GEOLOGI STRUKTUR

Oleh: Ir. Dwiyanto JS, MT

PENDAHULUAN

• Geologi struktur dapat diartikan sebagai suatu sains yang membahas perihal bentuk arsitektur dari kerak bumi dan hubungan antar satuan batuan yang membentuk kerak bumi.

• Sedangkan definisi tektonik dikutip dari “International Tectonic Dictionary” (1967):

- Science of structure of earth’s Crust and of the movements and forces which have produced it (Murawski, 1963)

- Structural Setting of particular area.

• Maka perbedaaan antara Tektonika dan Geologi struktur adalah “Geologi struktur merupakan studi yang hanya menyangkut masalah geometri dari struktur serta gejala – gejala yang menyebabkannya”

1. STRUKTUR BATUAN

• Struktur batuan: bentuk dan kedudukannya yang nampak pada singkapan, dan kenampakan tersebut adalah hasil pembentukan dari dua proses:1. Proses saat pembentukaan batuan, dimana

akan terbentuk struktur – struktur primer2. Proses yang bekerja kemudian setelah

pembentukan (deformasi mekanis dan pengubahan secara kimia batuan tersebut)

• Pengangkatan, perlipatan, patahan, dsb merupakan hasil dari proses yang kedua, dan struktur yang terbentuk disebut struktur sekunder.

• Struktur sekunder yang terdapat pada batuan sedimen misalnya: bidang perlapisan, struktur silang (cross bedding), gelembur- gelombang (ripple marks), dsb

• Struktur primer yang terdapat pada batuan beku misalnya: struktur aliran (flow structure) pada lava atau bagian tepi batholith.

CARA MEMPELAJARI STRUKTUR BATUAN

• Hal pertama yaitu kemampuan untuk mengetahui bentuknya dalam tiga dimensi.

• Terdapat 2 cara untuk memelajari danmenganalisis struktur geologi:- Cara 1- Cara 2

Cara 1:a. Mengenali jenis struktur batuan yang diamati (struktur lipatan, rekahan, sesar, dsb)b. Memperkirakan bentuk dan ukuran (dalam

keadaan sebenarnya)c. Kedudukan unsur-unsur diukur dan dipetakand. Pembuatan sketsa, lukisan, bagan sementara dan foto strukture. Diskusi cara dan mekanisme pembentukannya

Cara 2:a. Menggambarkan geometri dari struktur

batuan dengan dasar statistik.b. Struktur dipetakan dan dicantumkan pada

peta sebagai data statistik berupa diagram, yang secara keseluruhan menggambarkan pola struktur batuan daerah tersebut.

c. Struktur pola berdasar banyak pengamatan dan catatan yang diubah kedalaman diagram pola.

2. GAYA DAN HUBUNGANNYA DENGAN SIFAT BAHAN

• Gaya : suatu aksi yang mempunyai kecenderungan untuk menyebabkan terjadinya perubahan pada gerak atau bentuk dari suatu bahan.

• Faktor yang mempengaruhi pembentukan struktur yang dihasilkan yang terpenting adalah sifat bahan (batuan) yang mengalami deformasi, antara lain:- kekenyalan batuan (elastisitas)- keplastisan (plastisitas)- kerapuhan (brittleness)- ketegaran (rigidity)- kelikatan (viscosity)- kekuatan

DEFORMASI

• Deformasi batuan merupakan proses yang mengakibatkan terjadinya deformasi adalah perpindahan atau pergeseran yang terjadi di dalam badan tersebut

- GAYA -

• Gaya : masa x percepatan

• Merupakan suatu aksi yang dapat menimbulkan terjadinya perubahan pada gerak dan bentuk dari bahan yang kemudian mengakibatkan terbentuknya struktur.

