struktur geologi

6. Struktur Geologi

6.1 Bukti deformasi kerak bumi

Banyak bukti yang mendukung tentang pergerakan kontinyu pada kerak bumi. Pergerakan itu berskala besar dan berjalan sepanjang waktu geologi. Bukti adanya pergerakan bumi dapat diamati dari bentuknya, misalkan batuan sedimen yang mulanya terbentuk dibawah laut, sekarang tersingkap di pegunungan yang tinggi.

            Gempa bumi juga menunjukkan bukti lain tentang adanya pergerakan di kerak bumi. Selama gempa berlangsung, maka kerak tidak mengalami vibrasi, tetapi sejumlah bagian darinya mengalami perekahanan dan pergeseran (fractured and displaced).

            Banyak formasi batuan mengandung bukti deformasi yang jelas pada skala besar. Setiap deretan pegunungan memperlihatkan tersingkapnya lapisan sedimen yang asalnya diendapkan relatif horizontal dibawah permukaan air laut. Adanya perlapisan batuan yang terlipat memberikan bukti gerak berkelanjutan dari litosfer (lithosphere) dan deformasi yang dihasilkannya (Gambar 6.1).

Tabel 1

(A)

(B)

Gambar 6.1. Bukti deformasi pada kerak bumi. (A) Pergeseran pada struktur pemukuman dikarenakan gempa bumi. (B) Batuan sedimen terdeformasi pada Canadian rockies (Hamblin & Christiansen, 1995).

6.2. Dip dan Strike

Sejumlah kenampakan kerak secara struktural sangatlah besar untuk dilihat dari satu lokasi di permukaan bumi. Bentuk struktur tersebut dikenali hanya dari geometri tubuh batuan yang ditentukan melalui pemetaan geologi (geological mapping).

            Pada singkapan, dua hal mendasar yang diamati adalah strike (jurus) dan dip (kemiringan) yang menggambarkan bidang perlapisan, bidang sesar, rekahan atau kenampakan planar lainnya. Strike adalah arah suatu garis (ditentukan menggunakan kompas dan berpatokan pada arah utara) yang terbentuk karena perpotongan antara bidang horizontal dengan bidang miring, misalkan bidang perlapisan dan bidang sesar. Pengukuran keduanya menentukan orientasi permukaan planar terhadap keruangan. Dip suatu bidang adalah sudut dan arah inklinasi terhadap horizontal. Dip harus diukur tegak lurus terhadap arah strike.

            Konsep strike dan dip dapat mudah dipahami dengan merujuk pada keadaan lapangan dimana singkapan lapisan miring sepanjang pantai terlihat jelas (Gambar 6.2.). Di lapangan, strike dan dip diukur dengan kompas geologi sehingga didapatkan arah dan besar sudut inklinasinya. Simbul penulisan strike dan dip untuk bidang perlapisan adalah garis panjang untuk arah strike dan garis pendek dan tegak lurus terhadap strike adalah arah dip. Adapun besar dip dinyatakan dalam angka.

(A)

(B)

Gambar 6.2. (A) Konsep dip dan strike.  (B) Sikuen lapisan miring yang menggambarkan konfigurasi perlipatan dan hilangnya lapisan bagian atas karena erosi (Hamblin & Christiansen, 1995).

6.3. Lipatan (Folds)

Struktur tiga dimensi yang berukuran mikroskopis hingga ratusan kilometer lebar menunjukkan kenampakan perlipatan, kubah (dome) dan cekungan (basin) besar disebut sebagai lipatan. Perlipatan dapat dilihatdari skala kecil misal skala contoh setangan hingga skala lebih besar seperti pegunungan dan ini hanya terbaik diamati menggunakan foto udara atau dari pemetaan geologi. Lipatan merupakan ekspresi dari ductile deformation dari batuan pada kerak bumi. Lipatan bernilai penting secara ekonomik karena perannya sebagai perangkap minyak dan gas bumi serta mengontrol sejumlah lokasi endapan bijih.

