63

Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response

and the Depth of Weathering Rock at Institut Teknologi Sumatera

Campus Area

Maria R.P. Sudibyo1)*, Erlangga I. Fattah1), Cahli Suhendi1), Reza Rizki1)

1 Program Studi Teknik Geofisika, Jurusan Teknologi Produksi, Industri, dan Informasi,

Institut Teknologi Sumatera

Diterima 31 Oktober 2019, direvisi 01 Oktober 2019

ABSTRAK

Telah dilakukan pengukuran mikrotremor untuk mendapatkan karakter sedimen lokal (site effect)

dalam merespon getaran gempa, menghitung kedalaman dari lapisan sedimen lapuk, dan mengestimasi

kerentanan seismik di lingkungan Institut Teknologi Sumatera. Area pengukuran seluas 1,5 x 1,5 km2 dibagi

menjadi 11 titik pengukuran dengan durasi antara 45 hingga 45 menit, cukup panjang untuk mengakomodasi

frekuensi natural terendah yang sudah diperkirakan sebelumnya. Untuk mendapatkan parameter site effect

berupa frekuensi natural (f0) dan faktor amplifikasi, data mikrotremor terukur diolah dengan menggunakan

metode Horizontal to Spectral Ratio (HVSR). Hasil pengolahan HVSR menunjukkan adanya dua frekuensi

dominan, f0 yang berkisar pada frekuensi 0,7 hingga 1,31 Hz, dan f1 yang berkisar pada frekuensi 3,88 hingga

8,71 Hz. Dua frekuensi dominan ini dapat diasosiasikan dengan dua lapisan tuff, dimana lapisan yang lebih

dangkal memiliki karakter lunak dan terlapukkan, dengan lapisan tuff padat di bawahnya. Faktor

amplifikasi A0 bervariasi dari 2,5 hingga 9, merupakan batas bawah dari amplifikasi sebenarnya. Kedalaman

dari lapisan tuff lunak diestimasi sedalam 8 hingga 18 m. Sedangkan level kerentanan seismik pada wilayah

kampus Institut Teknologi berkisar antara 7 hingga 65, menunjukkan level kerentanan seismik sedang.

Seluruh parameter site effect yang diperoleh menunjukkan bahwa karakter sedimen lokal di lingkungan

Institut Teknologi Sumatera termasuk rentan terhadap ancaman gempa, dan pembangunan yang sedang

berlangsung diharapkan mempertimbangkan desain mitigasi yang tepat.

Kata kunci: site effect; mikrotremor; HVSR; guncangan tanah

ABSTRACT

A microtremor survey has been done at Institut Teknologi Sumatera to obtain its local site effect, to

calculate the depth of the sedimentary layer, and to estimate its seismic vulnerability. The measurement

was done at 1.5 x 1.5 km2 campus area, deploying 11 points of measurement. The recording of 45 to 60

minutes long for each point has been done to accommodate the lowest possible natural frequency we may

obtain. To characterize the site effects in a local area, the natural frequency and the amplification factors

has been estimated by performing Horizontal-to-Spectral Ratio on the recorded microtremor data. The

HVSR estimation shows that there are two predominant frequency, F0 and F1, ranging from 0.7 to 1.31 Hz

and 3.88 to 8.71 Hz. These two dominant frequencies are associated with two layers of tuff, a soft weathered

laying on a thicker and stiffer tuff rock layer. The amplification factors Ao are varied from 2.5 to 9 and is

considered as the low bound of the real amplification factor. The depth of the soft weathered tuff is estimated

ranging from 8 to 18 m. The seismic vulnerability estimated from this research is ranged from 7 to 65,

implying that the area has mid-level of vulnerability. From all site effect parameters obtained imply that

the area of Institut Teknologi Sumatera is vulnerable towards earthquake hazard. Therefore, the

development of this campus is suggested to thoroughly consider the earthquake mitigation design.

Keywords: site effect; microtremor; HVSR; ground motion

NATURAL B, Vol. 5, No. 2, Oktober 2019

---------------------

*Corresponding author:

E-mail: maria.sudibyo@tg.itera.ac.id

64

Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response and the Depth of Weathering Rock at

Institut Teknologi Sumatera Campus Area

PENDAHULUAN

Dalam upaya mitigasi bencana geologi,

khususnya di daerah tektonik aktif, penting untuk

memperhitungkan tingkat kerentanan seismik

suatu daerah yang rawan bencana gempa. Studi

tentang kerentanan seismik diperlukan untuk

memetakan daerah-daerah mana saja yang lebih

rentan terhadap bencana gempa bumi, sehingga

dapat diambil kebijakan lebih lanjut terkait

desain bangunan dan tata kota untuk membangun

wilayah tahan gempa.

