Terjadi Likuifaksi Pasca Gempa Palu, Apa Sih Likuifaksi? Ini Dia Detilnya

Kejadian tanah berubah menjadi lumpur seperti cairan kemudian amblas kehilangan kekuatan terjadi  pasca gempa dan tsunami di Sulawesi Tengah, beberapa video yang beredar tampak dalam video fenomena tanah mencair dan bergerak terjadi di Kabupaten Sigi, Sulawesi Tengah dekat perbatasan Palu.

sumber foto : https://www.alagraph.com

Menurut keterangan lewat postingan video Kepala Pusat Data Informasi dan Humas BNPB Sutopo Purwo Nugroho di akun twitter-nya, @Sutopo_PN pada Minggu, (29/9/218).

"Munculnya lumpur dari permukaan tanah yang menyebabkan amblasnya bangunan dan pohon di Kabupaten Sigi dekat perbatasan Palu akibat gempa 7,4 SR adalah fenomena likuifaksi (liquefaction) Likuifaksi adalah tanah berubah menjadi lumpur seperti cairan dan kehilangan kekuatan," tulis Sutopo.

Apa sih yang dimaksud  Likuifaksi (Liquefaction)?  Seperti yang dimuat pada Blog Geomagis dijelaskan :

Definisi Likuifaksi

Inti dari konsep likuifaksi adalah suatu kondisi dimana material lepas (unconsolidated) berubah karena proses liquified (berasal dari bahasa Inggris yang secara harafiah berarti peluluhan/pencairan), yakni transformasi material berbutir dari kondisi solid menjadi cair sebagai akibat dari peningkatan tekanan air pada pori-pori material (Youd, 1973). Konsep ini kemudian berkembang meliputi berbagai manifestasi dari likuifaksi mulai dari deformasi akibat induksi yang terjadi pada endapan-endapan sungai dan semi-perairan dangkal pada umumnya dan aplikasi kriteria dalam menetapkan asal muasal gempa.

Likuifaksi lebih mungkin terjadi pada soil/liotologi tersaturasi air yang belum terkonsolidasi dengan porositas yang rendah, seperti lempung pasiran atau pasir dan kerikil halus. Selama gempa bumi terjadi lapisan pasir yang belum terkonsolidasi akan cenderung mengalami penyusutan volume. Pada waktu yang sama terjadi peningkatan tekanan air pada pori-pori batuan dan menyebabkan penurunan pada kekuatan geser batuan tersebut, yakni pengurangan pada efffective stress.

gambar 1. Kondisi fisik material sedimen lepasan, antara yang tersaturasi air dan yang mengalami likuifaksi (anonim)

Menemukan fitur yang disebabkan oleh paleolikuifaksi tidak selalu mudah, karena proses pengendapan yang terus terjadi kemungkinan akan menutup kenampakan tersebut. Dengan demikian jejak likuifaksi hanya akan teramati pada singkapan-singkapan alami seperti pinggir sungai yang tererosi, atau pada lokasi ekskavasi buatan. Metode geofisika seperti resitiviti, induksi elektromagnetik dan radar penembus tanah yang (ground-penetrating radar) yang dianggap cukup baik untuk menemukan posisi struktur likuifaksi di bawah permukaan.

gambar 2. Hubungan antara ukuran butir "vs" volume material berukuran halus dalam kerentanannya terhadap likuifaksi (Tsuchida dan Hayashi, 1971)

Kekuatan getaran pemicu gempa kuat terjadi saat percepatan horizontal (horizontal acceleration) berada pada urutan 0,1g untuk gempa bumi yang kuat, bahkan pada sedimen sangat rentan terhadap getaran (Ishihara dalam McCalpin, 2002:499). Data dari seluruh dunia mengenai sejarah kegempaan menunjukkan bahwa likuifaksi dapat terbentuk pada magintud gempa paling rendah sekitar 5 Mw. Namun, secara umum gempa berkekuatan 5,5-6 Mw merupakan batas terendah terbentuknya likuifaksi (Ambraseys, 1988).

