Analisis Tanah Lempung Sepanjang Jalan Bireuen-Takengon, Provinsi Nanggroe Aceh Darussalam

Latar Belakang

Tanah ekspansif adalah tanah berplastisitas tinggi yang mengalami perubahan volumetrik karena perubahan kadar air dalam tanah (Horn dan Strydom, 1998 dalam Dlamini, 2015). Tanah tersebut mengembang ketika basah dan menyusut setelah pengeringan dan menghasilkan rongga yang besar (desiccation cracks) di dalam tanah sehingga tanah menjadi tidak stabil dan berbahaya. Sifat mengembang terjadi akibat daya tarik kimia molekul air di dalam struktur lembar mineral lempung pada tanah (Das, 2002 dalam Dlamini, 2015). Tanah ekspansif juga disebut sebagai tanah mengembang, tanah aktif, tanah menyusut atau tanah bergelombang.

Tanah ekspansif menimbulkan bahaya geologi signifikan yang dapat menyebabkan kerusakan infrastruktur. Kehadiran tanah ekspansif dan masalah terkait telah dilaporkan di lima benua (Chen, 1988 dalam Dlamini, 2015) dan di lebih dari enam puluh negara (Al-Rawas, 1999; Shi dkk., 2002 dalam Dlamini, 2015). Kasus tanah ekspansif yang cukup menjadi perhatian di Indonesia adalah kasus Hambalang.

Penginderaan jauh merupakan teknik pelengkap yang lebih cepat, lebih murah, dan tidak sulit yang akan mendukung pemetaan dan penyelidikan geologi teknik (Yitagesu dkk., 2009 dalam Dlamini, 2015). Sebagai alat, penginderaan jauh didasarkan pada akuisisi data spektral kuantitatif radiasi elektromagnetik yang dipantulkan dan dipancarkan dari permukaan bumi (Lillesand dkk., 2008 dalam Dlamini, 2015). Citra satelit dapat menyediakan area yang luas atau cakupan sinoptik yang memungkinkan untuk memeriksa suatu daerah pada skala regional atau pandangan tunggal untuk mendapatkan detail yang lebih halus (Lillesand dkk., 2008 dalam Dlamini, 2015). Citra satelit sangat berguna di daerah terpencil karena data dapat diperoleh tanpa kontak fisik memasuki daerah tersebut.

Untuk kasus wilayah Indonesia yang memiliki banyak gunungapi, mineral lempung banyak terdapat akibat proses alterasi maupun pelapukan kimia. Efek dari tanah ekspansif dapat terjadi pada kasus-kasus lereng dan jalan yang ada di beberapa wilayah yang membutuhkan jalan penghubung guna mendukung perekonomian dan kegiatan sosial antarkabupaten atau provinsi.

Tujuan dari penelitian ini adalah mengindentifikasi tanah ekspansif menggunakan teknik penginderaan jauh untuk perencanaan investigasi geoteknik di sepanjang Jalan Bireuen-Takengon, Provinsi Nanggroe Aceh Darussalam. Dalam hal ini tanah ekspansif dapat berhasil diidentifikasi dan diklasifikasikan menggunakan penginderaan jauh.

Studi Literatur

Tanah ekspansif bergantung kepada jenis dan jumlah mineral lempung yang hadir dalam tanah. Mineral lempung adalah faktor paling penting yang mengontrol sifat-sifat tanah ekspansif (Mitchell, 1993; Chen, 1988; Gourley dkk., 1993 dalam Dlamini, 2015). Fraksi lempung dan luas permukaan spesifik lempung dapat meningkatkan potensi perluasan tanah melalui peningkatan daerah untuk afinitas air (Carter dan Bentley, 1991; Chen, 1988 dalam Dlamini, 2015). Mineral lempung menentukan proses penyatuan partikel tanah dan perubahan kembang-kusut (swell dan shrink) akibat air.