• 2 tipe Gaya:- Body forces - Surface force

F = MLT -2

• Arah dari Gaya yang bekerja pada kulit bumi dapat bersifat:a. Gaya yang arahnya berlawanan tetapi bekerja dalam satu garis, dapat bersifat:

- tarikan (tension)- tekanan (compression)

b. Berlawanan namun bekerja dalam satu bidang (kopel)c. Berlawanan namun bekerja pada kedua ujung (torsion)d. Gaya yang bekerja dari segala jurusan (lithostatis)

TEGANGAN DAN REGANGAN (STRESS DAN STRAIN)

• Stress/tegangan : suatu gaya yang dapat menyebabkan perubahan pada batuan

• Strain/regangan : perubahan yang terjadi (bentuk dan volume) yang diakibatkan oleh adanya tegangan.

*Perubahan bentuk batuan (distortion)*Perubahan ukuran volume (dilatation)

SIFAT BATUAN• Fase deformasi anyal• Fase deformasi plastis• Fase gejala batuan patah (plastis)

Faktor yang mempengaruhi perubahan batuan:1. Tekanan, 2. Suhu 3. Waktu4. Gejala pelarutan melalui pori-pori batuan5. Inhomogenetas (ketidakseragaman)

• Apabila benda dalam keadaan ditekan secara konstan, maka benda tersebut akan menarik 3 bidang yang berpotongan tegak lurus satu sama lain pada satu titik.

• 3 garis perpotongan akan membentuk “Principle axes of stress”

• Principle stress: tegangan yang bekerja melalui poros-poros tersebut.

STRESS ELLIPSOID DALAM STRUKTUR

• Poros terbesar (utama) : arah dimana terjadi perpendekan yang terbesar

• Strain ellipsoid: ellip yang dihasilkan dari sebuah bola homogen yang mengalami perubahan homogen di dalam batas elastic.

• Irrotational deformation: bila saat deformasi, sumbu regangan (strain axis) dan tegangan kedudukannya tetap sejajar.

• Rotational deformation: bila saat deformasi, sumbu regangan (strain axis) dan tegangan terdapat perputaran pada porosnya.

TEORI PEMBENTUKAN REKAHAN BATUAN

• 2 gejala tegangan yang terjadi di alam:- Tarikan- Tekanan

• Tensile stress: proses dimana di bawah suatu tarikan, batuan akan patah melalui bidang patahan yang arahnya tegak lurus terhadap arah dari tegangan

TEORI COLOUMB – MOHR TENTANG PEMBENTUKAN REKAHAN GESER

(SHEAR FAILURE)

• Dikemukakan Coulomb (1773) dan dilakukan perubahan oleh Mohr (1882)

τ = σ1 cos Φ

σ = σ1 sin Φ

AD = sin ΦAC

AC = ADsin Φ

σ1 : tekanan yang dibebankan terhadap batuan berbentuk bujur sangkar ABCD (σ2 dan σ3 dianggap 0)

A – C : penguraian gaya yang bekerja terhadap bidang geser dalam ABCD

• Komponen normal dari σ dan τ:

σ = σsin AC

= σ1 sin A 1/ sin Φ

= σ1 sin2 A

τ = τ AC

= σ1 cos A 1/ sin A

= σ1 cos Φ. Sin A

(θ)a (σ = σ1 sin 2 θ) b (ζ = σ1 cos θ, sin θ) c

00 0.0000 0.0000

100 0.3000 0.1710

200 0.1165 0.3214

300 0.2500 0.4330

400 0.4130 0.4925

45 0.5000 0.5000

500 0.5870 0.4952

600 0.7500 0.4330

700 0.8832 0.3214

800 0.9700 0.1710

900 1.000 0.000

• Pergeseran pada bidang geser ini hanya mungkin terjadi bila tahanan dalamnya dapat di lampaui yang berarti bahwa patahan tidak akan terjadi pada bidang yang membuat sudut 450 .

• Secara singkat teori kekandasan ini menjelaskan: bahwa kekandasan pada batuan akan terjadi bila tegasan geser telah dapat melampaui kohesi dari bahan tersebut yang ditambah dengan gaya tahan pada bidang geser.