Magnitude gempa atau disingkat Mw, adalah istilah yang digunakan baik untuk menyatakan moment magnitude atau magnitude gelombang permukaan. Tingkat kekuatan getaran gempa bumi magnitud (Mw) bergantung pada kondisi tektonik tertentu. Contohnya: tingkat getaran dari gempa bumi akibat pergerakan subduksi umumnya lebih rendah dibandingkan dengan getaran yang disebabkan oleh pergerakan kerak bumi. Hal ini disebabkan karena perbedaan kekuatan pada komposisi litologi pada zona-zona rapuh dan jarak dari sumber gempa. Durasi getaran gempa bumi juga nampak secara signifikan. Gempa bumi akibat akibat subduksi umunya berdurasi sedikit lebih lama dari gempa akibat pergerakan kerak bumi lainnya).

Penyebab dan proses terbentuknya Likuifaksi

Kondisi  yang terjadi selama proses terbentuknya likuifaksi dinyatakan ke dalam rumus keteknikan berikut ini:

Modulus geser pasir menurun bersamaan dengan turunnya tegangan efektif. Kekuatan geser  pasir  menurun dengan  (tegangan efektif) tan  φ. Dengan begitu tanah berpasir menjadi melunak (mencair). Pada kasus yang ekstrim, tegangan efektif menjadi nol. Tegangan efektif adalah ketika terjadi adanya gaya kontak antar butiran pasir. Tegangan efektif nol menyatakan tidak adanya gaya kontak tersebut. Sehingga butiran pasir benar-benar mengapung bebas dalam air. Sehingga pasirpun menjadi seperti mencair. Oleh karenanya, ketika hal itu terjadi maka tanah tersebut tidak mampu menoppang beban diatasnya dan menyebabkan amblasnya bangunan, miring ataupun longsor.

Yoshimi dan Tokimatsu (1977) menyebutkan bahwa tekanan air pori yang terjadi pada lapisan tanah di bawah bagian tengah bangunan lebih kecil daripada di bagian tepi struktur. Berdasarkan uji model laboratorium dan pengamatan lapangan selama gempa Niigata pada 1964, peningkatan tekanan air pori pada lapisan tanah pasir di bawah bangunan menyebabkan penurunan bangunan akan semakin besar. Bangunan yang lebih berat akan mengalami penurunan yang kecil bila dibandingkan dengan bangunan yang lebih ringan.

gambar 3. Kondisi batuan atau sedimen yang mengalami likuifaksi akan kehilangan daya dukung dan kestabilan terhadap beban di atasnya. sehingga seingkali dijumpai penurunan/amblesnya struktur bangunan pada tingkat likuifaksi yang parah (Encyclopedia Britanica, 2012)

Salah satu aspek positif dari fenomena likuifaksi adalah kecenderungan efek getaran gempa yang mengalami peredaman secara signifikan. Hal ini dikarenakan sifat cairan yang tidak mendukung tegangan geser.  Sehingga setelah tanah mengalami likuifaksi karena getaran gempa, getaran gempa yang datang berikutnya (bergerak nelalui tanah dalam bentuk shear waves) tidak akan menggetarkan/mengguncang tubuh bangunan di sekitar permukaan tanah.

Syarat terbentuknya Likuifaksi

Lapisan sedimen yang berumur muda (kala holosen, terbentuk paling kurang dalam 10.000 tahun terakhir) paling rentan terhadap likuifaksi. Lanau hingga kerikil halus yang bersortasi baik, memiliki ketebalan hingga beberapa meter, dan jenuh air. Lapisan sedimen dengan karakter tersebut sering dijumpai di sepanjang aliran sungai, pantai, bukit pasir, dan pada daerah dimana angin mengendapkan dan mengakumulasi material halus dan lepas. Beberapa contoh likuifaksi lainnya seperti pasir hisap, lempung/lumpur hisap, arus turbidit serta likuifaksi yang disebabkan oleh gempa bumi.

gambar 4. Salah satu faktor yang mendukung terbentuknya likuifaksi adalah ketinggian muka airtanah. Kawasan situs candi Kedulan, Kalasan, D.I. Yogyakarta mempunyai kondisi ideal untuk terbentuknya likuifaksi (dokumen pribadi, 2017)