Mineral lempung adalah hidro-filosilikat yang hampir semua terbuat dari perulangan lapisan silikat tetrahedral dan lembar hidroksida oktahedral (Deer dkk., 1992;. Horn dan Strydom, 1998; Nesse, 2000 dalam Dlamini, 2015). Susunan lembar ini menimbulkan dua jenis struktur mineral lempung, yaitu struktur 1: 1 dan 2: 1. Struktur lembar mineral lempung mempengaruhi sifat fisikokimia tanah; sifat tersebut termasuk kapasitas penukaran kation, plastisitas, kemampuan kerja, kekuatan hijau, dan refrakter (Horn dan Strydom, 1998 dalam Dlamini, 2015). Beberapa mineral lempung yang paling dominan mencakup kaolinit, illit, monmorilonit (smektit) dan interstratifikasi (lapisan campuran lempung).

Penginderaan jauh adalah ilmu dan seni untuk memperoleh informasi tentang obyek, daerah, atau fenomena melalui analisis data yang diperoleh oleh sebuah perangkat yang tidak bersentuhan dengan objek, daerah, atau fenomena yang diteliti (Jensen, 2005; Lillesand dkk., 2008 dalam Dlamini, 2015). Hal ini dilakukan melalui akuisisi data spektral kuantitatif dari radiasi elektromagnetik yang direflektansikan dan dipancarkan dari permukaan bumi (Lillesand dkk., 2008 dalam Dlamini, 2015). Berbagai bagian dari spektrum elektromagnetik yang penting untuk pemetaan mineral mencakup panjang gelombang visible and near infrared (VNIR), short wave infrared (SWIR), dan thermal infrared (TIR). Fitur penyerapan dalam saluran VNIR berhubungan dengan obligasi kation dan proses listrik dan berguna untuk pemetaan oksida besi dan hidroksida seperti hematite dan goethite. Fitur penyerapan SWIR berhubungan dengan proses getaran dan peregangan antara molekul air dan kation yang berguna dalam pemetaan silikat dioktahedral dan trioktahedral yang mencakup mineral lempung dan amfibol. TIR berguna untuk pemetaan kerangka silikat seperti kuarsa dan feldspar; fitur penyerapan Si-O di saluran TIR mendukung hal ini. Pemetaan mineral menggunakan teknik penginderaan jauh yang terbaik adalah ketika vegetasi minimum dan tanah serta batuan terlihat.

Karakteristik reflektansi spektral tanah merupakan fungsi dari faktor-faktor seperti; tekstur tanah, kelembaban tanah, kandungan bahan organik, konten oksida besi, salinitas tanah, dan kekasaran permukaan (Van der Meer, 1999; Jensen, 2007 dalam Dlamini, 2015). Tekstur tanah dan kadar air tanah sangat dipengaruhi oleh kandungan mineral lempung dan tekstur tanah juga mempengaruhi kandungan bahan organik.

Tekstur tanah sebagian besar dipengaruhi oleh jumlah dan jenis kandungan lempung yang pada gilirannya mempengaruhi sifat ekspansif tanah, struktur tanah, dan bahan organik tanah (Jensen, 2007 dalam Dlamini, 2015). Ukuran partikel tanah adalah properti tambahan tekstur tanah, dengan penurunan reflektansi spektral tanah dikaitkan dengan peningkatan ukuran partikel. Hal ini disebabkan butiran yang lebih kecil memiliki reflektansi permukaan dan beberapa pusat hamburan yang lebih banyak dibandingkan dengan ukuran partikel yang lebih besar dengan jalur yang lebih internal dengan radiasi bersifat kurang diserap dan dipantulkan (Van der Meer dkk., 2012 dalam Dlamini, 2015). Properti lain yang berkaitan dengan tekstur tanah adalah kandungan bahan organik. Kehadiran bahan organik dalam tanah mengurangi kecerahan keseluruhan spektrum dan dapat menutupi fitur penyerapan. Jumlah material organik mungkin dapat secara signifikan mempengaruhi spektrum tanah yang bervariasi dengan tanah yang berbeda.