• Rumus : τ = ± (τ 0 + σ . tan Ø) dimana

τ = tegasan geser totalsudut yang dibuat antara σ dan bidang geser:

θ = ± (450 – ½ Ø) Ø berkisar antara 100 dan 500 untuk batuan, tetapi biasanya berkisar antara 30-400, dan sudut ini disebut “Angle of Internal Friction”

• Tekanan pada batuan akan menghasilkan 3 macam rekahan, yaitu:

1. Batuan akan pecah-pecah melalui 2 bidang yang saling berpotongan.

2. Tekanan ini akan menimbulkan gaya tegangan pada bidang-bidang tegak lurus pada arah tekanan.

3. Tekanan P menjadi berkurang atau hilang sama sekali maka akan terjadi pecah-pecah pada batuan tetapi melalui bidang-bidang pecah yang arahnya tegak lurus pada P, yang biasa disebut “Release Fractures”

GAYA

• Bentuk – bentuk struktur yang terjadi sebagai akibat tekanan dan gejala tarikan, Kopel dan Torsion

4. KEKAR (JOINTS)• Kekar adalah sebutan untuk struktur rekahan

dalam batuan dimana tidak ada atau sedikit sekali mengalami pergeseran.

• Rekahan yang telah bergeser disebut sesar.• Struktur ini hubungannya erat dengan masalah-

masalah:– Geologi Teknik– Geologi Minyak (masalah cadangan dan

produksi)– Geologi Tata Airtanah– Geologi untuk Pertambangan

• Rekahan dan cebakan: beberapa sumber berpendapat bahwa tidak mungkin cebakan terbentuk dalam batuan tanpa adanya rekahan.

• Fungsi rekahan:– Sebagai jalan untuk larutan– Ruang untuk pengendapan cebakan– Tempat dimulainya proses alihan

(replacement)• Rekahan dan Penambangan (Quarying): Tidak

mungkin dilakukan tanpa adanya sistem rekahan dalam batuan.

• Kesukaran dalam membuat kekar:- tidak adanya pergesaran sehingga sulit menentukan usia dari sekumpulan kekar yang mempunyai arah tertentu terhadap sekumpulan kekar lain yang mempunyai arah

lain.

• Pengelompokan kekar:– Bentuknya– Ukurannya– Kerapatan– Gabungan antara ukuran dan kerapatannya

• Berdasarkan bentuknya, ada 2 bentuk kekar yaitu:– Kekar yang sistematik → selalu dijumpai

dalam pasangan yang ditandai oleh arahnya yang serba sejajar atau hampir sejajar.

– Kekar yang tidak sistematik → merupakan bentuk kekar yang dapat saling bertemu tetapi tidak memotong kekar lainnya.

• Pengelompokan yang didasarkan kepada ukurannya dilakukan secara sembarang dan akan tergantung kepada yang akan menggunakan dan ukuran daripada kekar yang terbesar yang terdapat di daerah itu.

• Ukuran kekar beragam, mulai dari ratusan meter hingga yang kecil (hanya dapat dilihat di mikroskop)

• Kerapatan pada kekar dihitung dari jumlah bidang-bidang kekar yang terpotong oleh lintasan yang dibuat tegak lurus pada arah kekar.

Release Joint

Extension Joint

Tension Joint

Release Joint

Extension Joint

Shear Joint

• Hubungan antara kekar / rekahan dan tegasan (stress): Berdasarkan teori Mohr, bahan akan kandas melalui bidang dimana terdapat perpaduan yang optimum antara “shearing” (τ) dan “normal” (σ).

• Dilihat dari cara pembentukannya, umumnya kelompokkan kekar menjadi 2 kumpulan:– Yang disebabkan akibat tekanan, disebut

“shear” atau “compression joints”.– Yang disebabkan akibat tarikan, disebut

“tension joints” atau kekar tegangan.

SHEAR JOINT (KEKAR GERUS)• First order shear joint merupakan paralel

dengan gejala sesar karena pembentukannya disebabkan oleh pola tegasan yang sama.

• Sifat-sifat khas pada kekar gerus:– Biasanya bidangnya rata (licin) dan memotong

seluruh batuan.– Kekar oleh (tekanan shear joints) akan memotong

langsung melalui butir-butir komponen pada konglomerat, jadi tidak mengelilingi butir-butir seperti yang diakibatkan oleh tarikan

– Adanya joint set biasanya 2, 3, atau lebih dapat juga ditafsirkan sebagai suatu pasangan shear joint.