Faktor-faktor utama yang mengontrol terjadinya likuifaksi dan selanjutnya membentuk struktur sill dan dike menurut Obermeier et al. (2005, pp. 226-228) adalah sebagai berikut:

1. ukuran butir dari lapisan sedimen yang rentan,
2. kepadatan relatif (tingkat kekompakan),
3. kedalaman dan ketebalan lapisan sedimen yang rentan dan lapisan berikutnya,
4. umur dari lapisan sedimen,
5. karakteristik dari setiap lapisan sedimen penutup di atasnya,
6. topografi dan sifat getaran seismik,
7. kedalaman muka air tanah, dan
8. sejarah gempa.

Beberapa faktor sekunder juga dinilai turut mempengaruhi kerentanan likuifaksi seperti bentuk butir, kemas, kuat-lemah ikatan antar butir dalam sedimen, dan kondisi tegangan horisontal statis (static horizontal stress). faktor-faktor sekunder tersebut dirangkum dalam artikel yang ditulis oleh Mitchell (1976, p. 244) dan Benih (1979b).
Karakter

Pseudonodules dan struktur sedimen skala kecil lainnya yang disebabkan oleh deformasi plastik atau aliran dari material sangat halus yang baru terendapkan dan belum terkonsolidasi (sering disebut sebagai struktur syndepositional atau deformasi sedimen halus).  Penelitian geologi selama ini menyatakan bahwa getaran akibat gempa berhubungan erat dengan pembentukan likuifaksi dan struktur pasir konvolut. Namun, sedimentasi yang sangat lemah juga dapat terbentuk ulang akibat proses-proses geologi lainnya seperti loading selama proses sedimentasi yang cepat, kondisi air tanah artesis yang terlokalisir, slumping, dan struktur yang terbentuk akibat gempuran gelombang yang besar. Sebagai tambahan deformasi pada sedimen halus berukuran kecil juga dapat sering terjadi akibat getaran seismik yang rendah, dimana getaran tersebut tidak memiliki dampak kerusakan yang berarti secara keteknikan.

Tekanan yang dihasilkan selama gempa bumi berkekuatan besar dapat mendorong pasir yang meluluh/mencair dan air tanah yang berada beberapa meter di bawah tanah menuju ke permukaan. Fenomena ini sering disebut sebagai sand boils, sand blows atau sand volcanoes (karena kemunculannya seperti membentuk kawah gunung api kecil) pada permukaan tanah. Fenomena ini terbentuk akibat kombinasi dari proses mengalirnya pasir yang telah meluluh dari lapisan di bawah permukaan dan efek pasir hisap dimana aliran air ke atas memulai proses peluluhan pada lapisan berpasir yang belum terlikuifaksi akibat daya apung.

gambar 5. penampang vertikal menunjukkan dike yang memotong lapisan lempung dan lanau, kemudian membentuk endapan sand-blow pada permukaan. penampang ini menggambarkan kejadian likuifaksi pada salah satu daerah di New Madrid, USA (Obermeier, 2002)

gambar 6. Penampang vertikal menunjukkan kehadiran sejumlah sill. perlu diperhatikan bahwa sill yang tipis dapat memanjang jauh secara horisontal, khusunya dimana lapisan penutupnya tipis. pembentukan kumpulan sill yang kompleks biasanya diikuti dengan kehadiran sand-blows berukuran besar (Obermeier, 2002)

Pengamatan terhadap likuifaksi juga dapat dilakukan melalui evaluasi pada kerusakan struktur bangunan yang mengalami likuifaksi yang dipicu oleh gempa bumi. Faktor-faktor pendukung bukti kehadiran likuifaksi yang lain seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya juga perlu dipertimbangkan dalam penerapan teori ini. Ishihara dan Yosimine dalam Hartantyo (2006:12) mengemukakan prosedur berikut dalam menilai tingkat likuifaksi berdasarkan penurunan dan tingkat kerusakan yang diterima struktur bangunan.

Hubungan antara penurunan permukaan tanah dan derajat kerusakan bangunan (Ishihara dan Yosimine, 1992)