Estimation of Rupture Duration and M Values to Identify ...

Jurnal Geofisika (2019) Vo. 17, No. 01 pp. 10-15

Estimation of Rupture Duration and Mwp Values to Identify Tsunami

Generating Earthquakes in Northern Sulawesi

Estimasi Durasi Rupture dan Nilai Mwp untuk Mengidentifikasi Gempa Bumi yang Menghasilkan

Tsunami di Sulawesi Utara

Hiola M. F. H.∗ dan Nasrurroh A.

Program Studi Geofisika, Sekolah Tinggi Meteorologi, Klimatologi, dan Geofisika,Jl. Perhubungan I No.5 Banten, Indonesia, 15221

∗Email: [email protected]

Submit: 14 Agustus 2018; Revised: 28 Juli 2019 ; Accepted: 25 Agustus 2019

Abstract: Sulawesi is an area that has a high potentialfor tsunamis, especially in the North Sulawesi region dueto the presence of a Pundungan Mayu subduction resultingfrom a double collision between the Maluku Sea plate andHalmahera and Sangihe arcs. Analysis of the durationrupture and estimated Mwp has been carried out using theP-wave phase in the North Sulawesi region as one of thetsunami early warning parameters. The data used were tele-seismic body wave (300-900) from three tsunami-generatingearthquakes with magnitudes above 7 (Sulawesi earthquakeNovember 16, 2008, Celebes earthquake February 11, 2009,Molucca earthquake November 15, 2014) taken from theIRIS waveform catalog with 90 stations BHZ componentregistrar. The wave used is the P-PP wave phase (20%-90%) with a high frequency bandpass (1-2 Hz) butterworthfilter. The results of the duration of the rupture obtainedfor the Sulawesi earthquake, Celebes earthquake, Moluccaearthquake respectively 53.72 s, 52.98 s, 52.50 s. Whereasfor Mwp, it has conformity with Mw from the IRIS catalog.So it can be concluded that the tsunami-generating earth-quake in Sulawesi has a duration of rupture greater than 50s which can be categorized as tsunamigenic earthquake (¿50 s) and the use of Mwp can be applied.Keywords: rupture duration, tsunami, Northern Sulawesi,Mwp

Abstrak: Sulawesi merupakan daerah yang sangatberpotensi tsunami terutama pada daerah Sulawesi bagianUtara akibat adanya penunjaman Punggungan Mayu hasiltumbukan ganda antara lempeng Laut Maluku denganbusur Halmahera dan Sangihe. Telah dilakukan analisisdurasi rupture dan estimasi Mwp dengan menggunakanfase P-wave di daerah Sulawesi bagian Utara sebagai salahsatu parameter peringatan dini tsunami. Data yang digu-nakan adalah teleseismik gelombang badan (300-900) daritiga gempa pembangkit tsunami dengan magnitude di atas7 (gempa Sulawesi 16 November 2008, gempa Celebes 11Februari 2009, gempa Molucca 15 November 2014) yang di-ambil dari katalog waveform IRIS dengan 90 stasiun pen-catat komponen BHZ. Gelombang yang digunakan adalah

fase gelombang P-PP (20%-90%) dengan filter butterworthfrekuensi tinggi bandpass (1-2 Hz). Hasil durasi rupture yangdiperoleh untuk gempa Sulawesi, gempa Celebes, gempaMolucca berturut-berturut adalah 53.72 s, 52.98 s, 52.50 s.Sedangkan untuk Mwp memiliki kesesuain dengan Mw darikatalog IRIS. Sehingga dapat disimpulkan gempa bumi pem-bangkit tsunami di Sulawesi memiliki durasi rupture lebihbesar dari 50 s yang dapat dikategorikan sebagai tsunami-genic earthquake (¿ 50 s) dan penggunaan Mwp dapat dit-erapkan.Kata kunci: durasi rupture, Sulawesi bagian Utara,tsunami, Mwp