Kerusakan infrastruktur yang disebabkan

oleh gempa bumi adalah hasil dari amplifikasi

gerakan tanah dan kesalahan dalam desain dan

pembangunan gedung. Endapan sedimen lokal

yang memperkuat gerakan horizontal tanah

berpotensi merusak bangunan di atasnya.

Pengaruh geologi lokal ini dikenal sebagai efek

site [1].

Ada beberapa cara untuk mengestimasi

karakter efek site, seperti menganalisis sinyal

gempa yang direkam di daerah tersebut dan

melakukan simulasi numerik. Namun, metode

tersebut mahal dan tidak mudah diterapkan

terutama di daerah dengan tingkat kegempaan

rendah [2]. Cara alternatif yang lebih mudah dan

lebih murah adalah dengan menganalisis sinyal

mikrotremor untuk memperkirakan frekuensi

alami dan faktor amplifikasi dari lapisan sedimen

dengan metode Horizontal to Vertical Spectral

Ratio (HVSR) [3,4]. Kelebihan dari metode

HVSR ini adalah pengukuran dapat dilakukan

tanpa harus menunggu kejadian gempa untuk

mendapatkan data. Konsep dari metode ini

mudah dilakukan dengan hasil yang cukup

akurat.

Institut Teknologi Sumatera adalah

universitas baru yang berlokasi di Kabupaten

Lampung Selatan. Universitas ini masih

mengembangkan infrastrukturnya dengan

membangun laboratorium dan gedung kelas

untuk mendukung kegiatan pendidikan dan

penelitian. Secara geologi, Institut Teknologi

Sumatera terletak pada Formasi Lampung yang

didominasi oleh endapan tuff dari aktivitas

vulkanik pada periode Holosen. Berdasarkan

pemetaan geologi wilayah Tanjung Karang oleh

Mangga et al.[5], material piroklastik tuff

tersebut membentuk lapisan sedimen pada

periode Neogen. Wilayah ini juga terletak pada

zona penunjaman lempeng Indo-Austalia dan

sesar aktif Sumatra, sehingga rawan terhadap

bahaya gempa. Desain bangunan yang tepat

sangat mutlak diperlukan untuk menimalkan

terjadinya resonansi getaran gedung akibat

frekuensi yang sama dengan frekuensi lapisan

tanah di bawahnya.

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui

karakteristik efek site sedimen tuff yang berada

di sekitar area kampus Institut Teknologi

Sumatera. Hasil penelitian berupa estimasi nilai

frekuensi natural, faktor amplifikasi, dan

ketebalan sedimen dapat dijadikan masukan

dalam merancang bangunan tahan gempa.

Gambar 1. Struktur geologi sebuah basin sedimen. Pergerakan tanah secara horizontal pada lapisan sedimen memiliki

simpangan lebih besar dibandingkan pergerakan vertikal. Pada lapisan batuan dasar (basement ground)

simpangan gerakan horizontal sama dengan vertikal (modifikasi dari Nakamura, 1989, 2000)

65 Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response and the Depth of Weathering Rock at

Institut Teknologi Sumatera Campus Area

Gambar 2. Lokasi titik pengukuran mikrotremor (ditandai dengan titik merah) di Institut Teknologi Sumatera

METODE PENELITIAN

Nakamura [4] mendefinisikan bahwa

gelombang mikrotremor terdiri dari gelombang

badan dan gelombang Rayleigh. Jika dimodelkan

perlapisan litologi batuan seperti pada Gambar 1,

maka nilai spectra frekuensi horizontal (𝐻𝑓) dan

vertikal (𝑉𝑓) dapat dituliskan pada persamaan 1

dan 2,

𝐻𝑓 = 𝐴ℎ ∗ 𝐻𝑏 + 𝐻𝑠 (1)

𝑉𝑓 = 𝐴𝑣 ∗ 𝑉𝑏 + 𝑉𝑠 (2)

dimana 𝐴ℎ dan 𝐴𝑣 adalah faktor amplifikasi

horizontal dan vertikal dari gelombang badan.

