1

AbstrakDipaparkan sebuah metode untuk estimasi

kecepatan gelombang S berdasarkan pada inversi spektrum

Horizontal-to-Vertical (H/V) dari data Mikrotremor 3

komponen. Inversi ini kemudian dikorelasikan dengan data

SPT(Standart Penetration Test) untuk mendapatkan

persamaan empiris Vs yang paling valid. Persamaan ini

disesuaikan dengan kondisi fitur geologi pada daerah tertentu.

Secara teori, dasar dari metode ini adalah penurunan dari

formula spektrum H/V yang kemudian diinversi untuk

mendapatkan estimasi persebaran gelombang S. Gelombang

sebelumnya telah dikethaui pada beberapa titik dari

perhitungan SPT. Data Vs dari perhitungan data SPT dan nilai

spektrum H/V kemudian untuk didapatkan persebaran Vs di

area penelitian. Lokasi dari penelitian ini adalah di Erbaa,

Turki yang secara tektonik dikendalikan oleh North Anatolian

Fault Zone (NAFZ) yang merupakan salah satu sesar aktif di

dunia. Dalam proses inversi, parameter SPT dibutuhkan

dikarenakan kondisi geologi memiliki peranan yang sangat

penting dalam pernurunan formula keceaptan gelombang S.

Hasil dari penelitian ini didapatkan estimasi kecepatan

gelombang S dengan renrang error antara 0,1 hingga 0,2.

Kata Kunci: S-Wave, Inversi H/V, SPT

PENDAHULUAN

urki adalah salah satu negara yang rawan akan dampak

kegempaan. Aktivitas seismisitas di wilayah utara Turki ini

dikontrol oleh sesar aktif North Anatolian Fault Zone (NAFZ).

Diketahui juga bahwa NAFZ merupakan salah satu zona aktif

seismik yang menyebabka banyak kejadian kegempaan dan

kerusakan di daerah Turki, khusunya bagian utara. Melihat

fakta yang ada maka diperlukan langkah tanggap dini untuk

mengurangi dampak kegempaan. Salah satunnya ialah dengan

melakukan mikrozonasi.[2]

Mikrozonasi kegempaan merupakan proses membagi suatu

zona menjadi zona-zona kecil berdasarkan tanggapan

(response) geologi setempat terhadap gempabumi (Cristanty,

2011). Sebagai salah satu bagian penting dari mikrozonasi di

daerah Erbaa, Turki maka dibutuhkan nilai Vs yang

menunjukkan kondisi geologi di area sekitar. Kecepatan

gelombang geser (Vs) merupakan parameter penting yang

dibutuhkan untuk mendeteksi sifat dinamik dari setiap lapisan

tanah yang dapat digunakan untuk mengevaluasi ketebalan,

respon kegempaan, potensi likuifaski, denstias tanah, klasifikasi

dan stratigrafi lapisan serta sttlements (Richart et al, 1970;Seed

and Idriss, 1970;Schnabel et al, 1972;Sykora and Stokoe,

1983;1996;Andrus and Stooke,1997;Will and Silva,

1998;Mayne et al, 1999; Dobry et al, 2000;McGillivray and

Mayne, 2004; Holzer et al, 2005; McGillivray, 2007).[2]

Studi beberapa tahun terkahir menunjukkan banyak

perkembangan dalam melakukan estimasi kecepatan gelombang

geser. Dalam penelitian ini akan dilakukan penggabungan

metode inversi spektrum H/S untuk mengestimasi persebaran

Vs dan perhitungan Vs dari pernurunan rumus SPT pada setiap

kedalaman.[1]

TINJAUAN PUSTAKA

a. Geologi Regional

Lokasi studi dari Erbaa adalah di daerah sekitar basin

yang terbentuk oleh aktivitas teknoik NAFZ. NAFZ

mementang sepanjang 1500 km, aktivitas seismisitas yang

cenderung aktif, strike slipe lateral ke kanan yang

mengakomodasi pergerakan relatif antara Anatolian dan

Lempeng Laut Hitam (Sengor, et al, 1985). Pada tahun 1939

hingga 1967, NAFZ pecah menjadi enam bagian yang

dibebabkan oleh propagasi gempa westward dengan manitudo

lebih dari 7 SR dan menyebabkan lebih dari 900 km area rusak.

