Deformasi Kerak Bumi

Dua abad lalu, jarak antara sejumlah monumen-monumen-survei di Yunani diukur dengan sangat akurat. Pada tahun 1988 team ilmiah mengukur kembali jarak-jarak tersebut, dan menemukan bahwa Yunani lebih panjang satu meter. Mereka juga mendapatkan bahwa Yunani sedang terpelintir (twisted), bagian ujung Selatan, Peloponnesus, bergerak ke Baratdaya. Penyebab pemanjangan dan pelintiran ini adalah tektonik lempeng. Afrika bergerak ke Utara, perlahan-lahan mendorong sebagian lantai laut Mediteran kebawah Yunani.
Gaya tektonik secara kontinu menekan, menarik, melengkungkan dan mematahkan batuan litosfir.
Sumber energi tektonik berasal dari energi panas bumi yang diubah menjadi energi mekanik oleh arus konveksi. Aliran konveksi sangat besar, batuan panas dalam mesosfir dan astenosfir pelahan-lahan menyeret dan melengkungkan litosfir secara kontinu yang akhirnya menyebabkan batuan terdeformasi, menjadi seperti yang kita lihat saat ini. Deformasi batuan litosfir terlalu lambat dan terlalu dalam untuk diamati. Contohnya lempeng India-Australia yang mendesak lempeng Eurasia, tercermin pada sesar Sumatra. Gerakannya tidak teramati tetapi hasilnya berupa Bukit-barisan dan seringnya terjadi gempa-bumi didaerah ini.


DEFORMASI BATUAN

Untuk mengetahui bagaimana dan faktor-faktor yang mempengaruhi batuan terdeformasi,
terpuntir, terlipat dan atau terpatahkan, yang berlangsung jauh dibawah kerak, dipelajari dalam laboratorium. Percobaan dilakukan terhadap contoh batuan yang dibentuk sebagai silinder atau kubus.

Tegasan (Stress) dan Regangan (strain)

Pengaruh tegasan terhadap batuan tergantung pada cara bekerja atau sifat tegasannya dan sifat fisik batuan yang terkena tegasan. Dalam membahas batuan metamorf telah dibicarakan adanya dua bentuk stress

Stress uniform menekan dengan besaran yang sama dari segala arah. Dalam batuan dinamakan confining stress karena setiap tubuh batuan dalam litosfir dibatasi oleh batuan disekitarnya dan ditekan secara merata (uniform) oleh berat batuan diatasnya.

Stress differensial menekan tidak dari semua jurusan dengan besaran yang sama. Dalam sistem ortogonal dapat diuraikan menjadi stress utama, yang maksimum, yang menengah dan yang paling kecil besarannya.
Biasanya differential stress ini yang mendeformasi batuan dan dikenal 3 jenis differential stress, tensional stress, compression stress dan shear stress.
Tensional stress, arahnya berlawanan pada satu bidang, dan sifatnya menarik (stretch) batuan.

Compressional stress arahnya berhadapan, memampat-kan atau menekan batuan.

Shear stress bekerja berlawanan arah, tidak dalam satu bidang, yang menyebabkan pergeseran dan translasi.

Uniform atau differensial stress yang menyebabkan terdeformasinya litosfir diakibatkan oleh gaya-gaya tektonik yang bekerja sepanjang waktu.

Batuan yang terkena stress mengalami regangan atau perubahan bentuk dan atau volume dalam keadaan padat yang disebut strain atau regangan

Tahap deformasi

1. Elastic deformation adalah deformasi sementara tidak permanen atau dapat kembali kebentuk awal (reversible). Begitu stress hilang, batuan kembali kebentuk dan volume semula. Seperti karet yang ditarik akan melar tetapi jika dilepas akan kembali ke panjang semula. Elastisitas ini ada batasnya yang disebut elastic limit, yang apabila dilampaui batuan tidak akan kembali pada kondisi awal. Di alam tidak pernah dijumpai batuan yang pernah mengalami deformasi elastis ini, karena tidak meninggalkan jejak atau bekas, karena kembali ke keadaan semula, baik bentuk maupun volumenya. Sir Robert Hooke (1635-1703) adalah orang pertama yang memperlihatkan hubungan antara stress dan strain yang sesuai dengan batuan Hukum Hooke mengatakan sebelum melampaui batas elastisitasnya hubungan stress dan strain suatu material adalah linier.