Kekar pada Batuan Metamorfis

• kekar pada batuan metamorfis akan memotong foliasi, kadang-kadang tega lurus pada foliasi dan kadang-kadang foliasi dapat menempati salah satu joint set.

KEKAR TARIKAN

• Berbeda dengan shear joint, kekar tarikan atau tension joint sangat tidak teratur, bidang-bidangnya tidak rata, yang sangat khas ialah selalu terbuka dan kekar tarikan diakibatkan oleh pengerutan.

JENIS-JENIS KEKAR YANG TERDAPAT DALAM GRANIT

a. Cross Joint → kekar yang arah bidangnya tegak lurus pada struktur garis aliran.

b. Longitudinal Joint → arahnya sejajar dengan garis aliran.

*Dessication fracture : terjadi jika sedimen yang basah mengering (mud crack).

Kekar yang Berhubungan dengan erosi dan pengurangan beban (sheating joint):

• Arahnya sejajar dengan permukaan yang tersingkap, yang baik sekali ialah pada granit-granit massif

• Maka pembentukan tension joints juga meliputi penambahan volume batuan yang disebebkan karena pengurangan stress yang dengan sendirinya akan mengurangi strain (termasuk pembebanan dari beban geostatis akibat erosi).

Hubungan Kekar dengan Prospeksi Minyak

• Migrasi melalui kekar dan rekahan dapat menimbulkan larinya minyak dan gas bumi ke permukaan dan menghalangi pembentukan jebakan minyak.

• Namun, Kekar juga dapat menyebabkan jalan keluarnya minyak dari batuan asalnya ke batuan reservoir atau dapat menyebabkan perpindahan dari satu reservoir ke reservoir lainnya. Hal ini menerangkan kemungkinan terdapatnya minyak bumi di basement rock yang mempunyai banyak rekahan (Pra-tersier di Indonesia, Kalimantan).

Nilai – nilai Ekonomisnya:

• Kebanyakan produksi minyak dan gas bumi berasal dari reservoir (dimana terdapat rekahan), tidak mempengaruhi produksi.

• Minyak dan gas bumi disimpan dalam pori – pori dalam batuan dan bergerak melalui pori – pori tersebut menuju sumur pemboran.

Analisa Kekar dalam Eksplorasi Mineral

• Adalah suatu kenyataan bahwa bebrapa jenis cebakan memerlukan ruang dalam batuan untuk pengendapannya.

• Ruang yang paling baik sebagai temapt diendapkannya larutan (berasal dari magma) yang mengandung cebakan adalah struktur kekar dan rekahan-rekahan di dalam batuan tersebut.

• Analisa kekar dan rekahan akan dapat memperkirakan bagian paling lemah dari suatu area, dan bagian ini merupakan tempat paling baik untuk naiknya magma berikut larutannya dan mengendapkan bahan – bahan tersebut dalam rekahan dengan arah tertentu.

• Analisa struktur rekahan akan dapat membantu:–Menentukan daerah-daerah yang mungkin

merupakan tempat yang paling baik untuk pengendapan cebakan.–Menentukan kira-kira bentuk daripada

cebakan dan dari sini dapat pula ditentukan bagaimana cara-cara penambangannya.

Aspek-Aspek Struktur Kekar dalam Proyek Teknik Sipil

• Kekar dalam masalah bendungan: faktor terpenting dalam menentukan letak daripada bendungan adalah keadaan bentang alam dan hydrologi di daerah hulu, namun struktur batuan dasar juga harus mendapat perhatian seperti umpamanya bidang perlapisan rekahan, sesar, dan kekar.

• Arah dari kekar utama searah dengan aliran dan bidang perlapisan.

• Keduanya akan menimbulkan kebocoran. • Kekar utama akan menyebabkan kemungkinan keruntuhan

Kekar dalam Masalah Pembuatan Terowongan

• Dalam konstruksi terowongan, kekar seringkali menyebabkan terjadinya runtuhan-runtuhan pada bagian atap.