[2]

Riwayat gempa yang berefek fatal yang terjadi bagian

timur NAFZ terjadi pada 1939 (8 SR), 1942 (7,2 SR) dan 1943

(7,6 SR) kesemua gempa ini terjadi di TAsoca-Erbaa dan

Cekungan Niksar. Melihat riwayat kebencanaan ini maka

dilakukan studi mikrozonasi dengan melakukan pengeboran di

beberara titik untuk dilakukan analisa Vs (gambar 1).[2]

Profilling S-Wave Velocity dari Inversi

Mikrotremor Spctrum H/V dan Korelasi Data SPT Studi Kasus : Erbaa, Turki

*Cited from:

1. S-Wave Velocity Profilling by Inversion of Microtremor H/V Spectrum

By: Hiroshi Arai, Kohji Tokimastu

Bulletin of the Seismological Society of America, Vol.94, No.1 pp 53-56, February 2004

2. Empirical correlations of shear wave velocity (Vs) and penetration resistance (SPT-N) for different soils in an

earthquake-prone area (Erbaa-Turkey)

By: Muge K. Akin, Steven L Kramer, Tamer Topal

Elsevier, Engineering Geology 119(2011) 1-17

Wahyu Tri S 1*, Lila Yuwana

1

Jurusan Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember,Surabaya, Indonesia1

wahyutri_sutrisno@yahoo.com

T

2

Gambar 3 a. Model Bawah permukaan

b)model sumber mikrotremor

Dari peta lokasi studi (Gambar 1), dilakukan

pengeboran dangkal di 1390m pengeboran yang meliputi 1341

SPT dan 312 sampel UD. Kedalaman Ground Water Level

(GWL) dalam area ini bervariasi antara 1 sampai 19 m.

persebaran titik pengerboran ini seperti pada gambar 2. Dari

hasil pengeboran ini, diambil sampel untuk dilakukan uji Lab

dan uji SPT.[2]

Dari beberapa titik pengeboran tersebut diambil

sampel dan dihitung parameter geosikas untuk dianalisa.

Parameter tersebut juga disesuaikan dengan kondisi geologi

daerah sekitar. Selain itu juga resistivitas pada 24 titik, 23 uji

seismik rerfaksi dankal juga dilakukan. Selain itu juga diambil

30 titik seismic Cone Penetrometer Test (CPT).[2]

b. Perhitungan Empiris Kecepatan Gelombang Geser

(Vs)

Koralasi antara SPT dan Vs sebelumnya telah

diusulkn untuk beberapa lapisnan yang berbeda. Sa;ah satu dari

perhitungan SPT-N berdasarkan pada korelasi Vs untuk semua

lapisan di sumur BH-2. Perhitungan CPT, ressitivitas dan

refraksi juga dilakukan untuk mendukung data geologi. Dari

perhitungan ini kemudian dikethaui kondisi geologi bawah

permukaan. Setelah semuia data dikorelasi, kemudian

dilakukan penyesuain penurunan rumus Vs seperti pada tabel

1[2].

c. Spektrum H/V

Dalam melakukan analisa spektrum H/V pertama

dilakukan pemodelan bawah permukaan. Dalam penelitian ini

model bawah permukaan untuk beberapa lapisan pada gambar

3 yang dimana teroi spektrum H/V diterapkan. Lapisan tanah

diasumsikan berupa semi-infinite media yang teridir dari N

parallel, solid, homogeny dan isotropis. Setiap layer

dikarakterisasi H, densitas Kecepatna gelombang kompresi

(Vp) dan kecepatan gelombang S (Vs). Juga diasumsikan

bahwa tranformasi fourier-time untuk point vertikal dan

horizontal memiliki frekuensi angular ,Lv (dan LH (

Meskipun gelombang permukaan dan gelombang body

didapat dari setiap sumebr dan propagasiya pada setiap

medium, attenuasi dari gelombang body lebih besar dari pada

gelombang permukaan. Gelombang Rayleigh dan gelombang

Love lebih mendominasi pada jarak satu wavelenght dari

sumber (gambar 3b). Keduanya secara horizontal dan vertikal

dapat diekspresikan seperti persamaan berikut ini.[1]

Dengan A adalah faktor respon medium.

