Accredited by Ministry of Research, Technology                          DOI: https://doi.org/10.35799/jis.21.1.2021.31296 and Higher Education No: 28/E/KPT/2019                Available online at https://ejournal.unsrat.ac.id/index.php/jis
Kristalinitas Abu Vulkanik Gunung Soputan dan Implikasinya Terhadap Perilaku Eksplosif pada Erupsi Tahun 2016 dan 2018
Maria D. Bobanto 1) , Ferdy Ferdy 1) , Guntur Pasau 1) , D.D. Tampemawas 1) , A. Saefuloh 2) , Dolfie P. Pandara 1*)
1) Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sam Ratulangi, Manado, Indonesia
2) Pos Pengamatan Gunung Soputan, PVMBG Badan Geologi, KESDM, Manado, Indonesia *Corresponding Author: dpandara_fisika@unsrat.ac.id

## ABSTRAK
Gunung Soputan adalah gunung basaltik dengan tipe erupsi eksplosif.  Tipikal eksplosif berkaitan dengan karakter magma. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji kristalinitas abu vulkanik Gunung Soputan tahun 2016 dan 2018 dan implikasinya terhadap perilaku eksplosifnya. Kristalinitas abu vulkanik  dikarakterisasi  menggunakan  peralatan  difraktometer  sinar  X.  Indeks  kristalinitas dikalkulasi  menggunakan  persamaan  Soltys  dan  ukuran  kristal  dikomputasi  dengan  persamaan Debye-Scherrer.  Morfologi  partikel  abu  dikarakterisasi  menggunakan  SEM.  Hasil  karakterisasi menunjukkan bahwa abu Soputan tahun 2016 dan 2018 memiliki indeks kristalinitas yang  tinggi dan mengandung sejumlah kristal berukuran kecil serta memiliki dua bentuk morfologi yaitu bentuk padat dan blok bervesikular untuk abu hasil erupsi 4 Januari 2016, dan bentuk padat dan blok untuk abu hasil erupsi 6 Februari 2016 dan 3 Oktober 2018. Kristalinitas yang tinggi menyebabkan magma Soputan  memiliki  viskositas  yang  memadai  untuk  terjadinya    erupsi  yang  eksplosif.  Karakter eksplosif Gunung Soputan terekam dalam morfologi abu vulkaniknya.
Kata kunci: Abu vulkanik; erupsi eksplosif; fragmentasi getas; gunung Soputan; indeks kristalinitas
Cristallinity of Volcanic Ash of Mount Soputan and Its Implication to Explosive Behaviour on Eruption of 2016 and 2018

## ABSTRACT
Mount Soputan is a basaltic mountain with an explosive eruption type. Typical explosives relate to the  character  of  the  magma.  This  study  aims  to  examine  the  crystallinity  of  Mount  Soputan's volcanic ash in 2016 and 2018 and its implications for its explosive behavior. The crystallinity of volcanic ash was characterized using an X-ray diffractometer. The crystallinity index was calculated using  the Soltys  equation and the crystal size computed using the Debye-Scherrer  equation. The morphology of the ash particles was characterized using SEM. The characterization results show that the 2016 and 2018 Soputan ash has a high crystallinity index and contains a number of small crystals and has two morphological forms, namely solid form and vesicular block for ash from the eruption on January 4, 2016, and solid and block form for eruption ash 6 February 2016 and October 3  2018.  High  crystallinity  causes  the  Soputan  magma  to  have  sufficient  viscosity  for  explosive eruptions. The explosive character of Mount Soputan is recorded in the morphology of its volcanic ash.
Keywords: Brittle fragmentation; crystallinity index; explosive eruption; mount Soputan; volcanic ash
(Article History:  Received 18-11-2020; Accepted 27-03-2021; Published 13-04-2021)

## PENDAHULUAN
Gunung  Soputan  adalah  salah  satu gunung  berapi  basaltik  yang  sangat  aktif  di Indonesia  dan  merupakan  bagian  dari kompleks  vulkanik  Sempu-Soputan  yang terletak di selatan Kaldera Tondano dan busur Sangihe (1°6.90’ N dan 124°44.2’ E) (Pallister
et  al .,  2012).  Erupsi  Gunung  Soputan umumnya  dapat  berupa    erupsi  eksplosif dengan ketinggian kolom abu mencapai 13 km dengan  Indeks  Eksplosivitas  Vulkanik  (IEV) sekitar 2-4 dan pembentukan kubah lava efusif serta  dapat  disertai  aliran  piroklastik  dengan jangkauan mencapai 5,5 km (Kunrat, 2017).

