dan Vernon (1998).

Software yang digunakan dalam menganalisa model kecepatan

1D struktur lapisan kerak bumi ini dengan hypoGA yang sudah

terbukti bisa mendapatkan nilai dari 3 lapisan terbaik dari

model kecepatan 1D struktur lapisan kerak bumi dengan baik

oleh Alfonso Emidio de Vasconcelos Lopes dan Marcelo

Assumpcao (2010).

Daerah Sumatera utara merupakan salah satu zona tektonik

aktif di Indonesia karena memiliki zona sesar semangko

sebagai akibat pertemuan batas lempeng di lepas pantai pulau

Sumatera.. Inilah yang menyebabkan Sumatera utara sering

terjadi gempa tektonik dangkal hingga sedang. Sehingga studi

spesifik mengenai struktur kecepatan gelombang gempa 1D

penting dilakukan. Hasil studi ini juga diharapkan dapat

memberikan informasi tambahan untuk penelitian lebih lanjut

mengenai karakteristik struktur dangkal di daerah ini.

II. LOKASI DAN DATA GEMPA BUMI

Dalam penelitian ini daerah yang dijadikan area penelitian

adalah wilayah Pulau Sumatera Indonesia yang dikenal

merupakan kawasan rawan gempa. Penunjaman yang terjadi

disebelah barat pulau sumatera akibat bertabrakan dengan

lempeng Indo-Australia berakibat pulau sumater kaya akan

sesar dan patahan aktif yang setiap saat berpotensi terjadinya

gempa bumi dan tsunami. tepatnya di sekitar provinsi

Sumatera Utara. Area penelitian terletak pada koordinat 1° -

4° Lintang Utara dan 98° - 100° Bujur Timur, Luas daratan

Provinsi Sumatera Utara 71.680 km².

Data yang digunakan adalah hiposenter dari beberapa event

gempa di kawasan provinsi Sumatera Utara Indoensia dari IA

atau Geofon yang dapat didownload secara gratis di

http://webdc.eu/arclink/query?sesskey=45c89bcf pada periode

tanggal 10-01-2010 s.d 31-05-2010. Jumlah gempa sebanyak

sebanyak 22 event dengan kekuatan Magnitude ≥ 4,6. Jaringan

stasiun pencatat yang dipergunakan dalam relokasi gempa-

gempa di wilayah Sumatera utara ini sebanyak 20 buah stasiun

jaringan perekam gempa bumi yang tersebar di sepanjang

Pulau Sumatera. Posisi sumber gempa bumi di kawasan

provinsi Sumatera Utara dan stasiun-stasiun yang ada di

sekitarnya dapat dilihat pada gambar 2.

MODEL INVERSI 1D STRUKTUR LAPISAN KERAK BUMI DENGAN

METODE ALGORITMA GENETIK DI PROVINSI SUMATERA UTARA

INDONESIA

Gigih Wahyu Akbar(1)

, Bagus Jaya Santosa(2)

Jurusan Fisika FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: gigih@physics.its.ac.id (1)

, bjs@physics.its.ac.id (2)

I

JURNAL SAINS POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

2

Gambar 1. Peta daerah penelitian (www.geospasial.bnpb.go.id)

Dengan adanya jaringan stasiun yang terdapat di sepanjang

pulau sumatera ini, maka data terkait kondisi kekinian tentang

gempa bumi yang terjadi di daerah tersebut dapat kita peroleh

karena langsung terekam dan tersimpan di stasiun-stasiun

jarngan perekam gempa bumi yang dapat menangkap sinyal

gelombang getaran akibat gempa bumi tergantung pada besar

kecilnya gelombang getaran gempa bumi yang terjadi.

Tabel 1. Daftar lokasi 20 jaringan stasiun perekam gempa bumi dalam

penelitian ini.

Kode Stasiun Letak Stasiun

GSI Gunung Sitoli

BKNI Bangkinang

JMBI Jambi

KCSI Kutacane

KRJI Kerinci

MKBI Muko-muko

MNSI Mandaling Natal

PBSI Pulau Batu

PDSI Padang

PPI Padang Panjang

PPSI Pulau Pagia

PSI Parapat

RGRI Rengat

SBSI Sibolga

SDSI Sungai Dareh

SISI Pulau Saibi

SLSI Sarolangun

TPTI Tapaktuan

TRSI Taruntung

TSI Tuntungan

Gambar 2. Posisi 20 jaringan stasiun perekam gempa bumi di sekitar

sumatera utara.