𝐻𝑏 dan 𝑉𝑏 merepresentasikan spektra frekuensi

horizontal dan vertical pada outcrop batuan

dasar, dan 𝐻𝑠 serta 𝑉𝑠 adalah spektra frekuensi

dari gelombang Rayleigh.

Faktor amplifikasi dari gerakan tanah

horizontal (𝑇ℎ) dan vertikal (𝑇𝑣) merupakan

rasion antara spektra frekuensi lapisan

permukaan dengan batuan dasar (lihat persamaan

3 dan 4). Pada lapisan sedimen permukaan yang

lunak, pergerakan tanah secara horizontal pada

rentang frekuensi tertentu akan teramplifikasi,

sedangkan pergerakan vertikalnya tetap. Jika

pergerakan tanah dipengaruhi oleh gelombang

Rayleigh, maka amplifikas pada permukaan (𝑇ℎ∗)

dapat dituliskan sebagai persamaan 5 [4].

𝑇ℎ =𝐻𝑓

𝐻𝑏

(3)

𝑇𝑣 =𝑉𝑓

𝑉𝑏

(4)

𝑇ℎ∗ =

𝑇ℎ

𝑇𝑣

=

𝐻𝑓

𝑉𝑓

𝐻𝑏

𝑉𝑏

=𝑄𝑇𝑆

𝐻𝑏

𝑉𝑏

=[𝐴ℎ +

𝐻𝑠

𝐻𝑏]

⌊𝐴𝑣 +𝑉𝑠

𝑉𝑏⌋

(5)

dimana,

𝑄𝑇𝑆 =𝐻𝑓

𝑉𝑓

=𝐴ℎ ∗ 𝐻𝑏 + 𝐻𝑠

𝐴𝑣 ∗ 𝑉𝑏 + 𝑉𝑠

=𝐻𝑏

𝐻𝑠

.[𝐴ℎ +

𝐻𝑠

𝐻𝑏]

⌊𝐴𝑣 +𝑉𝑠

𝑉𝑏⌋

(6)

66

Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response and the Depth of Weathering Rock at

Institut Teknologi Sumatera Campus Area

Nakamura [4] menjelaskan bahwa kedalaman dari

lapisan lapuk dapat diestimasi dari relasi antara

frekuensi natural (F0) dan kecepatan gelombang S

(𝐶𝑠), yang dituliskan pada persamaan 7. Estimasi

perhitungan kerentanan seismik (𝐾𝑔) dituliskan

pada persamaan 8.

𝐹0 =𝐶𝑠

4𝐻 (7)

𝐾𝑔 =𝐴𝑔

2

𝐹𝑔

(8)

Dimana 𝐹𝑔 adalah frekuensi natural dan 𝐴𝑔 adalah

faktor amplifikasi pada permukaan.

Akuisisi dan Pengolahan Data. Pengukuran

mikrotremor dilakukan di dalam kampus Institut

Teknologi Sumatera dengan luas area 1,5 x 1,5 km.

Desain akuisisi dilakukan dengan gridding dengan

jarak antar pengukuran sebesar 250 m. Akan tetapi,

beberapa titik pengukuran terlalu dekat dengan

jalan raya, sehingga gangguan transient noise dari

aktivitas manusia menjadi terlalu dominan. Setelah

megeliminasi beberapa titik pengukuran, diperoleh

11 titik yang layak untuk diolah untuk

mendapatkan nilai frekuensi natural dan faktor

amplifikasinya (lihat Gambar 2).

Pengukuran mikrotremor dilakukan dengan

instrument yang memiliki laju pencuplikan 100

Hz dan durasi 45 hingga 60 menit. Panjang durasi

pengukuran telah memenuhi syarat untuk

mendapatkan panjang data yang cukup dengan

asumsi nilai frekuensi terendah yang akan

didapatkan [1].

Pengolahan data untuk mengestimasi nilai

frekuensi natural dan faktor amplifikasi dilakukan

dengan menggunakan open software Geopsy.

Untuk meminimalisir pengaruh transient noise,

metode STA/LTA diterapkan pada rekaman data

dengan perbandingan panjang window 1 s/ 25 s.

Panjang data pada window LTA harus sama

dengan panjang window pada data spektra

frekuensi. Untuk lebih meredam pengaruh

transient noise, amplitudo spektra frekuensi data

dihaluskan dengan mengaplikasikan konstanta

Konno-Ohmachi sebesar 40 [6].

