Bagaimana Cara Para Ahli Geofisika Mengetahui Adanya Struktur Internal Bumi?
Artikel ini akan menjawab bagaimana cara para ahli geofisika mengetahui adanya struktur internal bumi. Apakah metode yang digunakan dan bagaimana prinsip sistem kerjanya.
Pengantar Bagaimana Cara Para Ahli Geofisika Mengetahui Adanya Struktur Internal Bumi
Jadi bagaimana cara para ahli geofisika mengetahui adanya struktur internal bumi? Secara singkat, para ahli geofisika mengetahui adanya struktur internal bumi menggunakan gelombang seismik yang dihasilkan di interior bumi. Gelombang ini memberikan image yang membantu para ahli untuk lebih memahami pola konveksi mantel yang menggerakkan lempeng bumi.
Pada bagian-bagian selanjutnya akan dibahas lebih detil untuk menjawab pertanyaan tersebut.
Empat puluh tahun setelah penemuan penyebaran dasar laut dan penerimaan teori lempeng tektonik, masih ada kesenjangan pengetahuan dasar yang penting. Kesenjangan tersebut ada dalam pemahaman tentang pola konveksi yang yang menggerakkan lempeng bumi. Fenomena ini yang akan mengarah pada kejadian gempa bumi, tsunami, dan letusan gunung berapi.
Masih terdapat banyak perdebatan yang sengit mengenai beberapa pertanyaan.
Apakah litosfer samudera didorong turun ke kedalaman pada batas lempeng konvergen mencapai dasar mantel bumi?
Apakah plume yang panas dan berada dikedalaman bumi naik melalui mantel di bawah gunung berapi ‘hotspot’ mid-plate?
Apa hubungan relatif heterogenitas komposisi versus termal dalam konveksi mantel?
Dan apa peran yang dimiliki inti dalam bumi yang kokoh dalam ‘geodynamo’, yang membuat medan magnet Bumi tetap hidup, dan dalam evolusi termal planet kita?
Perkembangan Metode Seismik
Untuk mengatasi kontroversi ini, seismologi telah memberikan gambaran interior dalam bumi. Dari konstruksi model akurat struktur radial satu dimensi Bumi (Gambar 1) sampai dengan model struktur tiga dimensi (Gambar 2) saat ini.
Kemajuan dalam pencitraan seismik berjalan seiring dengan peningkatan dalam desain sensor seismik. Selain itu kapasitas untuk merekam jumlah data yang semakin besar secara digital. Selain itu, kemajuan teoretis dalam hal perambatan gelombang seismik melalui media tiga dimensi yang kompleks juga sangat membantu.
Dan tentu saja dukungan perkembangan komputer yang kuat untuk dapat mensimulasikan gelombang seismik dan untuk inversi dari matriks besar.
Gambar 1 Struktur Radial Bumi
Gambar 1 merupakan gambar struktur radial bumi dan unit struktural orde pertama Bumi dengan rangkaian lapisan konsentris dan perkiraan komposisi mereka. Gambar ini dibuat selama paruh pertama abad kedua puluh dari pengukuran waktu perjalanan gelombang seismik yang dibiaskan dan dipantulkan di dalam Bumi. Bukti soliditas dari inti dalam harus menunggu kemampuan untuk merekam dan mendigitalkan seri waktu yang lama dan mengukur frekuensi osilasi gratis. Diskontinuitas ‘660 km’ adalah perubahan fasa, dan mungkin perubahan komposisi, dalam mantel silikat.
Gambar 2 Struktur Bumi Tiga Dimensi Berskala Besar Hasil Seismik Tomografi
Gambar 2 adalah gambar struktur bumi tiga dimensi berskala besar seperti disimpulkan dari tomografi seismik. Setiap kolom gambar mewakili model yang berbeda dari struktur kecepatan geser mantel (menggunakan berbagai sumber data) yang ditunjukkan pada tiga kedalaman representatif (140 km, 925 km, dan 2.770 km). Gambar ini membantu menjawab pertanyaan bagaimana cara para ahli geofisika mengetahui adanya struktur internal bumi.
Gambar paling kiri, SAW24B16, dikembangkan di University of California di Berkeley; gambar tengah , S362D1, dikembangkan di Universitas Harvard; dan gambar kanan, S20RTS, dikembangkan sebagai kolaborasi antara Universitas Oxford dan Institut Teknologi California.
Di bagian atas ~ 250 km mantel, struktur mengikuti tektonik permukaan: punggungan lambat dan busur belakang (merah), akar cepat di bawah benua stabil (biru) dan kecepatan yang semakin cepat menjauh dari punggungan samudra tengah, konsisten dengan model “simple cooling plate”.