Kadar air tanah mempengaruhi spektrum tanah secara berbeda, yang memungkinkan untuk mengidentifikasi dan membedakan kadar air tanah yang berbeda. Kadar air tanah yang dapat diidentifikasi meliputi air pori bebas, air higroskopis dan hidrasi serta fitur-fitur yang dibedakan dalam wilayah spektrum elektromagnetik Short Wave Infrared (SWIR). Air pori bebas dan air higroskopis mengurangi pantulan keseluruhan tanah (Bedidi dkk., 1991 dalam Dlamini, 2015); dalam jumlah berlebih dapat menyebabkan fitur penyerapan di rentang panjang gelombang 1400 nm dan 1900 nm terlihat membulat. Air hidrasi memiliki fitur pembeda pada panjang gelombang yang lebih pendek yaitu lebih sempit dan dapat menghasilkan perluasan penyerapan band 2200 nm (Hauff, 2000 dalam Dlamini, 2015). Band 1900 nm menunjukkan air hidrasi dan menjadi penting berkaitan dengan potensi mengembang yang ada (Chabrillant dkk., 2002 dalam Dlamini, 2015). Potensi mengembang tinggi diperkirakan memiliki penyerapan yang lebih dalam dan luas pada panjang gelombang 1900 nm. Saluran penyerapan 1900 nm dapat digunakan untuk membedakan antara kaolinit dan montmorilonit atau ilit.

Tanah ekspansif menunjukkan fitur penyerapan pada band SWIR dari spektrum elektromagnetik karena fitur penyerapan karakteristik mineral lempung berada di band ini (Goetz dkk., 2001;. Chabrillant dan Goetz, 2006 dalam Dlamini, 2015). Mineral lempung yang dapat diidentifikasi dan dapat dibedakan dengan menggunakan region SWIR, panjang gelombang 1900 nm – 2500 nm sangat penting. Di wilayah ini, ada atau tidak adanya molekul hidroksil dan air penting untuk membedakan mineral lempung. Molekul-molekul ini menghasilkan proses getaran yang mempengaruhi penyerapan energi. Fitur penyerapan diagnostik yang berkaitan dengan molekul radikal hidroksil dan air ditunjukkan masing-masing pada panjang gelombang 1400 nm dan 1900 nm. Saluran penyerapan 1400 nm berhubungan dengan peregangan OH, sementara band 1900 nm berkaitan dengan air terikat dan karenanya mungkin menunjukkan potensi mengembang mineral lempung (Chabrillant dan Goetz, 2006 dalam Dlamini, 2015). Semua mineral lempung menunjukkan penyerapan diagnostik sekitar 2200 nm – 2300 nm yang berkaitan dengan kombinasi Al-OH (Chabrillant dan Goetz, 2006 dalam Dlamini, 2015). Posisi band 2200 nm bervariasi dalam mineral lempung yang berbeda. Variasi ini disebabkan rasio yang berbeda dari Al, Fe, dan kation Mg (Crowley dan Vergo, 1999 dalam Dlamini, 2015). SWIR sensitif terhadap variasi struktur kimia dan kristal dari mineral lempung. Tabel 1 menunjukkan fitur penyerapan dari beberapa mineral lempung.

Tabel 1. Fitur penyerapan utama dan molekul yang berkaitan seperti hidroksil dan air dari mineral lempung seperti smektit, ilit, dan kaolinit.
Tabel

 METODE

Dalam studi ini terdapat beberapa metode untuk menghasilkan lokasi jalan yang rentan ketidakstabilan terkait sifat mengembang tanah lempung (Gambar 1).

Metod
Gambar 1. Metode yang dilakukan dalam studi.

Koreksi atmosfer dilakukan untuk mendapatkan kondisi permukaan bumi yang lebih akurat dan meningkatkan kejelasan atau ketajaman citra sehingga objek yang di teliti dapat terlihat. Pengaruh dari efek atmosfer disebabkan oleh debu, kabut, atau asap yang sering kali menyebabkan efek bias dan pantul pada detektor, sehingga gambaran permukaan di bawahnya tidak dapat terekam secara normal.