Data utama yang digunakan pada penelitian ini adalah data

waktu tempuh gelombang P dan gelombang S dari kejadian

gempa bumi yang didapatkan dari hasil filtering dan picking

gelombang P dan gelombang S pada setiap stasiun jaringan

perekam gempa bumi. Dalam masing-masing event gempa

yang telah diperoleh dengan memanfaatkan perangkat lunak

WinQuake proses ini dilakukan dengan seteliti mungkin. Saat

proses filtering dan picking gelombang P dan gelombang S ini

diperlukan ketelitian dan kesabaran karena jumlah data yang

begitu banyak dan tidak semua data dengan mudah

teridentifikasi dimana letak awal waktu tempuh gelombang P

dan waktu tempuh gelombang S. Kebanyakan pada proses

pengolahan data ini menentukan letak posisi gelombang S

yang agak sulit jika dibanding dengan menentukan

gelombangP.

Gambar II. Proses Picking data gelombang P dan gelombang S.

Data parameter gempa yang diperoleh dari hasil

filtering dan picking waktu tempuh gelombang P dan

gelombang S dengan menggunakan perangkat lunak

WinQuake seperti pada contoh Gambar 3 diatas, yaitu:

Waktu tiba gelombang P = 15:12:57,8

Waktu tiba gelombang S = 15:13:09,4

Origin Time = 15:12:42,1

JURNAL SAINS POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

3

Setelah data selesai dirapikan dengan filtering dan picking

untuk mendapatkan waktu tempuh gelombang P dan

gelombang S menggunakan WinQuake, selanjutnya adalah

pengolahan data menggunakan perangkat lunak HypoGA

sebagai aplikasi dari proses Algoritma Genetik untuk

memperoleh nilai lapisan kerak bumi terbaik yang lebih akurat

dan spesifik. Pada proses pengolahan data ini dilakukan pada

system operasi linux. Karena program utama berupa hypoGA

hanya bisa digunakan dengan memanfaatkan system operasi

Linux.

Studi Pendahuluan

1. Studi Literatur

2. Informasi Geotektonik

Penentuan Daerah

Penelitian

Persiapan Data (IA dan Geofon)

Pengolahan Data

Analisa Hasil Pengolahan

Data

Kesimpulan

Selesai

Gambar 4. Diagram alir penelitian

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada analisis awal data menggunakan perangkat lunak

WinQuake digunakan waveform tiga komponen (BHN, BHE

dan BHZ). Dari berbagai fase gelombang getaran gempa bumi

di sekitar area penelitian pada periode januari 2010 sampai

dengan mei 2010 yang terekam pada stasiun-stasiun jaringan

perekam gema bumi didapatkan nilai kecepatan gelombang P

dan gelombang S. kemudian selanjutnya kedua parameter

gelombang tersebut diplot antara waktu tiba dan jarak, dan

hasilnya akan memberikan gambar nilai parameter gelombang

P dan gelombang S yang berbeda. Nilai dari gelombang P dan

gelombang S ini adalah disebut nilai yang sebenarnya. Dari

plot ini didapat bahwa kecepatan rambat gelombang yang

merambat di dalam bumi ternyata dijumpai perubahan

kecepatan pada setiap kedalaman tertentu. Hal ini

membuktikan bahwa, dibawah permukaan area penelitian

tepatnya di Sumatera utara dan sekitarnya mempunyai lapisan

permukaan tanah dengan jenis dan kedalaman yang berbeda-

beda pada setiap lapisannya. Dan tentunya ketika lapisan-

lapisan tersebut dilewati oleh suatu getaran gelombang, maka

akan menghasilkan nilai kecepatan gelombang yang berbeda-

beda karena disesuaikan dengan jenis lapisan dan

kedalamannya.

