Fisika Batuan [PDF]

Citation preview

1.



Tentang Elastisitas. Saudara siapkan diri dengan melihat kurva elastisitas secara proporsional, dengan lebih fokus pada titik, garis dan area : titik pecah/patah, titik kekuatan maksimum, titik batas elastisitas, daerah hooke.s law. daerah plastis, regangan permanen serta dimana Hukum Hooke Berlaku. Lihat kembali soal UTS dan Softcopy presentasi yang dikirim lewat email kelas.



KURVA HUBUNGAN (σ) DAN STRAIN (ε)



2.



Porositas , Densitas dan Permeabelitas : Coba saudara camkan definisinya, arti fisis dari besaran Physical Properties of Rock (PoP) ini. Terus saudara hubungkan pengaruhnya dengan kecepatan gelombang seismik. Dan kondisi physic, kimiawi dan lingkungan batuan yang mempengaruhinya.



a.



∅=



Porositas didefinisikan sebagai perbandingan antara volome batuan yang tidak terisi oleh padatan terhadap volume batuan secara keseluruhan atau dirumuskan dengan rumus:



( VV TP ) x 100 Dimana: VP = volume total pori VT = volume batuan keseluruhan



b. Densitas batuan dari batuan berpori adalah perbandingan antara berat terhadap volume (rata-rata dari material tersebut). Dirumuskan dengan: � = (m / V)



c.



Dimana: � = Densitas (kg/m3) m = Massa (kg) V= Volume benda (m3) Permeabilitas batuan didefinisikan sebagai kemampuan batuan dalam melewatkan fluida dalam medium pori yang saling berhubungan batuan. Permeabilitas bergantung pada porositas, dimensi dan geometri ruang pori sehingga dapat merupakan sebuah tensor. Permeabilitas dirumuskan dengan:



Dimana :



U = volume densitas aliran  = viskositas dinamik (dinyatakan dalam sentipoise) K = permeabilitas batuan (darcy) Δp= gradient hidrolis dalam atm per cm Hubungan porositas dan densitas: Semakin tinggi porositas, maka densitasnya semakin kecil dan sebaliknya. Hubungan porositas dan permeabilitas: Semakin besar porositas, maka permeabilitas suatu benda semakin besar begitupula sebaliknya. Hubungan densitas dan permeabilitas: Semakin besar densitas maka permeabilitasnya semakin kecil begitupula sebaliknya. Hubungan porositas dengan kecepatan gelombang seismik: Semakin tinggi kecepatan gelombang seismik berarti porositasnya semakin rendah => densitas tinggi begitupula sebaliknya. Selain itu, faktor lain yang mempengaruhi juga berasal dari batuannya, seperti jenis batuan, modulus elastisitas, dan sifat fisis batuan lainnya. 3



Gelombang Seismik. Camkanlah Hubungan spesifik antar kecepatan gelombang yang sering dijadikan acuan dalam memprediksi gempabumi. Dikaitkan dengan rentang dan perubahan Posson Ratio, bagaimana rentang Rasio Vs/Vp. Saudara lihat kembali Soal Remedial UTS,



Kejadian Gempabumi memiliki kaitan dengan perubahan perbandingan kecepatan gelombang P (Vp) dan gelombang S (Vs) atau Vp/Vs karena jika suatu batuan yang diberi gaya terus menerus akan patah sebelum batuan patah ternyata disekitar fokus patahan mengalami perubahan stress dan strain. Demikian pula pada kejadian gempabumi, lokasi sekitar episenter akan terjadi perubahan stress dan strain yang mengakibatkan lapisan batuan mengalami deformasi dan nilai Poisson Ratio (Stress/Strain) mengalami perubahan, hal ini disebabkan karena terjadi penumpukkan energi sebelum dilepaskan menjadi gelombang seismik. Akibat deformasi lapisan batuan mengalami perubahan nilai konstanta rigiditas, konstanta lame, modulus Bulk dan densitas sehingga harga Vp dan Vs yang merupakan fungsi-fungsi konstansta tersebut juga mengalami perubahan.