6.3.1. Tatanama Lipatan (Fold Nomenclature)

Tiga jenis lipatan yang umum adalah monoklin (monoclines), antiklin (anticlines) dan sinklin (synclines). Monoklin adalah lipatan sederhana dengan kemiringan (dipping) landai atau hampir horisontal seperti lengkungan seperti tangga (steplike). Antiklin adalah bentuk sederhana dengan lapisan melengkung keatas dan kedua sayap lipatan (limbs) memperlihatkan kemiringan menjauh dari puncak lipatan (fold crest). Batuan pada antiklin bila tererosi secara progresif, maka lapisan yang semakin tua berada pada bagian dalam lipatan. Sinklin adalah lipatan sederhana yang kedua sayap lipatan menuju ke sumbu lipatan. Batuan pada sinklin bila tererosi secara progresif, maka lapisan yang muda berada pada sumbu lipatan (Gambar 6.3).

(A)	(B)
(C)	(D)

Gambar 6.3.  Tatanama lipatan didasarkan pada geometri struktur secara tiga dimensi. (A) monocline. (B) Anticline (C) Syncline. (D) Overtune anticline & syncline (Hamblin & Christiansen, 1995).

Untuk tujuan deskripsi dan analisis, lipatan secara sederhana dapat dibagi beberapa bagian lipatan. Hinge plane adalah bidang imajiner yang membagi lipatan menjadi dua bidang yang sama besar. Lebih presisi lagi, maka hinge plane berada pada pelengkungan maksimum lipatan. Garis yang terbentuk oleh perpotongan hinge plane dan bedding plane disebut hinge. Inklinasi kearah bawah dari hinge disebut sebagai plunge (Gambar 6.4). Dengan demikian, plunging fold adalah suatu lipatan yang hinge-nya telah mengalami inklinasi. Hinge plane seringkali disebut pula sebagai axial plane (bidang sumbu).

Gambar 6.4. Hinge plane suatu lipatan merupakan bidang imajiner yang membagi lipatan menjadi dua bagian sama besar. Garis yang terbentuk akibat perpotongan antara hinge plane dan bedding plane disebut sebagai hinge. Inklinasi kearah bawah dari hinge disebut sebagai plunge (Hamblin & Christiansen, 1995).

            Lipatan digambarkan sebagai lipatan simetri atau lipatan up-right apabila posisi axial plane vertikal dan masing-masing dip dari sayap lipatan memiliki sudut yang sama. Namun bila posisi axial plane tersebut miring, maka menjadi lipatan asimetri. Pada overtuned fold, kedua sayap lipatan memiliki arah yang sama. Lipatan dengan axial plane horizontal disebut sebagai recumbent fold. Overtuned fold dan recumbent fold umumnya dijumpai pada barisan pegunungan yang terbentuk oleh kompresi pada convergent plate boundaries.

            Plunging fold adalah lipatan dengan sumbu lipatan yang memiliki inklinasi. Domes (kubah) dan basins (cekungan) adalah bentuk membundar – oval yang masing-masing sepadan dengan antiklin dan sinklin. Pada dome yang tererosi, maka bagian tertua tersingkap pada bagian pusatnya. Semua lapisan pada dome memperlihatkan dip yang menjauh dari titik pusat. Sebaliknya, semua lapisan pada basin memperlihatkan dip yang menuju masuk ke titik pusat (Gambar 6.5).

(A)

(B)

Gambar 6.5. Diagram blok (A) dome. (B) basin (Monroe & Wicander, 1997).

6.4 Sesar (Faults)

Pergeseran sepanjang sesar di permukaan bumi membentuk sesar. Pada tebing ditepian jalan atau pada dinding lembah memperlihatkan bidang sesar (fault plane) yang jelas. Lapisan yang bergeser dan mengalami offset mudah terlihat. Tiga tipe dasar dari sesar yang dikenali, yakni (1) sesar normal (normal faults), (2) sesar naik (thrust faults) dan sesar mendatar (strike-slip faults).

6.4.1 Sesar Normal

Sesar normal adalah adanya pergeseran vertikal dan batuan diatas bidang sesar (hanging wall) yang bergerak menuruni bidang sesar relatif terhadap footwall. Sesar normal biasanya adalah terinklinasi curam antara 65 – 90^O. Pergerakan vertikal ini menghasilkan cliff atau scrap (gambar 6.6.).

Gambar 6.6. normal fault. Hanging wall bergerak turun terhadap footwall (Hamblin & Christiansen, 1995)

            Sesar normal seringkali memperlihatkan bentuk susunan tangga atau seri fault blocks. Bila ada blok yang turun diantara dua sesar normal disebut graben. Sedangkan, Blok yang terangkat diantara dua sesar normal disebut sebagai Horst.