Gambar 3. Rasio spetra frekuensi horizontal terhadap vertikal pada 11 titik pengukuran. Beberapa titik pengukuran

menunjukkan adanya dua puncak frekuensi dominan.

67 Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response and the Depth of Weathering Rock at

Institut Teknologi Sumatera Campus Area

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil dari pengolahan HVSR menunjukkan 7

dari 11 titik pengukuran memiliki dua puncak

frekuensi dominan, F0 dan F1 (lihat Gambar 3). Dua

frekuensi dominan ini dapat diasosiasikan dengan

lapisan sediment permukaan yang dangkal yang

terendapkan di atas batuan yang jauh lebih

kompak. Distribusi F0 cenderung homogen dengan

nilai berkisar dari 0,7 hingga 1,35 Hz. Berbeda

dengan distribusi nilai F1 yang menunjukkan nilai

frekuensi dominan yang lebih tinggi pada area

tengah dan utara. Nilai F1 bervariasi antara 3,8

hingga 8,71 Hz. Distribusi nilai frekuensi natural

ditunjukkan pada Gambar 4.

Nilai faktor amplifikasi A0 berkisar dari 2,5

hingga 9 dengan kecenderungan nilai faktor

amplifikasi yang rendah di bagian tengah seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 5. Meskipun

beberapa riset menunjukkan bahwa nilai faktor

amplifikasi yang didapatkan dari metode HVSR

ini cukup merepresentasikan nilai amplifikasi

yang sesungguhnya [7], beberapa hasil penelitian

menunjukkan bahwa nilai faktor amplifikasi A0

lebih rendah daripada nilai amlifikasi yang diukur

dari data strong motion gempa [8]. Sehingga hasil

estimasi A0 yang diperoleh dari pengukuran

mikrotremor ini dapat diasosiasikan sebagai batas

bawah nilai amplifikasi, di mana nilai amplifikasi

yang sebenarnya dimungkinkan lebih tinggi.

(a) (b)

Gambar 4. Distribusi frekuensi natural F0 (a) dan F1 (b) di lingkungan Institut Teknologi Sumatera.

Gambar 5. Distribusi faktor amplifikasi A0 di lingkungan Institut Teknologi Sumatera

68

Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response and the Depth of Weathering Rock at

Institut Teknologi Sumatera Campus Area

Gambar 6. Variasi kedalaman lapisan tuff lapuk pada area Institut Teknologi Sumatera. Kedalaman berkisar dari 8 hingga

18.5 m

Gambar 7. Variasi nilai kerentanan seismik pada area Institut Teknologi Sumatera.

69 Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response and the Depth of Weathering Rock at

Institut Teknologi Sumatera Campus Area

Berdasarkan data litologi, perlapisan batuan di

Institut Teknologi Sumatera tersusun atas

perlapisan tuff. Lapisan tuff bervariasi dari lapisan

lunak terlapukkan hingga lapisan yang lebih

kompak dan keras. Frekuensi dominan yang

terdiri dari F0 dan F1 dapat diasosiasikan dengan

dua lapisan tuff yang memiliki frekuensi natural

masing-masing: lapisan tuff dangkal yang sudah

terlapukkan, dan lapisan tuff dalam yang jauh

lebih kompak.

Kedalaman lapisan tuff terlapukkan dapat

diestimasi dengan menggunakan nilai frekuensi

natural F1 dan kecepatan gelombang S. Kecepatan

gelombang S didapatkan dari model global Vs30

yang diestimasi oleh USGS untuk wilayah

Lampung Selatan [9,10]. Kecepatan gelombang S

yang diestimasi dari topografi Lampung Selatan

adalah 282,2 m/s [9,10]. Kedalaman lapisan lapuk

tuff di lingkungan Sumatera bervariasi dari 8

hingga 18 m, dipetakan pada Gambar 6.

Hasil estimasi nilai kerentanan seismik (Kg) di

Institut Teknologi Sumatera ditampilkan pada

Gambar 7. Berdasarkan studi nilai Kg gempa

Loma Prietta, daerah yang memiliki nilai

kerentanan seismik pada rentang 20 hngga 100

terdampak kerusakan serius, sedangkan daerah

yang memiliki nilai kerentanan seismik lebih kecil

dari 10 tidak mengalami kerusakan. Nilai

kerentanan seismik terestimasi untuk Institus

Sumatra berada pada rentang nilai 7 hingga 65,

dengan nilai Kg yang tinggi terletak pada daerah

paling selatan dari area Institut. Nilai rata-rata Kg

pada Institut Teknologi Sumatera adalah 16,

sehingga tingkat kerentanan seismik di wilayah ini

termasuk pada level sedang.