Hasil percobaan menunjukkan bahwa rasio vp/vs menurun paling sedikit 10% selama tahap II gempa bumi, dan kemudian meningkat kembali menjadi normal sebelum gempa bumi selama tahap III (Bolt, 1988). Penurunan rasui Vp/Vs disebabkan oleh menurunnya Vp selama tahap II, sedangkan Vs tidak berpengaruh (Mayer, 1977). Selama tahap II, terbentuk retakan-retakan kecil dan air keluar dari batuan sehingga Vp menurun ketika melewati batuan tersebut (Rikitake, 1976). Kemudian air kembali lagi selama tahap III, maka Vp meningkat dan setelah batuan menjadi jenuh oleh air, rasio Vp/Vs kembali menjadi normal (Rikitake, 1976). Penurunan nilai dan kecenderungan kembali kearah normal dari rasio Vp/Vs terlihat dalam satu sampai beberapa bulan sebelum gempabumi.



4



Tolong dapat di mengerti apa itu konstanta slowness dalam perambatan gelombang dalam lapisan batuan, apa kegunaannya, parameter PoP yang berkaitan dengannya. Apa hubungannya dengan persamaan Zopreitt.



(besok saya jelaskan) 5



Jelaskan perbedaan jejak osilasi dari Gelombang P, Gelombang S, Gelombang R, Gelombang L dikaitkan dengan pelapisan batuan dan perambatan masing masing gelombang.



Penggolongan gelombang seismik terbagi 2, yaitu : a. Gel. Badan (body wave) Gelombang badan merupakan gelombang menjalar melalui medium bagian dalam bumi dan biasanya disebut free wave karena dapat menjalar ke segala arah di dalam bumi. Gelombang badan terdiri dari gelombang primer dan gelombang sekunder. 1) Gelombang P Sifat fisisnya: 1. Gelombang yg paling pertama tiba di stasiun dengan keceaptan gelombang 1,4 hingga 6,4 km/s 2. Merupakan Gelombang longitudinal yang perambatannya terdiri dari compressi dan dilatasi 3. Dapat merambat di semua medium baik padat, maupun medium fluida : cair dan gas 4. Gelombang dengan frekuensi tinggi periode rendah



2) Gelombang S Sifat fisisnya : 1. Gelombang yang datang setelah gelombang P 2. Merupakan gelombang transversal 3. Gelombang S menjalar berupa pergerakan yang tranversal dan tegak lurus terhadap arahnya. Terbagi menjadi dua, SH dan SV. SH tegak lurus secara horizontal dan SV tegak lurus secara vertical. 4. Gelombang S hanya dapat merambat pada medium padat, dan tidak bisa merambat pada medium fluida. 5. Kecepatan gelombang S ini mencapai 3-4 km per detik b. Gelombang permukaan (surface wave) Gelombang permukaan merupakan gelombang elastik yang menjalar melalui medium permukaan bumi yang disebut sebagai Tide Waves. Gelombang permukaan terdiri dari :



1) Gelombang Love Sifat fisisnya:  Gelombang yang menjalar di permukaan bumi yang karakteristiknya memiliki pergerakan yang sama dengan dengan gelombang SH, yaitu arah pergerakan partikel medan yang dilewati tegak lurus horizontal terhadap arah perambatan gelombang.  Memerlukan media yang berlapis dalam penjalarannya.  Amplitude gelombang LQ adalah yang terbesar pada permukaan dan mengecil secara eksponensial terhadap kedalaman.  Menjalar sepanjang permukaan bebas dari bumi atau lapisan batas diskontinuitas antara kerak dan mantel bumi.  Terbentuk akibat adanya interferensi gelombang-gelombang pantul gelombang SH pada suatu lapisan dekat bidang batas permukaan bumi.



2) Gelombang Rayleigh Sifat fisisnya :  Gelombang Rayleigh adalah juga gelombang permukaan yang arah pergerakan partikelnya ke belakang (bawah maju atas mundur).  Gelombang R menjalar melalui permukaan media yang homogen.  Dihasilkan oleh interferensi gelombang datang P dan gelombang SV yang sudut datangnya melebihi sudut krisis.  Gelombang yang lintasan gerak partikelnya menyerupai ellips yakni gabungan antara arah rambat gelombang P dan SV sehingga menimbulkan efek gerakan tanah yang sirkuler dan hasilnya tanah akan bergerak naik turun seperti ombak di laut. Bidang ellips ini vertikal dan berimpit dengan arah penjalarannya.  Amplitude gelombang LR adalah yang terbesar pada permukaan dan mengecil secara eksponensial terhadap kedalaman.  Menjalar sepanjang permukaan bebas dari bumi atau lapisan batas diskontinuitas antara kerak dan mantel bumi.