Di bawah litosfer yang paling tebal (250 km), polanya berubah, dan di zona transisi tanda –tanda yang jelas dari anomali cepat yang terkait dengan lempengan yang ditunjukkan muncul. Model terbaru menunjukkan berbagai perilaku untuk lempengan: beberapa tampaknya mandek di mantel atas; bagi yang lain tampaknya lanjut dengan anomali kecepatan-cepat pada ke mantel lebh bawah dengan kesudutan atau kemiringan yang tajam.
Dua daerah, di Amerika barat laut dan Asia Tenggara, menunjukkan anomali kecepatan tinggi yang mungkin terkait dengan subduksi masa lalu ke kedalaman yang cukup besar (~ 1.200–1.400 km).
Di pertengahan mantel, spektrum heterogen menjadi putih, yang menunjukkan bahwa itu didominasi oleh fitur skala yang lebih kecil. Di bagian bawah 1.000 km mantel, saat kami mendekati batas inti-mantel, pola baru heterogenitas panjang gelombang panjang semakin muncul, dengan dua daerah kecepatan rendah antipodal yang sangat besar berpusat di Samudra Pasifik dan di bawah Afrika dan dikelilingi oleh lebih cepat dari bahan rata-rata.
Seismik Tomografi Untuk Menjawab Bagaimana Cara Para Ahli Geofisika Mengetahui Adanya Struktur Internal Bumi
Seismik tomografi merupakan metode paling penting untuk menjawab pertanyaan bagaimana cara para ahli geofisika mengetahui adanya struktur internal bumi.
Dari seismik tomografi, pertama kali diperkenalkan pada akhir 1970-an, para ahli sekarang memiliki pemahaman yang baik tentang karakteristik tingkat pertama dari panjang-panjang gelombang (~ 1.000-2.000 km) struktur elastis tiga dimensi mantel bumi.
Pada panjang gelombang yang lebih pendek (~ 200 km), ‘lempeng’ berkecepatan tinggi yang mewakili litosfer samudera yang “jatuh terjun” kembali ke mantel. Inilah yang sampai saat ini, merupakan ‘objek’ yang paling baik dimengerti karena bentuk geometrinya. Banyak sumber gempa disebabkan lempengan tersebut dari bawah dan atas, setidaknya hingga ~ 600 km (Gambar 3a).
Ada penafsiran fitur skala besar yang dicitrakan di seluruh mantel dalam hal variasi lateral suhu, yang bisa sebanyak beberapa ratus derajat Celcius.
Sebagai contoh, cincin cepat kecepatan tinggi di bagian bawah mantel (ditunjukkan dengan warna biru pada Gambar 2) mungkin mewakili ‘ graveyard’ dari litosfer yang ditransmisikan dingin, dan daerah yang lambat, biasanya disebut sebagai ‘superplume’, yang aliran balik naik panas (ditunjukkan dalam warna merah pada Gambar 2).
Namun, semakin jelas bahwa variasi komposisi juga memiliki peran penting dalam konveksi mantel.
Indentifikasi Daerah “D”
Dengan perkembangan stasiun seismik broadband digital berkualitas tinggi di seluruh dunia dimulai pada awal 1980-an, (Gambar 3), maka pencitraan skala akhir menjadi mungkin. Hal yang paling mencolok adalah bukti yang didapatkan untuk dapat melihat kerumitan sistem pada kedalaman lebih dari 300-400 km pada, yang disebut sebagai wilayah “Dʹ”, yang merupakan lapisan batas kimia dan termal yang penting.
Banyak pengamatan seismik yang menarik telah dilakukan di wilayah ini, termasuk pengamatan luar biasa bahwa transisi lateral dari daerah kecepatan geser cepat di wilayah “Dʹʹ ini ke superplume. Hal ini terjadi secara tiba-tiba dalam kisaran yang jauh lebih kecil daripada yang mungkin terjadi jika variasi lateral suhu dianggap sebagai satu-satunya penyebab.
Mungkin tidak mengejutkan, lebih dekat ke permukaan bumi seperti kontras lateral yang kuat juga ditemukan di kedalaman litosfer, terutama di tepi wilayah tektonik dari berbagai asal dan usia. Pada loakasi tersebut mencirikan ketajaman atau ketidakjelasan batas-batas struktur heterogen jauh di dalam planet ini, dan mendeteksi dan memetakan heterogenitas skala kecil.
Ini berarti para ahli dapat mengekstraksi lebih banyak informasi dari seismogram daripada yang biasanya dilakukan.
Sisa-sisa litosfer yang berbeda secara komposisional di mantel bawah atau saluran plume yang sempit (jika ada) dapat dipetakan secara akurat. Hal tersebut dilakukan dengan pendekatan tomografi standar yang hanya menggunakan informasi yang dibawa oleh gelombang paling langsung . Gelmbang tersebut bergerak di sepanjang jalur terpendek menurut aturan sederhana teori ray.