Tabel 2. Hasil filtering dan picking gelombang P dan S event 2010-02-05

Stasiun Perekam P S

PDSI 4.38,45 4.38,54

BKNI 4.39,24 4.39,44

MNSI 4.38,59 4.39,16

SDSI 4.38,57 4.39,17

RGRI 4.38,14 4.39,00

GSI 4.39,43 4.40,09

TPTI 4.40,08 4.40,58

Setelah parameter seperti yang dijelaskan pada proses

diatas bisa diperoleh, barulah kemudian masuk pada proses

Algoritma Genetik (GA) yang merupakan salah satu metode

stokastik untuk mencari solusi optimal terdekat berdasarkan

hukum alam evolusi Darwin. Dan telah banyak digunakan

sebagai solusi permasalahan non-linier dalam geofisika

termasuk dalam inversi kurva dispersi gelombang permukaan

dan penentuan relokasi hiposenter. Dalam penelitian ini

memanfaatkan program hypoGA sebagai aplikasi dari metode

algoritma genetik.

Langkah pertama dalam prosedur pengolahan data dengan

menggunakan hypoGA adalah dengan menyiapkan file utama

yang dibutuhkan berupa hypo.dat dan station.crd. kedua file

ini adalah input data utama dalam pengolahan data

menggunakan hypoGA disamping file data yang lain didalam

perangkat lunak tersebut seperti hypo_rms.f dan file-file yang

lain. File hypo.dat berisikan event-event gempa bumi dengan

keterangan stasiun jaringan pencatat gempa buminya juga

dengan lenkap. Penulisan format karakter untuk file inipun

tidak boleh sembarangan, harus berdasarkan contoh yang ada

dalam manual booknya. Format karakter penulisan ini

memang harus dilakukan dengan benar karena jika salah maka

proses running data tidak akan bisa berjalan dengan baik.

Gambar 5. Format penulisan karakter untuk station.crd

JURNAL SAINS POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

4

Langkah berikutnya adalah menjalankan program hypoGA

pada system operasi linux. Dalam penelitian ini digunakan

system operasi Opensuse untuk menjalankan program

hypoGA. Pada saat menjalankan proses dalam program

hypoGA, digunakan bebeberapa opsi sebagai berikut:

2 // HYPO71 (Crust dengan dua lapisan seragam)

100 // jumlah generasi.

50 // jumlah model di setiap generasi.

95 // tingkat crossover.

5 // tingkat mutasi.

gi // file name untuk menyimpan informasi generasi.

gm // file name untuk menyimpan informasi model yang

telah di uji.

Pengertian dari langkah-langkah tersebut adalah, sebuah

GA sendiri terdiri dari beberapa populasi, hal ini terinspirasi

dari ilmu biologi (reproduksi,seleksi dan mutasi) yang

kemudian menghasilkan generasi baru yang lebih baik yang

disesuaikan dengan populasi awalnya. Pada proses GA dalam

hypoGA, populasi dipilih secara acak pada data inputan berupa

hypo.dat., sehingga nantinya proses evolusi yang terjadi

cenderung bersifat konvergen untuk semua model terbaik yang

dihasilkan. Populasi dalam penelitian ini dapat didefinisikan

sebagai data awal berupa hypo.dat yang kemudian dipilih

untuk operasi (kawin) crossover, dimana model yang terbaik

yang memiliki probabilitas yang tinggi untuk dipilih sebagai

pasangan. Dalam penelitian ini dimodelkan dengan 100

individu untuk generasi awalnya. Setelah individu yang dipilih

selesai proses, tahapan selanjutnya adalah merupakan operasi

perkawinan crossover dengan probabilitas tertentu (misalnya

95%), dimana bagian dari individu tersebut dikombinasikan

untuk menghasilkan keturunan yang baru. Individu juga dapat

mengalami mutasi dengan probabilitas kecil (misalnya 5%).

Hal ini memastikan bahwa ruang model tertutup dan lebih

seragam, mencegah evolusi populasi dari konvergen menjadi

minimum. Modelyang dihasilkan dari serangkaian proses ini

adalah merupakan model yang terbaik.