2. Ductile deformation merupakan deformasi dimana elastic limit dilampaui dan perubahan bentuk dan volume batuan tidak kembali.

3. Fracture tejadi apabila batas atau limit elastik dan ducktile deformasi dilampaui.Deformasi rekah (fracture deformation) dan lentur (ductile deformation) adalah sama, menghasilkan regangan (strain) yang tidak kembali ke kondisi semula.

Pengontrol Deformasi

Percobaan-percobaan di laboratorium menun-jukkan bahwa deformasi batuan, selain tergantung pada besarnya gaya yang bekerja, juga sifat fisika dan komposisi batuan serta lingkungan tektonik dan waktu.

Suhu
Makin tinggi suhu suatu benda padat semakin ductile sifatnya dan keregasannya makin berkurang. Misalnya pipa kaca tidak dapat dibengkokkan pada suhu udara, bila dipaksa akan patah, karena regas (brittle). Setelah dipanaskan akan mudah dibengkokkan. Demikian pula halnya dengan batuan. Di permukaan, sifatnya padat dan regas, tetapi jauh dibawah permukaan dimana suhunya tinggi, bersifat ducktile.

Waktu dan strain rate
Pengaruh waktu dalam deformasi batuan sangat penting. Kecepatan strain sangat dipengaruhi waktu. Strain yang terjadi bergantung pada berapa lama batuan dikenai stress. Kecepatan batuan untuk berubah bentuk dan volume disebut strain rate, yang dinyatakan dalam volume per unit volume per detik, di bumi berkisar antara 10-14/detik sampai 10-15/detik. Makin rendah strain rate batuan, makin besar kecenderungan terjadinya deformasi ducktile.
Pengaruh suhu, confining pressure dan strain rate pada batuan, seperti ciri pada kerak, terutama bagian atas dimana suhu dan confining pressure rendah tetapi strain rate tinggi, batuan cenderung regas (brittle) dan patah. Sedangkan bila suhu tinggi, confining pressure tinggi dan strain rate rendah batuan menjadi kurang regas dan lebih bersifat ducktile. Sekitar 15 km kebawah, batuan bersifat regas dan mudah patah. Dibawah 15 km batuan tidak mudah patah karena bersifat lebih ducktile. Kedalaman dimana sifat kerak berubah dari regas mulai menjadi ducktile disebut brittle-ductile transition.

Komposisi
Komposisi batuan berpengaruh pada cara deformasinya. Komposisi mempunyai dua aspek. Pertama, jenis kandungan mineral dalam batuan, beberapa mineral (seperti kwarsa, garnet dan olivin) sangat brittle, sedangkan lainnya (seperti mika, lempung, kalsit dan gypsum) bersifat ducktile.
Kedua, kandungan air dalam batuan mengurangi keregasannya dan memperbesar keducktilannya. Pengaruh air, memperlemah ikatan kimia mineral-mineral dan melapisi butiran-butiran mineral yang memperlemah friksi antar butir. Jadi batuan’basah’ cenderung lebih ducktile daripada batuan ‘kering’.
Batuan yang cenderung terdeformasi ducktile diantaranya batugamping, marmer, lanau, serpih, filit dan sekis. Sedangkan yang cenderung brittle daripada ductile, batupasir, kwarsit, granit, granodiorit dan gneiss.


STRUKTUR GEOLOGI

Deformasi pada kerak, yang kita amati saat ini adalah jejak deformasi yang telah terjadi beberapa ratus atau juta tahun yang lalu, dan dikenal sebagai struktur geologi.
Dalam struktur geologi, deformasi akibat gaya tektonik dikelompokkan sebagai struktur sekunder dan dibedakan dari struktur yang terbentuk pada saat atau sebelum batuan terbentuk yang dinamakan struktur primer. Yang termasuk dalam struktur primer adalah struktur-struktur pada batuan sedimen, seperti bidang perlapisan, lapisan bersusun (graded beding), lapisan silang siur (cross beding) dan jejak binatang. Sedangkan pada batuan beku adalah rekahan-rekahan yang terbentuk akibat dinginan, dinamakan kekar kolom (columnar joints). Arah rekahan-rekahan yang tegak lurus bidang pendinginan, permukaannya segi enam, struktur aliran pada lava dsb. Struktur sekunder yang terbentuk setelah batuan terbentuk, adalah lipatan (fold), kekar (joint) dan sesar (fault).