Penting untuk memperhitungkan energi yang memantul dari sebaran lemah yang dapat memiliki berbagai ukuran.
Dalam praktiknya, ini berarti bekerja dalam pita frekuensi lebar, pada panjang gelombang spasial pendek, menggunakan amplitudo dan waktu tempuh semua fase seismik yang mungkin – yaitu, seluruh seismogram – dan menerapkan teknik peningkatan sinyal.
Tantangan Pemanfaatan Gelombang Seismik Untuk Menjawab Bagaimana Cara Para Ahli Geofisika Mengetahui Adanya Struktur Internal Bumi
Tantangan yang signifikan adalah distribusi sumber dan penerima gelombang seismik yang terbatas. Idealnya, seseorang ingin mencicipi volume Bumi secara seragam. Tetapi tidak seperti disiplin lain yang menggunakan pencitraan, seperti tomografi medis atau eksplorasi minyak bumi, ahli gempa bumi tidak dapat mengoptimalkan geometri eksperimental mereka (Gambar 3).
Untuk mengatasi keterbatasan ini, beberapa pendekatan yang menjanjikan sedang diupayakan. Cakrawala baru dan menarik baru-baru ini dibuka dengan kemampuan yang meningkat baik dalam perhitungan maupun pengumpulan data.
Sekarang ada skema numerik yang kuat untuk menghitung seismogram sintetik dalam struktur kompleksitas arbitrer. Hal ini seperti metode elemen spektral, yang disesuaikan dengan baik dengan geometri global bola Bumi.
Mereka dapat digunakan dalam berbagai cara, untuk pemodelan ke depan dari bentuk gelombang seismik yang diamati, serta untuk inversi seismogram untuk mengambil struktur tiga dimensi. Mereka masih berat pada komputasi tetapi memegang banyak janji untuk pembangunan generasi selanjutnya dari model tomografi Global.
Anisotropi dan disipasi, yang juga memengaruhi perambatan gelombang seismik. Saat ini , hal tersebut dapat dikarakterisasi dengan lebih baik. Karenanya dapat memberikan informasi tambahan tentang arah aliran, variasi suhu dan adanya pencairan parsial.
Program PASSCAL
Pada ujung yang lebih tinggi dari spektrum seismik, penyebaran array regional permanen yang padat. Hal ini seperti Hi-net di Jepang. Untuk yang sementara seperti PASSCAL (http://www.iris.edu/about/PASSCAL), adalah merangsang pengembangan teknik. Hal ini dapat mengikis perbedaan antara seismologi global dan geofisika eksplorasi.
Dengan menggunakan penyebaran energi baik ke belakang maupun ke depan, gambar-gambar slab yang sangat rinci mulai terbentuk. Dengan ini memungkinkan untuk menggunakan hasil pencitraan seismik untuk melacak air seperti yang terperangkap ke dalam mantel dengan lempeng subduksi.
Jaringan seismik global, dilengkapi dengan penyebaran tipe PASSCAL, dan array padat lokal menyediakan pengambilan sampel spasial yang cukup di beberapa wilayah benua. Hal ini untuk menyelidiki pelapisan skala halus di mantel mendalam dengan menggunakan teknik proyeksi belakang canggih yang baru dikembangkan.
Program USArray
Banyak yang diharapkan dari kumpulan data yang sekarang sedang dikumpulkan melalui program USArray dari Earthscope (http://www.iris.edu/USArray). Seismolog dapat mulai menempatkan batasan yang tepat pada kontras kecepatan dan ukuran serta kedalaman benda heterogen.
Ini dapat dikombinasikan dengan data eksperimental dan teoritis tentang fisika mineral untuk menentukan variasi lateral dalam komposisi dan suhu.
Sebagai contoh, dalam kasus transisi pasca-perovskit yang baru-baru ini ditemukan. Transisi yang diperkirakan terjadi pada kisaran suhu / tekanan wilayah “D”, ahli geofisika mineral dan ahli geodinamika bekerja bergandengan tangan dengan seismolog untuk mencari hadir di mantel dalam dan mengevaluasi konsekuensinya untuk dinamika mantel.
Pendekatan yang disebutkan di atas mengasumsikan bahwa sumber gempa yang didistribusikan dengan tepat tersedia. Di mana hal ini tidak memungkinkan, teknik yang berkembang pesat untuk menghilangkan kendala yang terkait dengan gempa bumi. Alam sedang membangun kumpulan data dari bentuk gelombang broadband berkelanjutan yang diakumulasikan oleh banyak stasiun di dunia.