6.4.2 Sesar Naik (thrust faults dan reverse faults)

Sesar naik dengan sudut kecil dimana hanging wall relatif naik diatas footwall disebut sebagai thrust faults. Geolog membatasi untuk thrust fault memiliki fault dip bersudut kurang dari 45^O. Sedangkan bila bersudu lebih dari 45^O, maka disebut reverse faults. Thrust faults merupakan hasil dari pemendekan kerak bumi dan biasanya berasosiasi dengan perlipatan intensif yang disebabkan kompresi horizontal pada kerak bumi (gambar 6.7.).

Gambar 6.7. Thrust fault. Hanging wall bergerak naik terhadap footwall (Hamblin & Christiansen, 1995).

6.4.3 Sesar mendatar (strike-slip faults)

Sesar mendatar merupakan rekahan dengan sudut yang besar dengan pergeseran secara horizontal dan paralel terhadap strike bidang sesar. Tidak ada atau sedikit pergerakan vertikal sehingga tebing yang tinggi tidak dijumpai sepanjang sesar mendatar. Sesar ini secara topografi diekspresikan oleh kenampakan yang lurus memanjang dan adanya ketidakmenerusan pada jenis bentangalam (landscape) dan pembelokan sungai tiba-tiba (gambar 6.8.).

Gambar 6.8. strike-slip fault. Pergeseran secara horizontal (Hamblin & Christiansen, 1995).

6.5 Rekahan (Joints)

Kenampakan struktural pada batuan yang tersingkap di permukaan bumi seperti simple cracks, fractures dan dikenal sebagai joints. Rekahan tidak terjadi secara random, melainkan sebagai dua set rekahan yang berpotongan pada sudut antara 45 hingga 90 derajat. Rekahan terkait pula dengan sesar dan lipatan.

Rekahan umumnya ditemukan pada batuan yang getas (brittle) seperti batupasir. Rekahan terekspresi dalam, paralel dan mengontrol perkembangan sungai, percabangan sungai dan aktivitas pelarutan.

Rekahan berasosiasi dengan rejim kompresi (compression) dan tarikan (tension). Rekahan dapat bernilai ekonomi tinggi. Rekahan memberikan permeabilitas yang penting bagi migrasi air tanah (groundwater migration) dan akumulasi minyak bumi (petroleum). Jadi, analisis rekahan penting bagi eksplorasi dan pengembangan sumber daya alam. Rekahan juga mengontrol pengendapan emas, perak, tembaga dan endapan bijih lainnya. Larutan hidrotermal yang berasosiasi dengan intrusi batuan beku bermigrasi sepanjang dinding rekahan (joint walls) membentuk mineral veins.

Pada proyek konstruksi seperti pembuatan bendungan (dam), terkait dengan keberadaan sistem rekahan pada batuan, maka perlu diberikan perhatian ketika membuat perencanaan proyek (project planning) karena terkait dengan kestabilan bendungan.

6.6 Penyebab Deformasi Batuan

Diatas telah dibahas berbagai produk deformasi batuan seperti perlipatan dan penyesaran. Tapi, mengapa deformasi dapat terjadi? Mengapa dijumpai lipatan yang landai sedang ditempat lain terdapat lipatan kompleks? Pendek kata, apakah yang sesungguhnya berperan sebagai pengontol utama bentuk dan jenis deformasi yang dialami batuan?

            Gaya (force) yang mempengaruhi suatu daerah disebut sebagai tegasan (stress). Hal ini dipengaruhi oleh tekanan (pressure). Pengalaman keseharian memperlihatkan pada kita bahwa suatu benda pada bila dikenai tegasan maka akan melengkung dan akan retak atau patah bila tegasan yang mengenainya berlebihan. Itulah yang menjelaskan bahwa tegasan yang berlebihan telah membuatnya terdeformasi dan mempengaruhi resistensi alamiahnya terhadap deformasi. Batuan pun demikian, akan terdeformasi bila merespon tegasan yang mengenainya (gambar 6.9.).

            Semua batuan di bumi telah mengalami berbagai tegasan yang mengenainya. Pada beberapa situasi, tegasan memiliki besaran yang sama pada semua arah, kondisi ini bukanlah karena tegasan langsung (directed stress), kondisi ini dikenal sebagai tekanan hidrostatik (hydrostatic pressure) yang terkait dengan pembebanan yang dalam dari tubuh batuan. Contoh dari tegasan ini adalah tekanan yang kita alami ketika kita menyelam di dalam air.