Jurus dan Kemiringan Bidang

Untuk mendiskripsi deformasi lapisan batuan, misalnya pada batuan sedimen, diperlukan posisi atau kedudukan garis atau bidang setelah mengalami deformasi. Telah kita ketahui bahwa sedimen semula diendapkan dalam posisi horizontal. Setelah mengalami deformasi posisinya berubah, misalnya terlipat, maka posisi limb antiklin atau sinklin tidak horizontal lagi. Posisi atau kedudukan bidang-bidang yang membentuk limb ini dinyatakan dalam jurus atau strike dan kemiringan atau dip, yang dipergunakan untuk menyatakan kedudukan semua bidang di alam.

Kemiringan adalah sudut terbesar antara bidang (miring) di alam dengan bidang horizontal dinyatakan dalam derajat. Bidang horizontal tidak mempunyai kemiringan, atau 00 dan bidang tegak 900. Jurus dan kemiringan dapat diukur ditempat dengan mempergunakan



kompas geologi. Kompas geologi dilengkapi dengan water pas, untuk membuat bidang horizontal dan klinometer untuk mengukur kemiringan bidang.Lipatan (fold)

Lipatan dapat merupakan pelengkungan lemah yang luas, bisa lebih dari ratusan kilometer sampai yang sangat ketat berskala mikroskopis.
Lipatan sangat mudah dilihat pada batuan berlapis dan merupakan hasil deformasi ducktile akibat kompresi dan shear stress. Pada strain rate sangat rendah dan diatas brittle-ducktile transition, batuan dapat terlipat meskipun dekat permukaan.

Geometri lipatan

Lipatan keatas, melengkung keatas atau cekung kearah bawah disebut antiklin. Kedua belah lereng antiklin saling menjauhi.
Dan sebaliknya yang melengkung kebawah, bagian bawahnya cembung dan lereng-lerengnya saling mendekati, disebut sinklin. Umumnya kedua bentuk ini berpasangan.
Lereng sebelah menyebelah antiklin atau sinklin disebut sayap (limb).
Puncaknya dinamakan crest dan titik terendah trough. Bidang simetri antara sayap disebut bidang sumbu (axial plane), dan garis potongnya dengan permukaan, yang melalui crest maupun trough disebut sumbu lipatan (fold axis).

Apabila sumbu lipatan tidak horizontal berarti lipatannya menunjam (plunging). Bentuk lipatan tidak selalu, tetapi apabila perlipatannya lebih intensif bentuknya lebih kompleks. Bila stress yang bekerja lebih kuat maka lipatan menjadi miring.
Sayap yang satu lebih landai dari pasangannya, atau dip nya tidak sama.
Apabila stress berlanjut, kemiringan bidang sumbunya mengecil hingga hampir horizontal.


Klasifikasi lipatan

Gaya tektonik yang sudah bekerja sejak ratusan juta tahun membuat kerak terlipat-lipat. Kadang-kadang sampai beberapa kali, tidak hanya sekali saja. Oleh karena itu struktur lipatan yang dihasilkannya sangat bervariasi dari yang sederhana sampai yang kompleks, baik bentuk maupun dimensinya. Dasar klasifikasinya ada beberapa, dan yang paling sederhana adalah kedudukan kedua belah sayapnya, kedudukan bidang sumbu dan keketatan lipatannya,

Sesar (fault)