Tahapan awal dalam mengoreksi atmosfer menggunakan metode FLAASH yaitu merubah Digital Number citra raster menjadi nilai Radiance, metode ini menggunakan pendekatan Planetary Reflectance dengan metode Top of Atmosphere (TOA). Kemudian dari hasil tersebut digunakan untuk melakukan pemrosesan menggunakan dengan metode FLAASH. Kriteria pengaturan yang diberikan dalam metode FLAASH yaitu tipe sensor Landsat 8 OLI TIRS, model aerosol berupa maritim karena berkaitan dengan posisi daerah studi berbentuk kepulauan, initial visibility sebesar 40 km yang menunjukkan cuaca pada citra di daerah studi dalam kondisi cerah, tinggi skala aerosol setinggi 1,5 km, rasio campuran CO2 sebesar 390 ppm, resolusi Modran 15 cm – 1, model multiscatter Modran yang dipilih adalah ISAACS, dan faktor skala reflektansi yang dihasilkan sebesar 1000.

DATA DAN ANALISIS

Secara geografis, daerah studi terletak di antara 5,27839 – 4,51068 Lintang Selatan dan 96,4509 – 97,0476 Bujur Timur (Gambar 2). Pada daerah studi  terdapat jalan nasional bernama Jalan Bireuen-Takengon yang berdekatan dengan sungai utama Peusangan. Daerah studi mencakup empat kabupaten: bagian selatan adalah Aceh Tengah, bagian tengah Bener Meriah, utara di Kabupaten Bireuen dan Aceh Utara.

Daerah studi memiliki beberapa formasi batuan yang terdiri dari Formasi Idi (Qpi) yang tersusun oleh kerikil agak mampat, pasir, batugamping, dan lempung, Formasi Seureula (Tps) tersusun oleh batupasir gunungapi klastika dan batulumpur gampingan sublitoral, Formasi Keutapang (Tuk) mengandung batupasir gunungapi klastika sublitoral dan delta sungai, Formasi Baong dengan penyusun batulumpur gampingan, dan batuan pusat Gunungapi Geureundong dengan produk vulkanik berupa Satuan Enang-Enang, Pepanji, Nama Salah, Lanpahan, dan Satuan Telong (Gambar 3).

Daerah

Gambar 2. Lokasi daerah studi (diunduh dari Google Earth).

Daerah geologi

Gambar 3. Peta geologi Lembar Takengon dan Lhokseumawe (Keats dkk., 1981 dan Cameron dkk., 1983).

Gambar 4 menunjukkan citra Landsat 8 OLI TIRS yang diunduh dari situs http://earthexplorer.usgs.gov/ Path 130 Row 57 dengan tanggal pengambilan data 4 Mei 2015 05:49:13z. Gambar 4 menunjukkan citra yang belum dikoreksi atmosfer. Sementara itu, Gambar 5 menunjukkan citra yang sudah dilakukan koreksi atmosfer dan nampak terlihat lebih cerah karena pengaruh atmosfer sudah dihilangkan.

Peta sebelum FlaashOke
Gambar 4. Citra Landsat 8 OLI TIRS Path 130 Row 57.

Peta setelah FlaashOke
Gambar 5. Citra yang sudah dikoreksi atmosfer.

Selanjutnya dilakukan resize data untuk memilih Region of Interest daerah studi. Gambar 6 memperlihatkan kenampakan alami dari daerah studi sehingga dapat dikenali beberapa objek utama seperti area perkotaan/permukiman yang diperlihatkan dengan warna putih, vegetasi warna hijau, laut warna biru, dan danau warna biru tua.

432Gambar 6. Komposisi RGB 432 natural daerah studi.