1 PENDAHULUAN

Sulawesi Utara merupakan salah satu wilayah Indonesiadengan tingkat ancaman bencana alam tsunami yang cukuptinggi. Tsunami dapat disebabkan oleh beberapa faktorbaik eksternal seperti jatuhnya meteor di laut ataupun fak-tor internal seperti longsoran namun umumnya tsunamidi Indonesia disebabkan oleh aktivitas seismik yaitu gem-pabumi bawah laut dengan magnitude lebih besar dari 7dengan kedalaman kurang dari 100 km dan deformasi naikatau turun(BMKG, 2012). Tsunami salah satu bencanaalam yang berbahaya karena dapat menyebabkan kerusakanerosi dan korban jiwa pada kawasan pesisir pantai dankepulauan. Salah satu bencana tsunami sangat merusakadalah Tsunami Aceh yang menewaskan ratusan ribu orangdan mengakibatkan kerusakan parah di wilayah terdampakkhususnya di wilayah Aceh, atau tsunami mentawai padatahun 2010 yang mengakibatkan ratusan korban jiwa. Makadiperlukan parameter-parameter sebagai bahan pertimban-gan pengambilan keputusan apakah terjadi tsunami atautidak dalam waktu cepat agar parameter gempabumi dapatdisampaikan sedini mungkin termasuk apabila ada potensiterjadi tsunami sehingga waktu untuk evakuasi masyarakatke tempat aman lebih lama. Waktu ini dikenal dengan sebu-tan golden time tsunami(Pribadi, dkk., 2013). Parametertersebut diantaranya adalah durasi rupture dan Mwp.

c© 2019 Himpunan Ahli Geofisika Indonesia

Estimation of Rupture Duration and Mwp Values 11

Gambar 1. nocaption

Durasi rupture memiliki korelasi langsung dengan pan-jang rupture (Khoiridah dan Utama 2016) dimana pan-jang rupture (L) adalah parameter yang paling berpengaruhpada kejadian gempabumi (Madlazim, 2011) sehingga da-pat menggambarkan ukuran kekuatan gempa yang menye-babkan tsunami. Selain durasi rupture, Mwp juga dapat di-gunakan untuk parameter dini tsunami karena metode yangdigunakan lebih cepat dan stabil (Tsuboi dkk., 2000) dimanagempa yang digunakan adalah gempa tele (300-900) (Lo-max dan Michelini, 2011). Kedua parameter tersebut meng-gunakan fase P-wave sehingga tidak membutuhkan waktulama dan mengandung informasi yang komprehensif tentangukuran event gempa dan karakter sumber (Boatwright danChoy, 1986).

Salah satu daerah di indonesia yang rentan mengalamikejadian tsunami adalah Sulawesi khususnya daerah Su-lawesi di bagian Utara yang memiliki aktivitas seismik yangcukup aktif (Cipta, 2009) ditandai dengan banyak sumber-sumber seismik yaitu subduksi Sulawesi Utara(North Su-lawesi Trench/ Minahasa Trench), Sesar Gorontalo, SuluThrust, dan tumbukan ganda laut Maluku (Molluca sea col-lition) (Rahayu dan Keumala, 2015). Penulis menggunakantiga gempabumi pembangkit tsunami (tsunamigenic earth-quake) yaitu gempa Sulawesi 16 November 2008, gempaCelebes 11 Februari 2009, gempa Molucca 15 November2014 yang diambil dari katalog waveform Incorporated Re-search Institutions for Seismology (IRIS) dengan 90 stasiunpencatat komponen BHZ teleseismik (300 -900 ) data gem-pabumi yang digunakan memiliki magnitude gempa diatas7 agar hasil yang didapatkan jelas. Lokasi episenter gem-pabumi ditunjukkan pada Gambar 1.

Penulis menggunakan perangkat lunak Seismic Analy-

Tabel 1. nocaption

sis Code (SAC) pada Ubuntu untuk mengestrak file men-tah dari IRIS dan untuk melakukan berbagai proses pengo-lahan data (menampilkan sinyal serta menghitung energi,Mo,Mwp dan Tdur). Sedangkan untuk visualisasi gambarpenulis menggunakan perangkat lunak GMT pada Ubuntu.Diharapkan tulisan ini dapat dijadikan sebagai referensi pa-rameter tambahan untuk pertimbangan pengambilan kepu-tusan peringatan dini tsunami yang dapat diterapkan diseluruh wilayah Indonesia yang rentan terjadi tsunami se-hingga mitigasi bencana alam tsunami di Indonesia khusus-nya wilayah Sulawesi bagian utara dapat lebih baik.