Cat: Gelombang L dan R tidak datang bersama-sama pada suatu stasiun, tetapi gelombang yang mempunyai periode lebih panjang akan datang lebih dahulu. Dengan kata lain gelombang yang berperiode panjang, mempunyai kecepatan yang tinggi. Gelombang seismik jika melewati lapisan batuan akan mengalami tiga macam proses:  Dipantulkan



 



Direfraksikan (bias) Diteruskan pada bidang batas tersebut Hal tersebut berhubungan dengan sudut datang dari gelombang. Selain itu, perbedaan densitas yang nantinya berpengaruh pada kecepatan masing-masing gelombang seperti pada hukum Snellius. 6.



Geolistrik. Camkanlah elektrolit dalam batuan yang mempengaruhi kelistrikan batuan, pembangkit potensial listrik pada batuan. Kegunaan umum geolistrik dikaitkan dengan batuan, Serya PoP apa saja yang mempengaruhi resistivitas. (besok saya jelaskan)



7.



Georadioaktivitas. Jelaskan apa yang dimaksud dengan umur relatif dan umur mutlak batuan dikaitkan dengan metode yang digunakan dalam penentuan umur batuan. Apa kelebihan dan kekurangan masing-masing.



Umur absolut dinyatakan dalam tahun atau juta tahun, sedang umur relatif adalah penempatan suatu stratigrafi relatif terhap zaman-zaman geologi yang didasarkan pada fosilfosil tertentu tanpa ditentukan batas-batasnya secara geokronologi yang dinyatakan dalam skala waktu/satuan waktu dalam tahun. Namun sekarang metode penentuan umur dapat dilakukan berdasarkan radiometrik, dimana batas-batas zaman/periode geologi sekarang ditentukan secara akurat radimetrik dan dinyatakan dalam jutaan tahun. Metode-metode penentuan umur geologi yang sekarang dipakai adalah : 1. Metode penentuan secara relatif (dengan fosil/stratigrafi) 2. Metode penentuan secara radiometric (absolut)



1. Penentuan umur batuan secara relatif : Penentuan umur relatif batuan pada 2 lapisan yang berbeda dalam 1 penampang dapat ditentukan dengan melihat lapisan yang terlebih dahulu diendapkan, yang terendapkan pertama lebih tua umurnya daripada yang terendapkan kemudian. Proses ini berlangsung terus sampai semua lapisan tersusun dalam suatu skala umur relatif yang memperlihatkan urutan kejadiannya. Setiap lapisan memperlihatkan sejarah geologi dari bumi kita. Proses sedimentasi misalnya merupakan suatu bagian dari proses pengendapan. Granit ataupun batuan beku lainnya merupakan gambaran adanya intrusi batuan beku pada kerak bumi. Batuan beku ekstrusif menunjukkan suatu kejadian vulkanisme. Batuan metamorf merupakan akibat terjadinya kenaikan suhu dan tekanan di dalam bumi, yang berasal dari aktivitas tektonik atau instrusi dari gunung berapi. Suatu proses geologi merupakan suatu kejadian alam yang didalamnya termasuk pengendapan deformasi dan instrusi. Umur relatif dari berbagai macam lapisan dapat dipecahkan dengan tiga konsep yang mendasar :



a. Prinsip superposisi Dalam keadaan normal (belum mengalami gangguan), dalam suatu urutan batuan yang diendapkan maka lapisan yang berada paling bawah umurnya paling tua.



b. Hukum cross cutting relation (memotong/diterobos) Batuan yang memotong batuan yang lain berarti lebih muda. Misal antara batuan beku dengan batuan endapan atau antar batuan Beku. Lapisan batuan endapan A dipotong (diterobos) oleh batuan beku B dan batuan beku B diterobos oleh batuan beku C, sehingga urutannya A, B, C. c. Cara dengan hasil fosil Cara ini biasanya pada batuan endapan. Fosil adalah sisa – sisa binatang atau tumbuhan purba yang sudah membatu. Dasar pemikirannya: evolusi. Pada endapan yang terletak dibawah mempunyai fosil yang berbeda dengan endapan yang terletak di atas. Dari fosil – fosil ersebut dapat diketahui evolusi dari binatang maupun tumbuhan. Banyak binatang/tumbuhan yang baru muncul. Dengan mengetahui evolusi binatang / tumbuhan tersebut dapat diketahui endapan yang tua dan yang lebih muda. Tetapi umur yang didapat hanyalah umur kisaran (nisbi).