• Pada konstruksi yang dilakukan di bawah permukaan seperti ini, tegasan yang disebabkan karena batuan di sekitarnya akan mengalami penyaluran melalui bidang-bidang tersebut.

5. SESAR (FAULTS)• Faults adalah suatu rekahan pada batuan yang telah

mengalami pergeseran sehingga terjadi perpindahan antara bagian-bagian yang berhadapan dengan arah yang sejajar dengan bidang patahan.

• Sesar adalah rekahan atau “jalur patahan” dimana telah terjadi pergeseran yang arahnya sejajar dengan bidang rekahannya.

• Perpotongan bidang sesar dengan permukaan tanah disebut sebagai Gawir Sesar.

• Perpotongan bidang sesar dengan permukaan disebut Garis Sesar.

• Bagian-bagian yang disesar (tergeser):–Hangingwall → bongkah patahan yang

berada di bagian atas bidang sesar.– Footwall → bongkah yang ada di bagian

bawah bidang sesar.• Gerak-gerak pergeseran pada sesar serta

akibatnya adalah gerakan pada sesar dapat berupa:- gerak sejajar (translation) atau - terputar (rotational)

UNSUR – UNSUR STRUKTUR SESAR

GERAK SEMU

THROW (Loncatan Tegak Sesar)

• Dikenal ada 2 pengertian, yaitu:– Suatu ukuran untuk menyatakan jumlah

pergeseran dari bongkah-bongkah sesar yang satu terhadap lainnya.

– Untuk menyatakan pergeseran semu dari lapisan atau vein pada penampang tegak yang dibuat tegak lurus pada bidang sesar yang dapat berbeda sekali dengan gerak sebenarnya.

Pengelompokan Sesar (Classification)

• Secara geometris kita dapat menggolongkan sesar didasarkan pada:– Jenis perpindahan sesungguhnya (netslip)– Gerak relatif semu– Kedudukan daripada sesar terhadap struktur

sekitarnya– Bentuk pola daripada sistem sesar.

• Rake of Net Slip

• Attitude of Fault Relative to Attitude of Adjacent Beds

• Strike Slip Fault adalah suatu sesar dimana pergeserannya dapat searah dengan jurus pada bidang sesar (strike slip) .

• Dip Slip Fault adalah suatu sesar dimana pergeserannya dapat searah dengan kemiringan bidang sesar (dip slip) .

• Oblique Slip Fault adalah suatu sesar dimana pergeserannya miring pada bidang sesar (oblique slip) .

Pengelompokan Berdasarkan Gerak Relatif Semu (Separation Classification)

• Gerak relatif semu ditentukan oleh kedudukan dan jarak antara dua bagian dari suatu bidang penunjuk (bidang lapisan vein dan sebagainya) yang dipotong dan tergeser oleh suatu bidang sesar diukur pada arah-arah tertentu. Jarak tersebut disebut Separation.

• Fault Pattern

Istilah yang Kurang Tepat (Umum)

Separation Classification Slip Classification

Dasar Pengelompokan

- Pergeseran Gerak relatif Gerak sebenarnya (dimana slipnya jelas dapat dilihat)

Nama-nama Sesar

- Normal Fault Normal separation fault Normal slip fault

- Reverse fault Reverse separation fault Reverse slip fault

- Left lateral Left separation Left strike slip

- Right lateral Right separation Right strike slip

Tabel 2. Pengelompokan Sesar

• Pengelompokan yang didasarkan kepada kedudukan sesar terhadap struktur batuan sekitarnya (biasanya pada sesar di batuan sedimen):– Strike fault → suatu sesar yang arah jurusnya sejajar

dengan jurus batuan sekitarnya.– Dip fault → jurus daripada sesar searah dengan

kemiringan daripada lapisan batuan sekitarnya.– Diagonal atau oblique fault → yang memotong

struktur batuan sekitarnya.– Longitudinal fault → arah daripada sesar parallel

dengan arah umum dari struktur regional.– Transverse faults → yang memotong tegak lurus

atau miring terhadap struktur regional.