2 DATA DAN METODOLOGI

2.1 Data

Pada penelitian ini, penulis menggunakan 3 data gempabumi yang memicu terjadinya tsunami di Sulawesi bagianutara. Data tersebut diperoleh dari katalog NOAA (NationalOceanic and Atsmopheric Administrasion). Dalam kurunwaktu 1995 – 2017 hanya terdapat 3 gempa bumi di wilayahSulawesi yang memicu terjadinya tsunami, yaitu gempa Su-lawesi tahun 2008, gempa Celebes tahun 2009 dan gempaMolucca tahun 2014, dengan Mw ≥ 7.0 dan kedalamandibawah 60 km, seperti yang terlihat pada tabel dibawah.

Sinyal gempa yang digunakan dalam proses pengolahandiperoleh dari IRIS (Incorporated Incorporated Research In-stitutions for Seismology . Rekaman data yang digunakanberupa sinyal broadband komponen BHZ gempa teleseismikdengan jarak stasiun ke episenter 30◦ < δ ≤ 90◦. Tujuan-nya adalah untuk menghilangkan efek triplikasi, difraksi,dan percampuran fase gelombang antara yang satu denganyang lain[13]. Terdapat 90 stasiun yang digunakan dalampenelitian ini dengan masing-masing gempa 30 stasiun. Datasinyal diambil dalam format SEED (Standart for the Ex-change of Earthquke Data) yang kemudian dikonversi kedalam format SAC (Seismic Analysis Code) menggunakanprogram RDSEED.

2.2 Metodologi

Data dianalisa untuk menghasilkan beberapa parameter pe-nentuan tsunami, yaitu rupture duration (Tdur), magnitudomomen (Mwp), dan rasio antara energi seismik (E) dan mo-men seismik (Mo).

2.2.1 Rupture Durasion (Tdur)

Lomax dan Michelini (2011) mengemukakan bahwa parame-ter panjang rupture dari suatu gempa bumi merupakan pa-rameter yang paling dominan sebagai penyebab tsunami.Hubungan antara panjang rupture (L) dan rupture duration


12 Hiola dan Nasrurroh (2018)

adalah sebanding. Rupture duration dapat diperoleh melaluipersamaan matematis sebagai berikut (Hara, 2007).

T 3o =

M2oW

K2E(1)

K =1

15πρα5+

1

15πρβ5(2)

W =1

x(1− x)2(3)

dimana To adalah durasi rupture (s), α adalah kecepatangelombang P (5 ∗ 103 m.s−1), β adalah kecepatan gelom-bang S (α/

√3), x adalah fungsi waktu dalam 0.1 - 0.5, W

adalah koefisien, ρ adalah densitas material sumber (2, 6∗103

kg.m−3), E adalah energi seismik dari fase gelombang P-PP(N.m), K adalah densitas material gelombang P dan S.

Prosedur pengolahan Tdur melalui beberapa tahap se-bagai berikut:

• Menyediakan seismogram komponen vertikal dalam for-mat SAC sebagai raw data.• Memfilter sinyal menggunakan filter high frequency band-pass Butterworth 1 – 2 Hz untuk mendapatkan seismo-gram rekaman kecepatan pada high frequency (HF) untukmasing-masing stasiun, yang didapat dari proses FFT.• Mengonversi seismogram HF tersebut menjadi velocity-squared envelopes untuk mendapatkan rms amplitudo dandilakukan normalisasi untuk mendapatkan nilai amplitudopositif maksimum.• Melakukan picking fase gelombang P – PP secara man-ual dan dikoreksi menggunakan Tau-P sebagai nilai Tdur

masing-masing stasiun• Nilai durasi rupture dipeloreh dari nilai rata-rata seluruhstasiun (Tsuboi dkk., 1995).

2.2.2 Rasio Energi Seismik dan Momen Seismik (Mo)

Momen seismik adalah besaran yang dapat menggam-barkan besar energi yang dilepaskan dari suatu gempa bumi.Berdasarkan metode Tsuboi (2000), Mo dapat ditentukansebagai pergeseran komponen vertikal dari gelombang Pyang dapat dirumuskan melalui persamaan berikut.