B. Metode penentuan secara radiometric (absolut) Percobaan – percobaan untuk menentukan umur batuan batuan secara absolut : a. Herodotus ( 450 SM ) Herodotus (450 th sebelum Masehi) menulis bahwa patung Rameles II di Memphis (lembah Sungai Nil) Umurnya lebih dari 3000 Tahun. Patung tersebut sekarang tertimbun ± 10 cm diperlukan satu abad. Proses pengendapan = kecepatan pengendapan. Tetapi akan sulit dan tidak tepat kalau hal tersebut dipergunakan untuk menentukan menentukan umur karena faktor – faktor kecepatan pengendapan disetiap tempat tidak sama, demikian pula faktor waktu terjadinya sekarang dan dahulu tidak sama.



b. Menghitung kadar garam Dianggap bahwa semua garam yang ada dilautan berasal dari daratan yang diangkut melalui sungai - sungai ke laut. Hal ini juga kurang cocok disebabkan karena : - Pengangkutan selama waktu geologi telah mengalami berbagai perubahan yang besar. - Sebagai NaCl telah terikat dalam endapan – endapan yang terbentuk. c. Menghitung proses erosi Misalnya yang dilakukan di air terjun Niagara, dimana setiap tahun batuannya terkikis oleh air sehinga letak air terjun makin ke arah hulu. Hal ini juga tidak dapat diberlakukan secara umum karena tidak selalu sama pengikisan batuan tersebut pada waktu yang sama. Juga batuan yang beraneka, besar penggikisan tidak sama. Batuan keras mestinya lebih tahan dibandingkan dengan batuan yang lunak. d. Cara radioaktif. Asas keradioaktifan, bahwa beberapa unsur tertentu mengalami pemisahan sehingga yang mempunyai berat atom tinggi berubah ke yang mempunyai berat atom kecil dan akhirnya menjadi unsur yang mantap (misalnya timbal). Waktu yang diperlukan dari unsur – unsur radioaktif dapat diketahui sehingga dapat menghitung berdasarkan unsur yang sekarang ada dapat menentukan kapan terbentuknya (menentukan waktu umur mutlak). Penentuan umur dengan radiometri memberikan keuntungan kita dapat menafsirkan umur suatu contoh batuan. Radiometri memberikan keterangan dalam jutaan tahun. Penentuan umur dengan cara radiometri adalah mengamati peluruhan atom-atom yang ada pada suatu batuan. Contohnya isotop dengan nomor atom yang lebih besar, seperti mineral-mineral yang ada pada batuan beku. Suatu atom lama-kelamaan akan mempengaruhi peluruhan atau pengurangan, tapi peluruhan radioaktif adalah reaksi dimana jumlah atom yang terurai dalam suatu waktu t adalah setara atau proporsional dengan jumlah yang ada. Perbandingan ini digunakan untuk menentukan umur batuan. Pada saat atom mengalami peluruhan waktunya tidak dapat diperkirakan tapi pada nomor atom yang lebih besar hal itu mungkin dilakukan dengan perbandingan waktu peluruhan yang dibutuhkan. Radioaktifitas proses statistik yang mengikuti hukum probabilitas, mirip dengan melempar uang logam. Suatu isotop mempunyai sifat yang khas yaitu waktu paruh, ia akan memberikan gambaran statistik dari waktu yang diperlukan untuk peluruhannya. Waktu paruh didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan untuk terurainya setengah dari atom yang semula ada. Perbandingan ini digunakan untuk menentukan umur batuan.



8. Gaya Geser. Modulus elastisitas merupakan sebuah konstanta pembanding, bila dikaitkan dengan perubahan stres dan perubahan dimensi ( panjang, luas, maupun volume ) batuan. Dapatkah saudara memberikan rumusannya, dan menggambarkannya dalam sebuah kurva. Apa arti fisis dari setiap modulus tersebut. Kunci : Modulus Young, Modulus Geser dan Modulus Bulk. (besok lebih jelas)



a.



Modulus Young adalah gradien antara stress dan strain kurva dibawah



b.



Modulus geser



c.



Modulus Bulk