Dari persamaan 1-2 dan beberapa persamaan pendukung,

kemudna diasumsikan indepndent statistik dalam loading fase

dari sumber, integrasi dari setiap persamaan untuk point source

model gelombang Rayleigh dan Love, power spektrum pada

vertikal dan horizontal dari semua gelombang yang diobservasi

pada frekuensi awal adalah:

Gambar 1. Peta Geologi dan Tektonik

Daerah Sekitar

Gambar 2. Distribusi titip pengeboran di

lokasi studi

3

d. Inversi Mikrotremor Spektrum H/V

Inversi dilakukan dengan suatu penjabaran matematis

untuk memperoleh informasi sistem fisika berdasarkan data

observasi terhadap suatu sistem tersebut (Grandis, 2009).

Sungkono dan Santosa (2011) memaparkan bahwa inversi

digunakan untuk menyediakan kerangka matematika dalam

mentransformasi data pengukuran suatu data ruang model

untuk memperkirakan parameter model.[1]

Grandis (2008) memaparkan bahwa fungsi matematis

kurva HVSR bersifat non-linier, karena fungsi obyektifnya

dapat memiliki nilai minimum lebih dari satu, yang hampir

semua nilai minimum tersebut hanya memiliki sifat minimum

lokal, bukan nilai minimum global yang diharapkan.

Sebagaimana diungkapkan oleh Oliviera et al. (2006) bahwa

amplifikasi atau puncak HVSR dapat lebih dari satu, dan

amplifikasi pada frekuensi tinggi patut untuk dipertimbangkan.

Hal ini karena kurva observasi HVSR pada frekuensi tinggi

terdapat sumbangsih gelombang permukaan, kemudian seperti

dikatakan oleh Ali et al. (2010) dalam artikel Sungkono dan

Santosa (2011) pada frekuensi rendah kondisi cuaca dan angin

dapat mempengaruhi HVSR dan begitu juga noise lingkungan

yang turut berperan dalam mempengaruhi puncak frekuensi.

Dengan cukup banyaknya jumlah parameter yang

mempengaruhi kurva HVSR yaitu Vp,Qp,Qs,h, dan , maka

semakin komplek pula bentuk fungsi obyektifnya. Maka perlu

dilakukan pendekatan global dalam menginversikan kurva

HVSR, salah satunya adalah dengan mengevaluasi secara

sistematik harga fungsi obyektif untuk setiap model pada ruang

model.[1]

Frekuensi spectra adari H/V yang digunakan dalam studi

ini didefinisakn seperi persamaan (7) dengan variabel ,

(H/V)m

Tabel. 1. Perumusan Vs

(7)

4

Dimana PUD() adalah power spektrum fourier untuk vertikal motiona, sedangkan PNS) dan PEW() adalah orthogonal dan horizontal motion.

III. HASIL DAN DISKUSI

a. Perhitungan Inversi Spektrum H/V

Untuk membuktikan kefektifan dari metode ini maka

dilakukan perhitungan invesri spektrum H/V ini di dua lokasi

yang berbeda. Sistem pengukuran yang digunakan adlaah

menggunakan geophone tiga komponen, 16 bit A/D

Converter, low pass filter dan seperangkat komputer.[1]

Perhitungn spektrum H/V diturunkan dari persamaan

(7), dimana hasilnya ditunjukkan pada gembar 4 sebagai fungsi

open circle.

Dalam melakaukan inversi Spektrum H/V pertama

yang dilakukan ialah menghitung kurva disperse gelombang

Reyleigh. Namun kurva disperse ini tidak langsung

diaplikasikan dalam inversi mikrotremor H/V karena kondisi

frekuensi yang tidak sesuai. Maka dari itu dilakukan

pehitungan. [1]

Namun karena persamaan (8) masih berupa bentuk non

linear, dibutuhkan solusi penyelesaian Least-Square. Langkah

pertma ialah dilakuan inisiasi profil tanah, diasumsikan P(0)

.

P(0)

adalah vector yang terdiri dari N-1 hingga N-pj(0)

. Hasil

dari inversi ini adalah kurva misfit dari model lapisan dan

model sumber mikrotremor (gambar 5).[1]

Hasil pemodelan misfit gambar (5) sebelumnya telah

melewati proses standar error evaluasi. Solusi normaliasai error

diberikan oleh persamaan (9).