Gambar 7, 8, dan 9 secara berurutan memperlihatkan citra komposit dengan susunan RGB 567, 754, dan 765. Komposit citra tersebut menunjukkan kenampakan citra yang berbeda secara warna tetapi dapat diidentifikasi objek studi yang sama, yaitu area dengan perkiraan keberadaan mineral lempung. Area tersebut diperlihatkan dengan warna biru muda pada Gambar 7, warna pink pada Gambar 8, dan kuning kecoklatan pada Gambar 9.

567Gambar 7. Komposit citra RGB 567 di daerah studi.

754Gambar 8. Komposit citra RGB 754 di daerah studi.

765Gambar 9. Komposit citra RGB 765 di daerah studi.

Santos dan Goncalves (2014) mengemukakan bahwa pencarian dari mineral lempung di suatu wilayah berada pada region Short Wave Infra Red (SWIR) dengan karakteristik band 6 yang memperlihatkan nilai reflektansi yang lebih kuat dibandingkan band 7. Profil spektral dari area dengan perkiraan keberadaan mineral lempung di daerah studi menunjukkan pola reflektansi yang tinggi pada band 6 dan adanya pola penyerapan pada band 5 dan band 7 (Gambar 10).

SpectralProfileClay
Gambar 10. Profil spektral dari area perkiraan mineral lempung.

SpectralProfileVegetasi
Gambar 11. Profil spektral vegetasi di daerah studi.

Sementara itu, pola reflektansi untuk objek lain seperti vegetasi menunjukkan pola reflektansi paling tinggi pada band 5 dengan nilai Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) sebesar 0,80-0,94 (lihat Gambar 11) dan objek air menunjukkan pola reflektansi yang semakin menurun dari band 1 hingga band 7 dengan band visible di panjang gelombang biru memiliki nilai reflektansi paling besar (Gambar 12).

SpectralProfileWater
Gambar 12. Profil spektral air di daerah studi.

Indikasi mineral lempung dengan karakteristik penyerapan di band 5 dan band 7 serta pola reflektansi yang lebih kuat di band 6 menjadikan dasar untuk melakukan komposit citra melalu band math. Hal ini bertujuan untuk memperkuat tampilan dan memperlihatkan sebaran area yang lebih luas dan banyak untuk mencari keberadaan mineral lempung di area studi.

Gambar 13 memperlihatkan komposit citra RGB berturut-turut melalui Band (B) Math B6-B5, B6-B7, dan band 7. Gambar 14 menunjukkan komposit citra RGB berturut-turut melalui Band (B) Math B6-B7, B6, dan B5/B7. Sementara itu, Gambar 15 menunjukkan komposit citra RGB berturut-turut melalui Band (B) Math (B5*B7)/B6, B7, dan B6. Gambar 14 dan Gambar 15 nampaknya memperlihatkan keberadaan mineral lempung dengan sebaran yang lebih detail. Hal ini diperkirakan terkait komposisi band math yang digunakan dengan perlakuan band 5 dan band 7 yang semakin dikecilkan nilai reflektansinya melalui pembagian maupun pengurangan dengan band 6.

B6-B5,B6-B7,B7Gambar 13. Komposit citra RGB B6-B5, B6-B7, B7.

B6-B7,B6,B5slashB7Gambar 14. Komposit citra RGB B6-B7, B6, B5/B7.

 
B5kaliB7,B7,B6Gambar 15. Komposit citra RGB (B5*B7), B7, B6.

Gambar 14 dan 15 masing-masing memperlihatkan keberadaan mineral lempung dengan warna hijau, biru muda, dan kuning kecoklatan. Profil spektral pada area tersebut menunjukkan ciri spektral yang sama dengan pola reflektansi yang lebih kuat pada band 6 dan pola penyerapan pada band 5 dan 7.

HASIL DAN DISKUSI

Mineral lempung dapat berada pada berbagai jenis batuan, termasuk pada batuan sedimen yang lapuk secara kimia dan hasil alterasi produk vulkanik. Produk ubahan dan pelapukan kimiawai dari gunungapi Geureudong dan sejumlah kecil dari Formasi Baong, Sereula, Idi, dan Keutapang diperkirakan merupakan sumber dari pembentukan mineral lempung di daerah studi.