Gambar III. Nilai hasil inversi dengan menggunakan program hypoGA

Pada saat inversi hypoGA diaplikasikan, proses running

pengolahan data akan berjalan sekitar 1 sampai 5 menit. Dan

hasilnya akan memperlihatkan Reset test yang berlangsung

dalam proses running pengolahan data, selain itu hasil dari

proses running pengolahan data akan memberikan nilai

kecepatan gelombang P pada 3 struktur lapisan kerak bumi

dengan nilai terbaik. Untuk nilai (Vp/Vs) juga tertera

disamping nilai Z1 yang menunjukkan ketebalan lapisan

teratas kerak bumi di Sumatera utara dan juga Zc yang

merupakan nilai dari ketebalan kerak dalam kilometer.

Study tentang struktur lapisan kerak bumi dengan fungsi

penerima dan dispersi gelombang permukaan ini menunjukkan

nilai lapisan yang bervariasi dibawah permukaan provinsi

sumatera utara. Hasil akhir dari serangkaian proses

pengolahan data dalam penelitian ini dadapatkan nilai rata-rata

beberapa parameter sebagai berikut:

Table 3. nilai rata-rata beberapa parameter dari hasil pengolahan data

Parameter Niali Rata-rata Kedalaman

Vp in the upper crust (V1) 6,2 km/s 00,0-13,15 km

Vp in the lower crust (V2) 7,0 km/s 13,15-46,4 km

Vp in the upper mantel (V3) 8,2 km/s 46,4-…. km

Upper crust tchickness (Z1) 1500 -

Crust thickness (ZC) 3000 -

Vp/Vs 1,74 -

Model inversi 1D struktur lapisan kerak bumi dengan

algoritma genetic (GA) mencari solusi terbaik untuk model

sederhana yang terdiri dari dua lapisan setengah ruang,

mewakili kerak atas dan bawah dan mantel bagian atas.

Masing-masing seperti yang diperlihatkan pada Gambar 7.

selain itu, algoritma genetik ini juga berguna untuk

karakterisasi model referensi 1D untuk digunakan sebagai

model awal untuk VELEST yang merupakan salah satu

program dalam pemodelan struktur lapisan kerak bumi juga.

Focus

Upper Crust

Lower Crust

Upper Mantle

Station

V1

V2

V3

Z1

Zc

Pg

P*

Pn

Moho discontinuity

Gambar 7. Struktur lapisan kerak bumi dengan 3 lapisan terbaik

JURNAL SAINS POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-7

5

Dari serangkaian proses penelitian ini, di provinsi Sumatera

utara diketahui kecepatan rata-rata untuk Vp/Vs nya adalah

sebesar 1,74. Sedangkan parameter upper crust (V1) yang

merupakan lapisan atas kerak bumi dengan nilai rata-rata Vp

adalah 6,2 km/s pada kedalaman 00,0. Lower crust (V2) yang

merupakan lapisan yang lebih rendah dengan nilai rata-rata Vp

adalah 7,0 km/s pada kedalaman 13,15 km. Upper mantle (V3)

yang merupakan lapisan kerak paling bawah dengan nilai rata-

rata Vp adalah 8,2 km/s.

Mendapatkan model kerak rata-rata dengan menggunakan

metode algoritma genetik terbukti sangat berguna. Pada

inversi GA tidak mudah digunakan dengan metode yang lain

seperti metode linierisasi, karena beberapa parameter seperti

ukuran populasi, jumlah generasi, crossover dan tingkat

mutasi perlu di isi sedemikian rupa untuk dapat dilakukan

inversi yang efisien. Keuntungan dari metode GA sendiri

diantaranya adalah analisis dari berbagai model dapat diterima

dan distrubisi dari parameter model memberikan perkiraan

model kompleksitas dalam struktur kerak yang sebenarnya.

Analisis distribusi solusi GA berpotensi dapat

menggungkapkan minimum local yang berbeda yang mingkin

berhubungan dengan fitur struktur lapisan dalam bumi.

Gambar 8. Grafik model struktur 1D kecepatan gelombang P dibawah

permukaan provinsi Sumatera utara Indonesia

Dalam penelitian ini, dibawah permukaan lapisan kerak

bumi di provinsi Sumatera utara teridentifikasi perubahan

kecepatan gelombang pada lapisan upper mantle di kedalaman

46,4 km, dimana lokasi perubahan ini biasanya sering disebut

sebagai bidang diskontinuitas yang dikenal sebagai bidang

diskontinuitas Moho.