KESIMPULAN

Hasil pengukuran mikrotremor di area Institut

Teknologi Sumatera menghasilkan dua nilai

frekuensi dominan, f0 yang berkisar dari 0,7

hingga 1,35 Hz dan f1 yang berkisar dari 3,8

hingga 8,71 Hz. Dua frekuensi dominan tersebut

diasosiasikan denagn dua lapisan batuan tuff,

dengan lapisan tuff atas telah mengalami

pelapukan dan memiliki ketebalan bervariasi dari

8 hingga 18 m. Faktor amplifikasi yang

didapatkan berkisar dari 2,5 hingga 9, dengan area

paling selatan memiliki faktor amplifikasi paling

tinggi. Konstanta kerentanan seismik yang

diperoleh untuk wilayah ini bervariasi dalam

rentang 7 hingga 65. Secara rata-rata, Institut

Teknologi Sumatera memiliki tingkat kerentanan

seismik sedang. Hasil parameter site effect

menunjukkan bahwa area Institut Teknologi

Sumatera termasuk rentan terhadap ancaman

bencana gempa bumi, sehingga dalam proses

pembangunannya diharapkan memperhitungkan

desain mitigasi yang tepat.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada

Institut Teknologi Sumatera yang telah mensuport

penelitian ini melalui Hibah Penelitian Mandiri

ITERA. Penulis juga mengucapkan terima kasih

kepada BMKG yang telah mendukung

pelaksanaan akuisisi pengukuran data.

DAFTAR PUSTAKA

[1] SESAME European Research Project

(2004), Guidelines for the Implementation of

the H/V Spectral Ratio Technique on

Ambient Vibrations: Measuring, Processing,

and Interpretation, European Commision –

Research General Directorate Project.

[2] Panou, A., Hatzidimitriou, K, and C.

Papazachos (2005), Ambient noise

horizontal-to-vertical spectral ratio in site

effects estimation and correlation with

seismic damage distribution in urban

environment: the case of the city Thessaloniki

(Northern Greece). Soil Dynamics and

Earthquake Engineering, 25, 261-274.

[3] Nakamura, Y. (1989), A method for dynamic

characteristics estimation of subsurface

using microtremor on the ground surface,

Report of Railway Technical Research

Institute (RTRI), Vol 30, No. 1.

[4] Nakamura, Y. (2000), Clear identification of

fundamental idea of Nakamura's technique

and its applications, Proceedings of the XII

World Conference Earthquake Engineering.

Paper no 2656

[5] Mangga, A., Amirudiddin, S. Suwarti, T.,

Gafoer, S., and Sidarto (1994). Geology of

Tanjungkarang Quadrangle, Sumatera.

Geological Research and Development

Centre, Bandung, 19pp.

[6] Konno, K., and T. Ohmachi (1998), Ground

motion characteristics estimated from

spectral ratio between horizontal and vertical

70

Microtremor Assessment to Investigate the Local Site Response and the Depth of Weathering Rock at

Institut Teknologi Sumatera Campus Area

components of microtremors, Bull. Seism.

Soc. Am, 228-241.

[7] Lermo, J., and F. Chavez-Garcia (1994), Are

microtremors useful in site response

evaluation? Bull. Seism. Soc. Am, 84, 1350-

1364.

[8] Bonilla, L., Steidl, J., Tumarkin, A., and R.

Archuleta (1997), Site Amplification in the

San Fernando Valley, California: Variability

of Site-Effect Estimation using the S-Wave,

COda, and H/V Methods, Bull. Seism. Soc.

Am, 3, 710-730.

[9] Wald, D.J., and T.I. Allen (2007),

Topographic Slope as a Proxy for Seismic

opographic Slope as a Proxy for Seismic

Site-Conditions (V 30S) Around the Globe

Around the Globe, U.S. Geology Survey,

Virginia.

[10] Allen, T.I., and D.J. Wald (2009), On the Use

of High-Resolution Topographic Data as a

Proxy for Seismic Site Conditions (VS30),

Bull. Seism. Soc. Am,99, 935-943.