Sesar normal atau sesar turun

• Merupakan gejala penseseran dimana hangingwall bergeser relatif turun terhadap footwall. Susunan daripada poros utama tegasnya menunjukkan arah tegasan terbesar adalah vertikal.

PERGESERAN (Ditinjau dari Genesanya)

Horst dan Graben

• Graben adalah bahgian bongkah sesar yang menurun, bentknya sempit dan panjang yang dibatasi oleh bidang sesar yang arahnya hampir sejajar.

• Horst atau pematang adalah bahagian yang meninggi atau muncul terhadap daerah sekitarnya dan kedua sisinya dibatasi oleh sesar turun.

Growth Faults

• Suatu jenis sesar biasa dimana gerak-gerakannya berjalan terus selama pengendapan berlangsung.

• Sesar-sesar demikian mempunyai kemiringan ke arah cekungan.

Ciri-Ciri Khas dalam Sesar Normal1. Umumnya mempunyai kemiringan yang besar2. Biasanya dijumpai sebagai sesar-sesar yang berpasangan3. Seretan (drag) dan bidang-bidang gores-garis sering

dijumpai4. Pola rekahan yang ada, satu kelompok akan berarah

sejajar dengan bidang sesar, sedang lainnya mempunyai jurus yang sama tetapi miring ke arah yang berlawanan

5. Karena sesar biasa cenderung untuk mempunyai kemiringan yang besar, maka gawir sesar yang diakibatkan akan lebih mudah untuk terpengaruh oleh gejala longsoran.

6. Seringkali pada bagian yang turun terjadi gejala pelengkungan yang seakan-akan menunjukkan arah gerak yang salah.

Sifat Umum:1. Merupakan ciri khas pegunungan lipatan muda2. Sesar naik dengan kemiringan kecil, umum dijumpai

endapan tebal dalam geosinklin yang mengalami deformasi3. Bagian depan sesar (rombakan batuan) akan lebih cepat

naik, sehingga terjadi pencampuran breksi sesar.4. Gejala drag di lapisan atas dan bawah sesar serta

pembentukan sesar sekunder yang sejajar dengan sesar utama, sangat umum dijumpai

5. Jalur sesar merupakan jalur yang rumit atau suatu bidang licin

6. Sulit untuk mengetahui dan mengukur bidang sesarnya.

Sesar Naik (Reverse Fault atau Thrust)

• Pada sesar naik hanging wall bergeser relatif keatas terhadap foot wall

• Sesar naik dibedakan menjadi 2:- low angle : sudut < 45 X- high angle reverse fault : sudut > 45 X

• Sesar naik dengan kemiringan kecil disebut Thrust fault atau Thrust.

• Sesar naik yang terbentuk tidak berhubungan dengan perlipatan memiliki 2 kemungkinan:- suatu pembubungan yang lemah dapat terbentuk- pergeseran melalui bidang lapisan beralih menjadi sesar diagonal yang memotong lapisan kompeten.

• Sesar naik pada bagian buritan lipatan (Back – Limb Thrusts)- akibat dari sesar bidang-lapisan yang berundak (step bedding plane thrusts) maka tahanan akan meningkat pada undakannya, hal ini menimbulkan tegangan pada buritan sayap antiklin sehingga menyebabkan terbentuk sesar berbentuk sisik.

• Sesar naik yang berhubungan dengan lipatan (Break Thrusts)- pelengkungan yang disusul dengan pembentukan lipatan asimetris akan menimbulkan bagian lemah pada sisi yang curam disertai dengan rekahan.

• Sesar erosi (Erosion Thrusts)- terbentuk akibat gejala erosi pada bagian puncak antiklin yang tengah membumbung, sehingga memungkinkan lapisan kompeten yang tersingkap pada sayap sebelahnya bergeser ke muka di atas lapisan inkompeten.

SESAR NAIK(Dari Hills)

Sesatr akibar Erosi(Rush)

Bagian yang tidak aktif