Kadang-kadang deformasi berlangsung cukup cepat untuk diamati dan diukur. Untuk memudahkan deformasi kerak bumi yang teramati digolongkan dalam dua kelompok besar : gerakan mendadak yang melibatkan terjadinya rekahan, dimana blok-blok kerak tiba-tiba bergerak beberapa centimeter atau beberapa meter dalam hitungan menit atau jam. Dan gerak lamban serta bertahap termasuk deformasi ductile. Geraknya tetap, menerus tidak disertai hentakan. Gerakan mendadak melibatkan rekahan pada batuan regan (britle). Rekahan pada batuan dimana terjadi pergeseran sepanjang rekahan dinamakan sesar, patahan atau fault. Sekali rekahan mulai, timbul gesekan mengikuti pergeseran. Selanjutnya perlahan-lahan stress terkumpul atau tertahan selama gesekan antara kedua sisi sesar dapat mengatasinya. Kemudian mendadak terjadi lagi pergeseran. Jika stress tetap ada, perulangan penumpukan stress yang diakhiri dengan pergeseran mendadak terjadi berulang kali. Meskipun gerakan sesar besar sampai beberapa kilometer, tetapi jarak tersebut merupakan jumlah dari gerakan mendadak.

yang kecil-kecil. Setiap gerak mendadak dapat menimbulkan gempa. Pergerakan mendadak pada litosfir biasanya disertai gempa bumi.


Gerak relatif

Perdefinisi sesar adalah rekahan pada batuan yang mengalami pergerakan sejajar bidangnya.Umumnya tidak mungkin untuk mengetahui berapa besar gerak sebenarnya sepanjang sesar dan blok bagian mana yang bergerak dan blok yang diam, karena bergeraknya sudah berlangsung pada waktu lampau. Dalam klasifikasi pergeseran sesar dipergunakan pergeseran relatif, karena tidak tahu blok mana yang bergerak; dikatakan satu sisi sesar bergerak relatif terhadap sisi lainnya. Pergeseran salah satu sisi melalui bidang sesar membuat salah satu blok relatif naik, turun atau mendatar terhadap lainnya. Blok diatas bidang sesar disebut blok hanging wall sedangkan yang dibawah disebut blok foot wall, Gambar 9.6.


Klasifikasi sesar

Sesar diklasifikasi berdasarkan atas : dip bidang sesar dan arah gerak relatifnya, menjadi sesar normal, sesar naik (reverse fault atau thrust fault) dan sesar mendatar (strike slip fault).

Sesar normal

Sesar normal disebut juga sesar turun disebabkan oleh stress tensional yang seolah-olah menarik/memisahkan kerak. Seperti halnya juga bila kerak mengalami gaya dari bawah.
Sesar normal didefinisikan sebagai sesar yang hanging wallnya relatif turun terhadap foot wall. Atau sebaliknya, dapat dikatakan foot wall relatif naik terhadap hanging-wall,

Umumnya, dua atau lebih sesar normal dengan jurus sejajar dan kemiringan berlawanan membentuk segmen tinggian dan amblesan pada kerak.
Sesar normal banyak sekali dijumpai pada kerak bumi yang mengalami stress tensional.


Sesar naik (reverse fault) dan thrust fault

Sesar naik berkembang karena stress kompresional. Gerak pada sesar naik, blok hanging wall relatif naik terhadap blok foot wall. Sesar naik terjadi karena kerak memendek. Bila kemiringan bidang sesarnya lebih dinamakan sesar anjakan (thrust fault). Dan umumnyakecil dari 45 berasosiasi dengan perlipatan kuat, akibat gaya kompresi horizontal sangat kuat pada kerak bumi. Thrust fault berkembang dari lipatan yang kemudian tersesarkan. Thrust fault banyak dijumpai pada pegunungan lipatan.
Sesar mendatar (strike slip fault)