Latar belakang kebisingan seismik yang terus menerus tereksitasi oleh lautan dan atmosfer dapat digunakan untuk membangun citra tomografi. Hal terseubut dilakukan melalui korelasi silang kebisingan. Pendekatan ini telah dibuktikan dalam penyelidikan kerak. Di mana keberadaan energi kuat dalam pita frekuensi mikroseismik (~ 1–15 detik) dapat dieksploitasi.
Terdapat masalah geodinamika utama yang harus diatasi: misalnya, struktur dalam dan anisotropi cekungan laut tidak dipahami dengan baik. Sebagian besar hotspot vulkanik berada di lautan.
Teknik Banana-doughnut Kernel
Kontroversi baru-baru ini tentang teknik ‘banana-doughnut kernel’ menunjukkan tingkat frustrasi. Perbaikan dalam teori propagasi gelombang dan dimasukkannya efek hamburan tidak dapat menebus kenyataan bahwa stasiun di pulau-pulau titik panas terisolasi. Hal ini tidak memungkinkan meningkatkan akurasi dalam hal membatasi kedalaman dan lateral dari anomali lambat yang mendasarinya.
Banyak daerah di mantel dalam dan inti saat ini tidak dapat diakses karena kurangnya stasiun di lautan. Meskipun upaya untuk instrumen dasar laut telah berlangsung selama lebih dari 20 tahun. Selain itu stasiun broadband lantai dasar laut jangka panjang masih sedikit.
Penyebaran sementara lokal, seperti yang berada di bawah punggung laut tengah, telah menghasilkan hasil yang spektakuler, dan proyek yang sedang berlangsung lainnya, seperti proyek Plume di Hawaii, akan membantu untuk mengatasi target tertentu. Sebuah observatorium kabel direncanakan di Pasifik barat laut, menggabungkan upaya Kanada dan AS (http://www.orionprogram.org/OOI/default.html).
Tetapi suatu program yang terkoordinasi secara internasional diperlukan untuk secara sistematis menggelar susunan pangkalan broadband lautan (1.000 km × 1.000 km) yang luas yang akan dibiarkan setidaknya satu atau dua tahun. Jaringan ini dirancang untuk merekam jumlah dan variasi gempa bumi yang memadai dan secara progresif mengisi celah dalam menerangi struktur dalam di bawah lautan.
Gambar 3 Seismisitas Dan Jaringan Global
Gambar 3a merupakan gambar distribusi gempa bumi berkekuatan di seluruh dunia (Mw) lebih besar dari 5,0 dari 1 Januari 1991 hingga 31 Desember 1996. Gempa bumi terjadi terutama di sepanjang batas lempeng, menggambarkan, khususnya, sistem punggungan laut tengah global. Gempa bumi umumnya dangkal (kuning).
Seismisitas dan jaringan global ini digunakan untuk mencari jawaban bagaimana cara para ahli geofisika mengetahui adanya struktur internal bumi.
Di zona subduksi di sekitar Samudra Pasifik dan di zona tabrakan di Eurasia selatan, gempa bumi mendalam (oranye) dan mendalam (merah) menunjukkan adanya lempengan litosfer dingin yang masuk ke mantel Bumi.
Gambar 3b merupakan gambar jaringan seismik digital broadband global saat ini (ditunjukkan pada Oktober 2007) telah dibangun melalui upaya internasional yang dikoordinasi oleh the Federation of Digital Seismic Networks (FDSN). Hal ini dilengkapi dengan susunan regional permanen yang lebih padat (tidak ditampilkan) dan penyebaran regional sementara. GSN, Global Seismic Network (komponen AS dari jaringan internasional).
Penutup Bagaimana Cara Para Ahli Geofisika Mengetahui Adanya Struktur Internal Bumi
Akhirnya, ketika gambar yang disediakan oleh seismolog menjadi lebih tajam, ada peluang yang semakin besar untuk bekerja sama dengan ahli geosains lainnya. Ahli lain seperti ahli geokimia, ahli geodinamika, dan ahli fisika mineral dilibatkan. Hal ini untuk membuat yang terbaik dari kendala pelengkap untuk ‘masalah terbalik’ yang menantang di interior planet kita.
mewakili – yaitu, menggunakan pengamatan di atau dekat permukaan Bumi untuk membatasi gagasan tentang struktur dan dinamika dalamnya. Komunikasi yang lebih baik dan pendidikan lintas di antara disiplin ilmu ini adalah kunci untuk kemajuan.
Hal ini termasuk menjawab bagaimana cara para ahli geofisika mengetahui adanya struktur internal bumi.
Terima kasih telah membaca artikel “Bagaimana Cara Para Ahli Geofisika Mengetahui Adanya Struktur Internal Bumi?” di website Geofisika Indonesia ini.
Semoga Bermanfaat!!!