Gambar 6.9. Besaran dan orientasi tegasan (stress) menentukan bentuk keterakan (strain) atau deformasi yang dialami batuan. Hydrostatic pressure merupakan tegasan yang sama pada semua arah. Tegasan ini memberikan perubahan volume dan atau mineral tetapi tidak mengubah batuan. Directed pressure merupakan tegasanyang terjadi tidak sama besar pada setiap arah. Perubahan tidak pada volumenya melainkan pada bentuknya. Bila tegasan melebihi kuat geser batuan, maka akan menyebabkan deformasi permanen (Hamblin & Christiansen, 1995).

Pada berbagai tatanan tektonik, batuan mengalami tegasan langsung (directed stress) sehingga batuan terdeformasi atau mengalami keterakan (strain) (Gambar 6. 10). Keterakan adalah tingkat perubahan bentuk dan volume yang dialami. Tubuh batuan terubah bentuknya akan mengalami retakan yang membentuk rekahan dan kehilangan kohesi (lose cohesion). Keadaan ini disebut sebagai deformasi getas (brittle deformation). Sebaliknya, bila tubuh batuan mengalami deformasi permanen tanpa disertai dengan terbentuknya rekahan atau kehilangan kohesi dikenal sebagai deformasi lentur (ductile deformation).

Gambar 6.10. Sifat lentur (ductile) vs getas (brittle) batuan dikontrol oleh sejumlah kondisi eksternal. Bila suatu silinder dikenai tegasan, maka silinder yang getas akan terekahkan dan tersesarkan. Sedangkan silinder yang lentur akan melakukan penyesuaian dan rekristalisasi  sebagai respon terhadap tegasan yang mengenainya (Hamblin & Christiansen, 1995).

            Bentuk deformasi yang terjadi sangat bergantung pada besaran tegasan, tingkat tegasan yang mengenainya dan disertai temperatur atau tekanan disekitarnya. Kondisi batuan sangat dikontrol oleh berbagai kondisi eksternal. Contoh, silinder marmer mengalami deformasi di laboratorium dibawah kondisi tekanan terbatas tapi pada temperatur yang sama dan tegasan dengan tingkat perbedaan yang sama. Mulanya semua silinder berukuran sama, tapi setelah dikenai kompresi maka semua mengalami pemendekan. Silinder yang terkena tegasan rendah terjadi pada keadaan yang getas menghasilkan rekahan dan sesar. Sedangkan silinder yang terkena tegasan tinggi pada keadaan yang lentur menyebabkan penyusunnya mengembang dan mengkristal kembali (recystallized) sebagai respon terhadap tegasan yang mengenainya. Temperatur yangmeningkan dapat menyebabkan batuan menjadi lebih lentur.

            Untuk memahami lebih baik tentang struktur batuan, maka perlu memahami orientasi tegasan yang mengenai tubuh batuan (gambar 6.11.). Tegasan kompresi (compressional stress) cenderung untuk menekan tubuh batuan. Tegasan tarikan (tensional stress) atau tarikan (tension) hadir bila tegasan yang mengenai menjauh satu terhadap lainnya dan cenderung menarik tubuh batuan untuk saling terpisah. Tarikan yang mengenai tubuh batuan pada kondisi tegasan hidrostatik, hal ini hampir umum terjadi pada semua tubuh batuan disebut sebagai extension. Kompresi litosfer menyebabkan pemendekan dan penebalan dan hasilnya seperti pada pembentukan lipatan (pada batuan lentur) dan thrust fault pada batuan yang getas. Litosfer yang mengalami ekstension memberikan efek pemanjangan yang diekspresikan pada batuan getas dengan hadirnya sesar normal, sedang pada batuan yang lentur akan membentuk pemanjangan dan penipisan.

(A)

(B)

Gambar 6.11. Regim kompresi dan tarikan menghasilkan struktur batuan yang sangat berbeda. (A) tegasan tarikan menyebabkan tubuh batuan merenggang dan menghasilkan sesar normal yang diturun melalui ductile shear zone. (B) tegasan kompresi menyebabkan pemendekan yang dimanifestasikan dengan sesar naik dan lipatan (Hamblin & Christiansen, 1995).