Sesar mendatar sering juga disebut sesar geser. Akibat bekerjanya shear stress gerak utama sesar ini adalah horizontal dan sejajar dengan bidang sesarnya.
Pergerakan lateralnya ditentukan dengan melihat bidang sesarnya. Bila pengamat berdiri didepan blok sesar yang bergerak kearah kanannya, maka sesar mendatar tersebut namanya sesar mendatar menganan atau sesar mendatar dextral.
Atau dikatakan juga right lateral slip fault. Dan sebaliknya bila blok didepan pengamat bergerak kekiri namanya sesar mendatar mengiri atau sesar mendatar sinister (left lateral slip fault).
Contoh sesar mendatar besar yang terkenal adalah sesar San Andreas di California Amerika dan di Indonesia, sesar Sumatra, sepanjang bagian Barat pulau Sumatra, sesar Palu-Koro di Sulawesi, sesar Sorong di Irian dan lainnya. Pada umumnya sesar mendatar besar merupakan batas lempeng, atau kejadiannya berkaitan dengan aktivitas pergerakan lempeng. Oleh karena itu kebanyakan masih aktif (masih bergerak sampai saat ini meskipun sangat lambat) seperti contoh diatas, keduanya masih aktif.
Meskipun geraknya tidak teramati, tetapi pengaruhnya jelas. Sepannjang sesar sering terjadi gempa bumi dan tanah longsor.
Sesar mendatar yang merupakan batas lempeng dan berkaitan dengan pemekaran lempeng namanya sesar transform, seperti yang terdapat di lantai samudra.
Sering kita jumpai dinding atau bidang rekahan, namun tidak dapat dengan segera mengetahui apakah pernah terjadi gerakan atau pergeseran sepanjang bidang tersebut atau tidak. Dengan kata lain kita tidak dapat menentukan apakah bidang tersebut akibat sesar.
Ada beberapa jejak yang ditimbulkan dan terekam oleh gesekan pada batuan yang tersesarkan. Diantaranya adalah gores-garis (slickensides), gesekan antara batuan yang keras, permukaannya menjadi halus dan licin disertai goresan-goresan dan striasi pada bidang sesar. Tidak semua sesar mempunyainya, atau sudah tidak tampak lagi karena tererosi. Kebanyakan gerak sesar menghancurkan batuan yang begesekan menjadi berbagai ukuran yang tidak beraturan besarnya, membentuk breksi sesar (fault breccia).
Breksi sesar dapat dengan mudah dibedakan dari breksi sedimenter karena fragmen dan matriksnya terdiri dari material yang sama. Biasanya fragmen dalam breksi sesar memperlihatkan arah yang sama dengan sesarnya.
Gejala lainnya adalah bergesernya lapisan batuan pada blok-blok yang tersesarkan.
Pergeseran lapisan disebut sebagai offset bidang perlapisan. Adanya offset bidang perlapisan mempermudah menentukan jenis sesar.
Kemudian, akibat adanya gesekan antar blok, lapisan sekitar sesar terseret dan terlipat, menjadikan lipatan-lipatan seretan (drag fold atau drag fault).
Selain itu masih ada beberapa gejala lain yang diakibatkan sesar dan sangat membantu dalam menentukan gerak relatif sesar.


Hubungan lipatan dan sesar

Lipatan dan sesar tidak selalu menerus. Sesar-sesar cenderung berhenti sebagai lipatan Lipatan, akan berhenti diujungnya yang makin mengecil,
Jika dua macam batuan terkena tegasan yang sama, yang regas (britle) akan terdeformasi sebagai rekahan atau tersesarkan, dan lainnya yang lentur (ductile) terdeformasi ductile. Hasilnya adalah sebuah lipatan monoklin,

Beberapa sesar anjakan (thrust fault), diawali oleh lipatan rebah yang karena tegasannya berlanjut, sayapnya yang terbalik tertarik kuat, teregangkan dan akhirnya patah menjadi sesar anjakan.


Kekar (joint)