Gambar 16. Area yang ditandai lingkaran merah menjadi fokus perhatian terhadap kestabilan jalan Bireuen-Takengon.

Setelah dilakukan interpretasi keberadaan mineral lempung di daerah studi, dapat ditunjukkan lokasi-lokasi yang memiliki tingkat kerentanan terhadap kestabilan jalan dan lereng. Secara umum terdapat 6 (enam) area yang perlu diwaspadai terkait sifat mengembang tanah lempung yang terdapat di sepanjang jalan Bireuen-Takengon (lihat Gambar 16).

Sadisun dkk. (2003) mengilustrasikan ketidakstabilan lereng dan jalan berkaitan dengan sifat mengembang batulempung (Gambar 17). Batulempung dalam kasus tersebut merupakan jenis batuan lunak sehingga secara umum memiliki kondisi pengaruh yang sama dengan tanah lempung.

Dalam melakukan interpretasi mineral lempung, metode hiperspektral dapat menganalisis hingga jenis mineralnya seperti keberadaan smektit, ilit, dan kaolinit. Dalam studi penginderaan jauh yang dilakukan saat ini, penulis tidak melakukan analisis hiperspektral. Selain itu, produk vulkanik dari Gunung Geureudong akan menunjukkan jenis produk yang berbeda dan berpengaruh terhadap jenis mineral lempung yang dihasilkan.

Selanjutnya, penginderaan jauh yang dilakukan terhadap daerah studi, diharapkan dapat dianalisis jenis mineral lempungnya sehingga dapat ditentukan area berpotensi ketidakstabilan tinggi, menengah, dan rendah. Smektit selama ini dikenal sebagai mineral lempung dengan potensi mengembang tinggi yang akan memberikan dampak paling besar terhadap ketidakstabilan lereng maupun pondasi jalan.

Lempung
Gambar 17. Ketidakstabilan lereng dan jalan berkaitan dengan pengaruh lempung (Sadisun dkk., 2003).

KESIMPULAN

Mineral lempung yang ada di daerah studi diperkirakan terutama sebagai produk ubahan dan pelapukan kimia dari gunungapi Geureudong dan sejumlah kecil dari Formasi Baong, Sereula, Idi, dan Keutapang. Daerah studi yang berada di sekitar Jalan Bireuen-Takengon memiliki setidaknya 6 (enam) area yang menjadi perhatian terhadap ketidakstabilan lereng dan jalan. Selanjutnya, analisis hiperspektral diharapkan ke depannya dilakukan guna mendapatkan tingkat ketidakstabilan di daerah studi.

REFERENSI

Cameron, N. R., Bennett, J. D., Bridge, D. McC., Clarke, M. C. G., Djunuddin, A., Ghazali, S. A., Harahap, H., Jeffrey, D. H., Kartawa, W., Keats, W., Ngabito, H., Rocks, N. M. S., dan Thompson, S. J., 1983, Peta Geologi Lembar Takengon, Sumatra, Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi, Bandung.

Dlamini, N. J., 2015, Detection of expansive soils using remote sensing in Brits, North-West Province, South Africa, Theses Master of Science in Geography, University of Pretoria.

Keats, W., Cameron, N. R., Djunuddin, A., Ghazali, S. A., Harahap, H., Kartawa, W., Ngabito, H., Rock, N. M. S., Thompson, S. J., dan Whandoyo, R., 1981, Peta Geologi Lembar Lhokseumawe, Sumatra, Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi, Bandung.

Sadisun, I. A., Shimada, H., Ichinose, M., dan Matsui, K., 2003, Slope instability of road cuts due to rock slaking, 12th Asian Regional Conf. on   Soil Mechanics & Geotechnical Engineering, p. 747-750.

Santos, N. D. dan Goncalves, G., 2014, Remote sensing applications based on satellite open data (Landsat 8 and Sentinel-2), Conferencia Nacional de Geodecisao, Barreiro.

 

Komentar

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s