Dimana

b. Profilling Vs dari Inversi H/V

Profilling Vs bawah permukaan ini dilakukan dengan

mengkomputasikna semua persamaan inversi H/V dan

mirktoremor dalam sebuah software Inversi HVSR. Dalam

profiling ini digunakan model propagasi Monte Carlo. Namun

hasil dari profiling ini adalah gamanbran Vs untuk lokasi

penelitian sekitar. [1]

Berdasarkan pada perioda peak H/V dan sensitifitas

spektrum H/V, maka dilakukan beberapa asumsi yakni antara

lain

(1). Kedalaman setiap titik adalah 3000 m dengan perlapisan

sebanyak 6 lapisan.

(2). Nilai Vs untuk kedalaman 100m didapatkan dari

pengukuran borehole.

Gambar (6) menunjukkan hasil profiling Vs dari inversi

H/S disetiap lapisan. Dalam gambar tersebut hasil inversi Vs

digambarkan pada kedalaman borehole tiap lapisan. Hasil yang

didapatkan memiliki kecenderungan konsisten terhadap hasil

perhitungan Vs borehole. Secara khsusu inversi ini

mengidentifikasi kedalaman yang memiliki beda Vs drastis.

Dengan hasil nilai eror 0.2, profiling Vs hasil inersi H/V ini

memiliki tingkat kevalidan yang tinggi. [1]

Gambar 4. Hasil Vs dari perhitungan

inversi spektrum H/V

(8)

(9)

(10

)

Gambar.5 Kurva Misfit setiap lokasi

5

c. Perhitungan Vs dari data SPT

Dalam perhitungan Vs dari SPT, didapat dari perumusan

simple persamaan (11).

Vs = a.Nb

(11)

Dengan N adalah nilai SPT, a dan b koefisien yang berubah

ubah terhadap setiap jenis lapisan (seperti pada tabel 1). Kerana

kondisi geologi penelitian berupa alluvial, pasir, lempung,

pliocin dan pliocine sand. Makan untuk masing masing lapisan

dan jenis tanah digunakan persmaan berikut ini.

Hasil dari perhitungan ini digambarkan pada gamabr (7)

dengan sampel dua lokasi dan beberapa sumur yang memiliki

fitur geologi berupa alluvial dan dan Pliosin. [2]

IV. KESIMPULAN

1. Berdasarkan pada inversi H/V untuk Vs menunjukkan

banyak kecocokan dengan data mikrotremor.

2. Berdasarkan pada sensitifitas analisi, dapat

diungkapkan bahwa ketebalan lapisan dan kecepatan

gelombang geser (Vs) memiliki efek yang besar

terhadap spektrum H/V

3. Spektrum H/V dapat menggambarkan kondisi Vs di

setiap lapisan.

4. Perhitungan Vs dari nilai SPT menunjukkan hasil yang

cocok dengan uji laboratorium.

5. Kondisi geologi sangt berpengaruh pada pemilihan

formulasi dan tingkat SPT.

UCAPAN TERIMA KASIH

Para penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Lila

Yuwana sebagai pembimbing pengerjaan penelitian ini. Penulis

juga mendedikasikan karya ini untuk keluarga dan untuk civitas

akademika Fisika ITS

DAFTAR PUSTAKA

[1] Arai, Hiroshi. Kohji Tokimatsu. 2004. S-Wave Velocity Profillinf by

Inversion of Microtremor H/V Spectrum. Bulletin of Seismology Society

of America, Vol.94 No.1, pp. 53-63.

[2] Akin, Muge A. Steven L Kramer. Tamer Topal. 2011. Empirical

Correlations of Shear Wave Velocity (Vs) and Penetration Resistance

(SPT-N) For Different Soils in an Earthquake-Prone Area (Erbaa-Turki).

Elsevier, Engineering Geology 119(2011) 1-17

Gambar 6. Hasil Profilling Vs

Gambar 7. Penampang Vs untuk

Aluvial dan Pliocine

6

[3] Nakamura, Y. 1989. A Method for Dynamic Characteristics Estimation

of Subsurface using Microtremors, Proc. of the 82nd SEGJ Cof.,5-8 (in

Japanese).

[4] Richart, R.E. Hall ,J.R, Woods, R.d. 1970. Vibrations of Soils and

Foundations. Prentice-Hall. Englewood Cliffs, N.J. 414 pp.