Mo = |Max( ∫

uz(xr, t)dt)|4πρα

3r

F p(4)

dimana Mo adalah momen seismik, uz(xr, t) adalah nilaipergeseran pada komponen vertikal gelombang P, ρ adalahdensitas, α adalah kecepatan gelombang P sepanjang jalurperambatan, R adalah jarak episenter, F p adalah pola radi-asi.Sedangkan estimasi radisi energi seismik yang menggunakangelombang P dapat diperoleh menggunakan formula sebagaiberikut.

E = (1 + q)4πr2(FP )2

(F gP )2ρα

∫v2(t)dt (5)

Berikut prosedur pengolahan sinyal untuk mendapatkanmomen seismik dan energi seismik :

Gambar 2. Sinyal seismik sebelum cut dan filter lowpass untuk

gempa Sulawesi 16 November 2008, gempa Celebes 11 Februari

2009, gempa Molucca 15 November 2014 pada stasiun KURK

Gambar 3. Sinyal seismik setelah cut dan filter lowpass untuk

gempa Sulawesi 16 November 2008, gempa Celebes 11 Februari2009, gempa Molucca 15 November 2014 pada stasiun KURK

(i) Mengubah sinyal seismogram sensor broadband kom-ponen vertikal yang berupa kecepatan menjadi sinyalpergeseran dengan cara integrasi.

(ii) Melakukan filter low pass menggunakan filter bandpassbutterworth 0.01 – 0.1 Hz berdasarkan hasil FFT. Filterpenting dilakukan untuk memperjelas rekaman sinyaldan menggambarkan frekuensi sinyal seismik (menghi-langkan noise) untuk mempermudah proses picking.

(iii) Melakukan picking gelombang P (10s sebelum waktutiba gelombang P sampai 10s sebelum waktu tibagelombang S untuk mendapatkan gelombang P (Lomaxdkk., 2007)).

(iv) Menghitung nilai Mo menggunakan persamaan (4) dannilai E menggunakan persamaan (5)

Sinyal yang digunakan untuk menghitung nilai Mo dan Etunjukan pada gambar dibawah.



Gambar 4. Rekaman sinyal seismik utuh setiap gempa pada

stasiun KURK

Untuk mendapatkan rasio antara energi dan momen seismikdapat dicari melalui persamaan berikut.

θ = log10

E

Mo(6)

Parameter rasio dapat digunakan sebagai parameter pe-nentuan tsunami. Kebanyakan gempa bumi memiliki nilaiθ ≈ −4.9 sedangkan untuk θ kurang dari -5.9 sampai -6.3ditemukan pada gempa bumi yang menimbulkan tsunami(Weinstein dan Okal, 2005).

2.2.3 Magnitude Momen (Mwp)

Mwp merupakan magnitude momen gelombang P yang di-hitung dari perpindahan komponen vertikal gelombang P.Mwp diperoleh dengan menambahkan 0.2 pada nilai rata-rata dari Mw (magnitude momen) yang dapat dihitungmenggunakan formula sebagai berikut(Tsuboi, 2000).

Mw =logMo − 9.1

1.5(7)

dimana Mw = momen magnitude dan Mo = momen seismik(N.m).Prosedur pengolahan Mwp sama dengan pengolahan Mo

yang kemudian setelah mendapatkan Mo dilanjutkan den-gan perhitungan pada persamaan (7) untuk mendapatkanMw lalu ditambah 0.2 untuk mendapatkan Mwp.

3 HASIL DAN DISKUSI

Data stasiun yang digunakan oleh penulis pada tulisanini telah disaring dengan melihat kualitas rekaman sinyalgempa setiap stasiun yang baik dan menghindari gangguanseperti noise atau gangguan agar didapatkan kualitas hasilyang baik.

Dari hasil pengolahan yang diperoleh didapat parame-ter Mwp dan Tdur serta rasio energi/Mo yang ditunjukkanpada Tabel 1 dibawah.