Dari berbagai fasa gelombang yang didapat yaitu

gelombang P, gelombang S dan beberapa parameter yang lain.

Dan dilakukan pengolahan data berdasarkan waktu tiba dan

jarak dengan proses pengolahan data menggunakan WinQuake

dan hypoGA akan meberikan gambar yang berbeda. Dari plot

ini di dapat bahwa kecepatan rambat gelombang gempa bumi

dapat dimodelkan dengan bentuk kurva seperti Gambar 8.

Pada saat gelombang merambat didalam bumi ternayata

dijumpai perubahan kecepatan pada setiap kedalaman tertentu.

Pengetahuan tentang perambatan gelombang gempa bumi

membuka pikiran kita bahwa perambatan gelombang gempa

bumi dan berbagai fenomena yang berkaitan dengan cara

untuk memahami struktur dalam bumi. Berbagai pengetahuan

tersebut selanjutnya dapat digunakan untuk kepentingan lain

seperti membaca pola lapisan di bawah permukaan bumi pada

kawasan rawan gempa seperti halnya dalam penelitian ini di

provinsi Sumatera utara sebagai bagian informasi yang

penting untuk disampaikan kepada masyarakat agar mereka

paham tentang potensi bahaya daerah rawan gempa bumi yang

menjadi tempat tinggal kita selama ini.

IV. KESIMPULAN

Pemodelan inversi 1D struktur lapisan kerak bumi dengan

metode algoritma genetik di sumatera utara Indonesia

dilakukan menggunakan perangkat lunak hypoGA yang

bertujuan untuk mngetahui model kecepatan gelombang

dibawah permukaan pulau sumatera utara yang lebih spesifik

serta letak hyposenter yang lebih akurat pada daerah tersebut.

Didapatkan nilai Vp/Vs adalah 1,74. model struktur 1D

kecepatan gelombang P pada 3 lapisan terbaik di bawah

permukaan tanah, yaitu:

Upper Crust (V1) sebesar 4,2 km/detik pada kedalaman

00.0 km.

Lower Crust (V2) sebesar 7.0 km/detik pada kedalaman

13.15 km.

Upper Mantle (V3) sebesar 8.2 km/detik pada

kedalaman 46.4 km. (bidang diskontinuitas Moho).

DAFTAR PUSTAKA

[1] Alfonso Emidio and Marcelo Lopes, 2010, Genetic

Algorithm Inversion of the Average 1D Crustal Structure

Using Local and Regional Earthquakes , Sao Paulo,

Brazil.

[2] Coley,D.A., 1998, An Introduction to Genetic Algorithms

for Scientists and Engineers, World Scientific, 22-26

[3] Puspito. Nanang T., 1996, Struktur Kecepatan Gelombang

Gempa dan Koreksi Stasiun Seismologi di Indonesia, JMS

Vol.1. No.2 Oktober 1996.

[4] Richards P.G, 1990, Theoretical Seismology, course 2,

Departement of Geological Science and Lamont-Doherty

Geological Observatory Columbia University. NewYork:

USA.

[5] Setyowidodo Irwan, 2011, Analisis Seismogram Tiga

Komponen Terhadap Moment Tensor Gempa Bumi di

Manokwari Papua Barat, Jurusan Fisika. Institut

Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

[6] Shearer, PM. 2009. “Introduction to seismology, seconf

edition”.Cambrige University Press.

[7] Wandono dkk, 2004, Struktur 1D Kecepatan Gelombang

P untuk Wilayah Toba dan Sekitarnya, Prosiding PIT

HAGI XXIX Yogjakarta.

[8] Widiyantoro, Sri dkk, 2004, Seismisitas dan Struktur

Kecepatan Gelombang Seismik di Sepanjang Pulau Jawa,

Prosiding PIT HAGI XXIX Yogjakarta.

[9] http://www.webdc.eu

[10] http://www.bmkg.go.id/BMKG_Pusat/Depan.bmkg