Tugas Seismologi1. Sejarah Singkat perkembangan SeismologiSeismologi adalah ilmu yang relatif muda yang hanya dipelajari secara kuantitatif selama sekitar 100 tahun. Sejarah dimulai pada awal 1800-an dengan teori perambatan gelombang elastis yang dikembangkan oleh Cauchy, Poisson, Stokes, Rayleigh, dan lainnya yang menjelaskan tipe gelombang utama untuk menduga/memperkirakan bahan padat. Gelombang ini termasuk gelombang kompresional dan geser. Gelombang kompresional berjalan lebih cepat daripada gelombang geser dan pertama tiba, mereka sering disebut gelombang primer atau P. Gelombang geser tiba kemudian setelahnya disebut gelombang sekunder atau S. Pada saat itu teori ini mengawali para pengamatan seismik, karena gelombang ini tidak diidentifikasi di Bumi sampai lama kemudian.

Pada tahun 1857 gempa besar melanda dekat Naples. Kemudian, Robert Mallet, seorang insinyur Irlandia tertarik pada gempa bumi dan melakukan perjalanan ke Italia untuk mempelajari kerusakan yang disebabkan oleh gempa tersebut. Dari penelitiaannya, dia menggambarkan bahwa gelombang seismik dari gempa bumi memancarkan jauh dari titik fokus (sekarang disebut hiposenter) dan dapat ditemukan dengan memproyeksikan gelombang ini mundur ke sumbernya. Namun, analisis Mallet cacat karena ia berasumsi bahwa gempa bumi adalah berasal dari ledakan dan hanya menghasilkan gelombang kompresional. Analisis ini didapat dari konsep umum suara. Setelah itu, dia mengembangkan penelitiannya dengan mengukur kecepatan gelombang seismik dengan sumber buatan.

Instrumentasi seismik awal didasarkan pada pendulum teredam, yang tidak dibarengi dengan perekaman waktu, meskipun kadang-kadang waktu timbulnya diukur. Seismograf pertama dengan perekam waktu dibuat pertama di itali oleh Filippo Cecchi pada tahun 1875. Setelah itu, pengembangan dengan keakuratan lebih baik dibangun oleh inggris di jepang dengan desain pendulum horisontal oleh James Ewing yang direkam pada disk yang berputar dari kaca asap. Pengamatan pertama dari gempa bumi yang jauh, atau teleseism, dibuat di Potsdam pada tahun 1889 untuk gempa di Jepang. Pada awal tahun 1897 di Amerika Utara seismograf dipasang di Lick Observatory dekat San Jose di California, perangkat ini kemudian mencatat gempa 1906 San Francisco. Instrumen ini bisa memberikan perkiraan yang akurat dari gerakan tanah hanya untuk waktu singkat pada awal getaran

Pada tahun 1898 E. Wiechert memperkenalkan seismometer pertama dengan redaman viskos, mampu menghasilkan catatan yang berguna untuk seluruh durasi gempa. Kemudian diciptakan seismograf elektromagnetik pertama, di mana pendulum bergerak digunakan untuk menghasilkan arus listrik di koil, dikembangkan pada awal 1900-an, oleh BB Galitzen, yang mendirikan sebuah jaringan stasiun di seluruh Rusia.

Ketersediaan seismogram dari berbagai rentang gempa bumi menyebabkan kemajuan pesat dalam menentukan struktur kecepatan seismik bumi. Kemudian pada tahun 1900 Richard Oldham melaporkan identifikasi gelombang P, S, dan gelombang permukaan pada seismogram, dan kemudian (1906) dia mendeteksi adanya inti bumi dari ketiadaan gelombang P secara langsung dan kedatangan S pada sumber-penerima di luar jarak sekitar 100 o. Pada tahun 1909 Andrija Mohorovicic melaporkan pengamatan menunjukkan adanya diskontinuitas kecepatan yang memisahkan kerak dan mantel.

Survei seismik menggunakan ledakan dan sumber buatan lainnya dikembangkan selama tahun 1920 dan 1930 untuk tujuan prospeksi di daerah penghasil minyak dari Meksiko dan Amerika Serikat. Metode Commonmidpoint (CMP) stacking untuk data seismik refleksi telah dipatenkan pada 1956, yang menyebabkan tingkat kebisingan berkurang dan profil berkualitas tinggi. Metode Vibroseis, juga dikembangkan pada tahun 1950, berlaku pemrosesan signal-processing menjadi data recorded yang menggunakan long-duration, sumber bergetar.