Hasil pengolahan nilai rupture duration terlama terjadi

Tabel 2. Tabel hasil pengolahan

pada gempa Sulawesi 2008. Hal ini diakibatkan oleh magni-tude yang besar ditandai dengan energi dan momen seismiklebih besar begitupun sebaliknya pada gempa dengan mag-nitude yang lebih kecil, rupture duration yang dihasilkanlebih cepat. Dari ketiga gempa pembangkit tsunami den-gan batas minimum magnitude 7[1], rupture duration yangdihasilkan berkisar diatas 50 s sesuai dengan pernyataanGeist anda Yoshika(1996) serta Lomax and Michellini(2011)bahwa gempa pembangkit tsunami umumnya memiliki rup-ture duration lebih besar dari 50 s.Pengolahan rupture duration cenderung memiliki korelasilinear atau berbanding lurus dengan kekuatan gempa yangdihasilkan dan digambarkan dalam grafik beikut.

Gambar diatas memperlihatkan hasil pengolahan Mwp

ketiga gempa untuk setiap stasiun KURK dimana penulismenggunakan impuls awal gempa.Mwp yang dihasilkan penulis tidak jauh berbeda dari Mw

hasil perhitungan IRIS dan dapat ditarik disimpulkan bahwakedua magnitude Mw dan Mwp memiliki korelasi yang baikterbukti melewati ambang batas magnitude 7 untuk ter-jadinya tsunami di wilayah Indonesia setelah dilakukan pem-bulatan yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Kurva bergerak secara linear dan selisih Mwp dan mag-nitude IRIS hanya berselisih sekitar 0.1 hingga 0.2. Disisilain, magnitude yang dihasilkan dari metode Mwp sangatefektif karena waktu yang dibutuhkan sangat cepat umum-nya kurang dari 50 detik dengan hanya menggunakan impulsawal gelombang P dan telah dapat menggambarkan keku-atan gempa secara utuh.

Perhitungan E diperlukan untuk mendukung pengola-han sebelumnya yaitu Mwp dan rupture duration sebab rup-ture gempa bumi dipengaruhi oleh energi yang dilepaskanoleh sumber gempa bumi tersebut dan diilustrasikan seba-gai momen seismik (Mo) yang mengakibatkan terbentuknyaluas dan slip dari rupture sebagaimana dinyatakan pada per-samaan 2.28 (Madlazim, 2011).

Dari perhitungan rasio energi dan momen seismik diper-oleh bahwa ketiga gempa pembangkit tsunami di Sulawesibagian utara memiliki nilai rasio (θ) ¿ -5 dan semakin besarkekuatan gempa makan energi dan momen seismik gempacenderung semakin besar. Hasil ini membuktikan bahwaketiga gempa tersebut masuk kategori tsunamigenic earth-quake dan didukung dengan penelitian (Sugeng dkk., 2013)yang mengkategorikan tsunamigenic earthquake >> -5.5.

4 KESIMPULAN

Rupture duration dan Mwp dapat menggambarkan kekuatangempa sebenarnya dan efektif untuk mitigasi bencana alamtsunami karena waktu perhitungan yang cepat. Kedua pa-rameter tersebut dapat didukung oleh rasio E/Mo sehinggamemberikan hasil yang lebih akurat dalam pertimbangan


14 Hiola dan Nasrurroh (2018)

Gambar 5. Pengolahan rupture duration gempa Sulawesi 16November 2008, gempa Celebes 11 Februari 2009, gempa Molucca

15 November 2014 pada stasiuun KURKK

Gambar 6. Hubungan Mwp dan rupture duration

Gambar 7. Pengolahan Mwp gempa Sulawesi 16 November 2008,

gempa Celebes 11 Februari 2009, gempa Molucca 15 November2014 pada stasiuun KURK

Gambar 8. Perbandingan magnitude dengan menggunakanmetode Mwp dan hasil Mw IRIS

Gambar 9. Hasil pengolahan energi seismik gempa Sulawesi 16November 2008, gempa Celebes 11 Februari 2009, gempa Molucca15 November 2014 pada stasiun KURK



Gambar 10. Hasil pengolahan momen seismik gempa Sulawesi16 November 2008, gempa Celebes 11 Februari 2009, gempa

Molucca 15 November 2014 pada stasiun KURK

pengambilan keputusan potensi tsunami suatu kejadian seis-mik.