Kekar atau joint adalah rekahan-rekahan pada batuan, lurus, planar dan tidak terjadi pergeseran.
Kekar umumnya terdapat sebagai rekahan tensional dan tidak ada gerak sejajar bidangnya.Kekar membagi-bagi batuan yang tersingkap menjadi blok-blok yang besarnya bergantung pada kerapatan kekarnya. Dan merupakan bentuk rekahan paling sederhana yang dijumpai pada hampir semua batuan. Biasanya terdapat sebagai dua set rekahan, yang perpotongannya membentuk sudut berkisar antara 45 sampai 90 derajat.
Kekar mungkin berhubungan dengan sesar besar atau oleh pengangkatan kerak yang luas, dapat tersebar sampai ribuan meter persegi luasnya. Umumnya pada batuan yang regas. Kebanyakan kekar merupakan hasil pembubungan kerak atau dari kompresi atau tarikan (tension) berkaitan dengan sesar atau lipatan.
Ada kekar tensional yang diakibatkan oleh pelepasan beban atau pemuaian batuan. Kekar kolom pada batuan volkanik terbentuk oleh tegasan yang terjadi ketika lava mendingin dan mengkerut.
Pada lapisan-lapisan sedimen terutama batupasir, sering terdapat kekar-kekar yang bervariasi arahnya. Rekahan ini terbentuk selama penimbunan dan litifikasi yang akan tetap tertutup selama tertimbun dikedalaman. Karena erosi dan tersingkap, sedikit pendinginan dan kompresi relief memungkinkan rekahan agak terbuka.
Pada beberapa daerah kekar mengontrol pola aliran sungai, terutama aliran-aliran sekundernya.
Kekar juga mempunyai nilai ekonomis. Dapat memperbesar permeabilitas yang penting bagi migrasi dan menampung air tanah dan minyak bumi.
Analisa kekar sangat diperlukan dalam eksplorasi dan
pengembangan sumber daya alam. Rekahan-rekahan mengontrol endapan mineral, tembaga, timbal, seng, merkuri, perak, mas dan tungsten.
Larutanhidrotermal yang berasosiasi dengan intrusi batuan beku mengalir sepanjang kekar-kekar dan mengendapkan mineral-mineral sepanjang dinding kekar, membentuk urat-urat mineral (mineral veins).
Konstruksi besar, seperti bendungan, sangat perlu memperhatikan sistem kekar pada batuan. Selain mempengaruhi daya dukung batuan, kekar juga dapat menimbulkan masalah kebocoran.
Dalam penambangan batuan, marmer, granit dll, sistem kekarlah yang menentukan berapa besar blok batuan yang dapat ditambang. Dan adanya kekar-kekar akan mengurangi peledakan yang diperlukan.


Deformasi batuan dan cebakan minyak-bumi

Cebakan minyak bumi atau lebih sering dikatakan reservoir minyak bumi tidaklah berupa sebuah kolam atau danau yang penuh dengan minyak. Tetapi suatu bentuk tubuh batuan dimana minyak bumi memenuhi seluruh ruang pori-porinya. Minyak dan gas bumi terdapat bersamaan.
Kebanyakan reservoir minyak dan gas bumi yang besar-besar di dunia disebabkan oleh deformasi batuan
Agar satu tubuh batuan dapat bertindak sebagai reservoir, harus memenuhi beberapa syarat.

1. Adanya batuan induk (source rock) yang kaya akan material organik, seperti serpih yang menghasilkan minyak. Serpih umumnya mengandung material organik dari tumbuhan dan binatang yang mati dan dapat menjadi batuan induk. Perubahan material organik menjadi minyak dan gas terjadi secara spontan saat serpih tertimbun dan pengaruh gradient panas bumi, suhu batuan induk naik.
2. Harus ada batuan reservoir yang porous dan permeabel agar minyak dapat meresap masuk dari batuan induk.
3. Dalam batuan reservoir minyak akan terapung keatas permukaan air dan tidak akan terperang-kap jika batuan reservoir tidak ditutupi oleh lapisan penutup, batuan impermeabel (roof-rock)
4. Sebagai halnya air tanah dapat mengalir kesamping, minyak dapat mengalir dan keluar. Reservoir dan batuan penutup harus membentuk sebuah perangkap agar minyak tidak terdesak keluar oleh air tanah. Perangkapnya dapat berupa perangkap struktur, antiklin atau sesar dan perangkap stratigrafi, ketidak selarasan atau perubahan fasies sedimen.
5. Dan yang penting, deformasi yang membentuk perangkap harus sudah ada sebelum minyak dan gas terlepas keluar dari batuan reseroir. Hal ini penting karena perubahan material organik menjadi minyak segera setelah tertimbun. Jika perangkap terjadi lama setelah pembentukan minyak, maka tidak akan ada akumulasi minyak.

Perangkap minyak yang besar-besar di Timur tengah (Saudi Arabia, Kuwait, Irak dll.) adalah perangkap struktur. Deformasi yang membentuk perangkap ini akibat pergerakkan tektonik lempeng. Pada saat yang tepat batuan sedimen di Timur tengah terdeformasi oleh kompresi akibat desakan Afrika terhadap Asia.