Pada tahun 1923, H. Nakano memperkenalkan teori radiasi seismik dari sumber doublecouple (dua pasang titik kekuatan yang berlawanan). Pada tahun 1928, Kiyoo Wadati membukti bahwa fokus gempa mempunyai kedalaman dibawah 100 km. Pada tahun 1946, sebuah ledakan nuklir bawah laut dekat Bikini Atoll menyebabkan rekaman pertama seismik teperinci dari sebuah bom nuklir.Pada tahun 1961 Jaringan Seismograf standar seluruh dunia (WWSSN) didirikan, yang terdiri dari instrumen yang dikalibrasi dengan kedua seismometer periode panjang dan pendek. Catatan yang diperoleh dari gempa besar Chili Tahun 1960 adalah yang pertama untuk memberikan pengamatan definitif osilasi bebas bumi.

Antara 1969 dan 1972, seismometer ditempatkan di Bulan oleh astronot Apollo, dan gempa bulan pertama dicatat. Selanjutnya, sebuah seismometer ditempatkan di Mars oleh wahana Viking 2 pada tahun 1976 namun terhambat oleh kebisingan angin, dan mungkin hanya satu gempa di Mars diidentifikasi.

Munculnya komputer pada tahun 1960 mengubah sifat seismologi darat, dengan memungkinkan analisis data set yang besar dan permasalahan yang semakin kompleks, dan menyebabkan perhitungan rutin di lokasi gempa. Awal tahun 1976, data dari seismograf global mulai tersedia dalam bentuk digital, hal ini sangat memfasilitasi perbandingan gelombang kuantitatif. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak stasiun seismik global telah ditingkatkan ke broadband, seismometer dengan dinamis tinggi, dan instrumen baru telah dikerahkan untuk mengisi kesenjangan dalam cakupan global. Sejumlah besar instrumen portabel juga tersedia untuk eksperimen khusus di daerah tertentu. Catatan seismik sekarang jauh lebih mudah untuk didapatkan, dengan arsip terpusat menyediakan akses data online dalam format standar.

2. Teori Seismik dan ElastisitasApabila benda padat dalam keadaaan setimbang kemudian dipengaruhi gaya yang berusaha menarik, menggeser, atau menekannya maka bentuk benda tersebut akan berubah (terdeformasi). Namun bila benda kembali ke bentuknya semula saat gaya-gaya dihilangkan maka benda tersebut dikatakan elastik. Hubungan antara gaya dan deformasinya dapat dijelaskan dengan menggunakan konsep tegangan (stress), regangan (strain), hukum Hooke dan konstanta elastiknya.

a. TeganganTegangan (stress) didefenisikan sebagai gaya persatuan luas. Apabila gaya yang bekerja tegak lurus terhadap permukaan, maka stress yang demikian dikatakan tegangan normal (normal stress). Sedangkan gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan dikatakan sebagai tegangan geser (shearing stress). Untuk gaya yang bekerja dalam arah yang tidak sejajar dan tidak tegak lurus pada permukaan, tegangannya dapat diuraikan ke dalam komponen normal dan komponen geser.Jika kita meninjau sebuah elemen kecil volume dimana tegangannya berada pada dua permukaan yang tegak lurus terhadap sumbu x, maka komponen-komponen tegangannya ditunjukkan seperti pada gambar A. Tegangan normal ditunjukkan oleh xx, sedangkan tegangan geser ditunjukkan oleh yx dan zx. Jika benda berada dalam kesetimbangan statis, gaya-gaya yang bekerja padanya harus setimbang. Ini berarti bahwa ketiga tegangan yakni: xx, yx dan zx bekerja pada bidang OABC haruslah sama dan berlawanan dengan hubungan tegangan yang ditunjukkan pada bidang DEFG. b. ReganganGaya-gaya yang dikerjakan pada suatu benda berusaha meregangkan benda tersebut. Perubahan fraksional suatu benda elastik baik bentuk maupun dimensinya dinamakan dengan regangan (strain). Analisis kuantitatif dua dimensi (2D) regangan dapat diilustrasikan seperti pada gambar B. Pada gambar tersebut kita dapat melihat perubahan posisi koordinat PQRS menjadi PQRS. Pada saat titik P berubah menjadi P, PP mempunyai komponen u dan v. Kita misalkan u= u(x,y) dan v= v(x,y), maka:

Dalam bentuk tiga dimensi, komponen perpindahan titik P (x, y dan z) ditulis dengan (u, v dan w), sehingga Regangan normal adalah: (a.1), Regangan geser adalah: (a.2), sedangkan komponen regangan pada benda yang mengalami perpindahan secara rotasional adalah: (a.3). Perubahan dimensi yang disebabkan oleh strain normal akan mengakibatkan perubahan volume. Perubahan volume per satuan volume disebut dilatasi (dilatation) dan diberi simbol , dengan: (a.4)

c. Hukum HookeHukum Hooke merumuskan hubungan antara tegangan dan regangan. Hooke mengemukakan bahwa jika tegangan bekerja pada sebuah benda dan menimbulkan regangan cukup kecil, maka terdapat hubungan secara linier antara tegangan dan regangan. Tanpa memperhitungkan komponen arah atas kedua variabel tersebut, pada medium yang bersifat homogen isotropik Dalam seismologi, medium elastik yang bersifat homogen isotropik didefinisikan sebagai sifat medium dimana tidak terdapat variasi densitas didalam medium sehingga gelombang menjalar dengan kecepatan yang sama dalam medium, Hooke mendefinisikan: (a.5) & (a.6). dan disebut konstanta Lame, dengan menyatakan hambatan regangan geser. Pada harga tegangan tetap () regangan akan menjadi besar bila modulus gesernya kecil, begitu juga sebaliknya.d. Konstanta elastikKonstanta elastik adalah tinjauan hubungan antara tegangan-regangan dan perubahan bentuk benda yang ditimbulkannya. Untuk medium yang homogen isotropik konstanta elastik meliputi modulus Young, modulus Bulk, modulus Rigiditas dan rasio Poisson.Modulus Young (Y)Didefinisikan sebagai besarnya regangan yang ditunjukkan oleh perubahan panjang suatu benda. Semua komponen regangan yang tidak searah sumbu panjang adalah nol. Hal ini disebabkan tegangan hanya terjadi pada arah sumbu panjang tersebut, pada arah yang lain tegangannya nol. Perumusannya adalah: (a.7)Modulus Bulk ()Menyatakan regangan yang dialami oleh suatu benda yang ditunjukkan oleh perubahan volume benda tersebut. Tegangan pada modulus ini didefinisikan sebagai tekanan hidrostatik. Jadi modulus Bulk adalah hubungan antara tegangan dan regangan pada benda yang mengalami tekanan hidrostatik. Bila tekanan hidrostatik Ph= F/A dan regangan volume = V/V, maka modulus Bulk adalah: (a.8)Modulus Rigiditas ()Tekanan terhadap suatu benda dapat menimbulkan regangan berupa pergeseran pada salah satu permukaan bidangnya. Tekanan yang bekerja pada benda ini disebut tekanan geser dan regangannya disebut regangan geser. Perubahan bentuk akibat pergeseran ini tidak disertai perubahan volumenya. Hubungan antara tegangan dan regangan yang menimbulkan pergeseran sederhana ini disebut modulus Rigiditas. Perumusan matematisnya adalah: (a.9)Rasio Poisson ()Rasio Poisson atau poissons ratio adalah ukuran besarnya regangan pada suatu benda berupa kontraksi dalam arah transversal dan peregangan dalam arah longitudinal akibat terkena tekanan. Apabila pernyataan tersebut diterapkan pada silinder dimana arah transversalnya dinyatakan dengan diameter silinder (D) dan arah longitudinal dengan panjang silinder (L), maka rasio Poisson adalah: (a.10)Hubungan antara konstanta elastik pada medium homogen isotropik saling terkait membentuk perumusan sebagaiberikut, yaitu: (a.11). Nilai empiris konstanta-konstanta elastik dalam medium elastik (Muslim, Z., 1996) disajikan pada tabel berikut.

Referensi:Ramalis, T.R. (2001). Gelombang dan Optik. Common Textbook pada Jurdik.Fisika FPMIPA UPI.Telford, W.M., Geldart, L.P dan Sheriff, R.E. (1990). Applied Geophysics. Second Edition. Cambridge University Press. United Kingdom.Shearer, P.M. (1999). Introduction to Seismology. Cambridge University Press. United Kingdom.