Ucapan Terima Kasih

Terima kasih kepada dosen pembimbing kami terutama ba-pak Sugeng Pribadi selaku dosen pengampuh mata ku-liah untuk menitoring tsunami. Terima kasih untuk kam-pus kami Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Ge-ofisika (STMKG) sebagai tempat menempuh pendidikandan mengembangkan diri bagi penulis. Terima kasih untukteman-teman pendidikan penulis yang telah membantu un-tuk sharing ilmu pengetahuan. Terima kasih untuk Canoni-cal Ltd sebagai develop Ubuntu yang digunakan penulis un-tuk pengolahan data.

DAFTAR PUSTAKA

Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, 2012. Pedo-man Pelayanan Peringatan Dini Tsunami.

Boatwright, J. dan Choy, G., 1986. Teleseismic Estimatesof Energy Radiated by Shallow Earthquake, J. Geophys.Res., 91(B2), pp. 2095-2112.

Cipta, A., 2009. Gempabumi Dan Tsunami Gorontalo, 17Nopember 2008. Bulletin Vulkanologi dan Bencana Ge-ologi, Volume 4 Nomor 1, Januari 2009 : 1-12

Geist, E. dan Yoshioka, S., 1996. Source Parameters Con-trolling the Generation and Propagation of Potential LocalTsunami, Natural Hazards 13: 151177.

Khoiridah, S. dan Utama, W., 2016. Estimasi KarakteristikDurasi Rupture Pada Gempa Pembangkit Tsunami StudiKasus: Gempa Bumi Nias, 28 Maret 2005. Jurnal Geo-saintek. O2 / 03 Tahun 2016 Jurusan Teknik Geomatika,FTSP Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Lomax, A., Michelini, A., dan Piatanesi, A., 2007. AnEnergi-Duration Procedure for Rapid Determination ofEarthquake Magnitude and Tsunamigenic Potential. Geo-phys. J. Int., 170, doi:10.1111/j.1365-246X.2007.03469.x.pp.1195–1209.

Lomax, A. dan Michelini, A., 2011. Tsunami Early Warn-ing using Earthquake Rupture Duration and PWave Dom-inant Period: The Importance of Length and Depth ofFaulting. Geophys. J. Int., 185: 283291. Doi: 10.1111/j.136246X.2010

Madlazim, 2011. Toward Indonesian Early Warning Systemby Using Rapid Rpture Duration Calculation, Journal ofTsunami Society International, Vol.30, Nomer 4.

Pasau, G. dan Tanauma, A.. 2011. Pemodelan SumberGempa Di Wilayah Sulawesi Utara Sebagai Upaya Mit-igasi Bencana Gempa Bumi.

Rahayu, H. P. dan Keumala, S. R., 2015. Holistic Evac-uation Planning for the Improvement of Spatial Plan– A Case Study of Meuraksa Sub-District. SimposiumNasional Mitigasi Bencana Tsunami TDMRC Universi-tas Syiah Kuala didukung oleh USAID (PEER Cycle 3)No.ISSN: 2477-6440.

Pribadi, S., Afnimar, Puspito, N. T., Ibrahim, G., 2013.Characteristics of Earthquake-Generated Tsunamis in In-donesia Based on Source Parameter Analysis. InstitutTeknologi Bandung.

Pribadi, S., Puspito, N. T., Yudistira, T., Afnimar, Ibrahim,G. , Laksono, B. I., dan Adnan, Z., 2014. Identificationof Earthquakes That Generate Tsunamis in Java andNusa Tenggara Using Rupture Duration Analysis. Insti-tut Teknologi Bandung.

Hara, T., 2007. Measurement of The Duration of Highfre-quency Energy Radiation and Its Application To Determi-nation of The Magnitudos of Large Shallow Earthquakes.Earth Planet Space, 59, 2007, pp. 227–231.

Tsuboi, S., Abe, K., Takano, K, dan Yamanaka, Y., 1995.Rapid Determination of Mw from Broadband P Wave-forms. Bull. Seism. Soc. Am., 83, pp. 606-613.

Tsuboi, S., 2000. Application of Mwp to Tsunami Earth-quake. GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL.27, NO. 19, PAGES 3105-3108, OCTOBER 1, 2000.

Weinstein, S.A. dan Okal, E.A., 2005. The Mantle WaveMagnitude Mm and The Slowness Parameter THETA:Five Years of Real-Time Use in The Context of TsunamiWarning. Bull. Seism. Soc. Am., 95, 779–799.


Estimation of Rupture Duration and M Values to Identify ...

Documents