## 50 Jurnal Ilmiah Sains Vol. 21 No. 1, April 2021
Tipikal  eksplosif  bagi  gunung  api dengan  komposisi  magma  basaltik  seperti Gunung  Soputan  merupakan  sesuatu  yang tidak  umum  terjadi.  Magma  basaltik merupakan tipikal magma dengan kandungan silika  rendah,  viskositas  rendah  dan kandungan  gas  juga  rendah  sehingga  tipikal erupsinya  bersifat  lemah.  Analisis  terhadap material  piroklastik  berupa  batuan  dan  abu vulkanik yang disemburkan Gunung Soputan pada periode 2003-2011 (Pallister et al ., 2012) dan 2015 (Kunrat, 2017) menunjukkan bahwa magma  Soputan  bersifat  basaltik  dan erupsinya  bertipikal  eksplosif.  Eksplosivitas erupsi Gunung  Soputan tahun 2015 berlanjut pada  tahun  2016  dan  2018.  Eksplosivitas erupsi  tersebut  urgen  untuk  terus  dipelajari karena aspek bahaya seperti terjadinya aliran piroklastik  (Iacuaniello et  al .,  2020)  dan sebaran abu halus (Tomašek et al ., 2019). Kristalisasi  merupakan  salah  satu prekursor  bagi  perilaku  eksplosif  suatu gunung api (Moitra et al ., 2018). Hasil analisis terhadap  abu  Soputan  dari  erupsi  eksplosif tahun  2015  menunjukkan  bahwa  letusan eksplosif  diawali  dengan  pengisian  ulang magma kaya volatil pada suatu kantung dalam kemudian  bertransformasi  menjadi  magma yang  lebih  kaya  kristal  dan  gas  pada  suatu tingkat  yang  lebih  dangkal  (Kunrat,  2017). Studi tersebut berfokus pada analisis
kandungan  mineral  baik  fenokris  maupun mikrolit,  komposisi  senyawa  utama  dan keberadaan unsur tanah jarang untuk memahami  sistem  magmatik  dan  sifat eksplosif Gunung Soputan. Proses kristalisasi diamati  dari  aspek  kelimpahan  mineral plagioklase  dibandingkan  dengan  kandungan olivin. Pada riset ini, aspek kristalinitas dikaji dengan  pendekatan  yang  lebih  sederhana menggunakan  hasil  karakterisasi  difraksi sinar-X  (XRD)  dan  berfokus  pada  indeks kristalinitas  dan  ukuran  kristal    yang terkandung di dalam abu Soputan tahun 2016 dan  2018.  Kajian  terhadap  hasil  XRD  akan dikonfirmasi  menggunakan  hasil  foto  SEM ( Scanning  electron  microscopy )  dan  data visual  saat  terjadinya  erupsi.  Kajian  terhadap kristalinitas  abu  vulkanik  Gunung  Soputan dan  implikasinya  terhadap  perilaku  eksplosif pada erupsi tahun 2016 dan 2018  merupakan tujuan  yang  akan  dicapai  melalui  penelitian ini.

## METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Geofisika Unsrat dalam interval waktu Agustus-Oktober 2020. Bahan penelitian  ini  berupa  abu  vulkanik  segar  dari letusan Gunung Soputan tahun 2016 dan 2018. Abu  letusan  tahun  2016  di  ambil  di  desa Raringis  yang  berada  8  km  di  sebelah  Timur dan  abu  letusan  tahun  2018  diambil  di  desa Tolombukan  yang  terletak  11  km  di  selatan Gunung  Soputan.  Sampel  abu  adalah  abu jatuhan dari letusan tanggal 4 Januari 2016, 6 Februari  2016  dan  3  Oktober  2018.  Partikel abu  kemudian  dipisahkan  menjadi  tiga  fraksi yaitu fraksi kasar (> 125 µm), sedang (125-70 µm),  dan  halus  (<70  µm).  Selanjutnya, karakterisasi abu dilakukan dengan menggunakan peralatan XRD dan SEM yang ada  di  Laboratorium  Mineral  dan  Material Maju Universitas Negeri Malang.
Fraksi  abu  kasar  dikarakterisasi menggunakan diffraktometer bertipe Xpert-Pro  dengan  sinar-X  target  CuKα 1,54060 Å , tegangan generator 40 kV dan arus 35 mA. Pengukuran  XRD dilakukan pada kecepatan 0,02° per menit dari sudut 10,01°  hingga  89,99°. Berdasarkan  data sudut 2 theta dan intensitas dari spektral XRD dikalkulasi ukuran kristal dan indeks kristalinitas. Perhitungan diameter kristal menggunakan persamaan Debye-Scherer yaitu:
𝐷 = 0,9 𝜆 𝐵𝑐𝑜𝑠 𝜃 ................................. (1) di  mana  D  adalah  diameter  partikel  (nm), 𝜆 adalah  panjang  gelombang  sinar  X  (nm),  B adalah FWHM ( full width half maximum ) dari pita  difraksi  (radian),  dan 𝜃 adalah  sudut difraksi Bragg (radian) (Hargreaves, 2016).
Perhitungan indeks kristalinitas menggunakan persamaan Soltys yaitu:
CI = (CA/TA)*100%  .................. (2) di mana CA adalah luas semua daerah kristal dan  TA  adalah  luas  daerah  total  baik  fase kristal  maupun  amorf  (Pan et  al .,  2016). Perhitungan luas daerah kristal dan amorf, dan FWHM  dari  puncak  spektra  XRD  dilakukan menggunakan perangkat lunak Origin Pro 8.5, sedangkan  kalkulasi  diameter  kristal  dan indeks  kristalinitas  menggunakan  Microsoft Excell.  Karakterisasi  SEM  dilakukan  pada fraksi  abu  medium  dan  kasar.  Ada  tidaknya vesikel  sebagai  jejak  gelembung  gas,  aspek
kepadatan  partikel  dan  bentuk  geometri  dari abu vulkanik diinvestigasi menggunakan SEM Merk FEI bertipe Inspect-S50.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Difraktogram  sinar  X  untuk  ketiga sampel  abu  ditunjukkan  pada  Gambar  1. Terdapat  12  puncak-puncak  spektral  XRD dari ketiga sampel abu berkaitan dengan sudut 2-theta  sebesar  21,90;  22,70;  23,60;  24,40; 26,40;  27,90  (intensitas  tertinggi);  29,60; 30,30;  31,50;  33,80;  35,50  dan  42,20. Meskipun  ada  perbedaan  dalam  kristalinitas dan  ukuran  kristal,  karakter  kristalografi ketiga sampel memiliki struktur yang sama.
10 20 30 40 0 100 200 300 400 500 600 Spektrum XRD Abu Soputan I n te n si ta s Sudut 2 Theta (Derajat) 3 Oktober 2018 6 Februari 2016 4 Januari 2016
Gambar 1. Spektrum XRD dari Abu Soputan Tahun 2016 dan 2018 (Fraksi kasar)
Berdasarkan persamaan Debye- Scherer,  ukuran  kristal  berbanding  terbalik dengan  nilai  FWHM  (Hargreaves,  2016). Intensitas  yang  rendah  dari  puncak  difraksi sinar X atau bidang kristal menghasilkan nilai FWHM  yang  besar.  Intensitas  XRD  yang rendah  menunjukkan  bahwa  kristal  yang terbentuk dalam material abu berukuran kecil. Karakteristik  spektral  XRD  memperlihatkan bahwa  massa  dasar  abu  Soputan  merupakan campuran  mikrolit  dan  poliamorf  kristalin kaca (Pandara, 2017)
Ukuran  kristal  dalam  sampel  abu Soputan  bervariasi  dengan  diameter  rata-rata partikel  abu  berturut-turut  adalah  39,1  nm untuk  erupsi  4  Januari  2016,   42,4  nm  untuk erupsi  6  Februari  2016,  dan  43,7  nm  untuk erupsi  3  Oktober  2018  seperti  ditunjukkan pada Gambar 2. Variasi ukuran ini menunjukkan  bahwa  kristal  dalam  magma Soputan  merupakan  mikrolit.  Dimensi  kristal tersebut mendukung fakta bahwa abu vulkanik
Soputan merupakan abu halus yang berkorelasi  dengan  erupsi  basaltik  eksplosif (Tomašek et al ., 2019)
4 Januari 2016 6 Februari 2016 3 Oktober 2016 39 40 41 42 43 44 Ukuran Kristal Abu Soputan Di a me te r Kr ist a l (nm) Tanggal Erupsi
Gambar 2. Variasi Ukuran Kristal dalam Abu Soputan Tahun 2016 dan 2018
Hasil  perhitungan  indeks  kristalinitas menunjukkan  bahwa  ketiga  sampel  abu memiliki  kristalinitas  yang  tinggi  seperti tampak pada Gambar 3. Indeks kristalinitas dari abu Soputan bernilai di atas 50%  yang menyatakan  bahwa  magma  Soputan  adalah magma  yang  kaya  kristal.  Variasi  indeks kristalinitas  menunjukkan  adanya  proses kristalisasi sebelum terjadinya ketiga erupsi. Adanya p roses  kristalisasi  diindikasikan pula  oleh  variasi  ukuran  kristal  yang terbentuk pada setiap erupsi.
4 Januari 2016 6 Februari 2016 3 Oktober 2018 65 70 75 80 85 90 Kristalinitas Abu Soputan Ind e k s Kr ist a li n ita s (%) Tanggal Erupsi
Gambar 3. Indeks Kristalinitas Abu Soputan Tahun 2016 dan 2018
Indeks kristalinitas yang tinggi berkaitan dengan besarnya kandungan fraksi kristal di dalam magma. Fraksi kristal dalam magma  akan  meningkatkan  viskositas magma yang dapat menghambat pertumbuhan  gelembung  gas  dan  memicu fragmentasi (Namiki & Manga, 2008).
Gambar 4 memperlihatkan perbedaan fraksi  kristal  dalam  magma  dari  letusan  4 Januari  2016  dibandingkan  dengan  magma dari  letusan  6  Februari  2016  dan  letusan  3 Oktober  2018  yang  tampak  pada  jejak vesikel  dalam  foto  SEM.  Peningkatan indeks  kristalinitas  berkorelasi  dengan kandungan vesikel dalam foto SEM. Partikel abu  dari  letusan  4  Januari  2016  memiliki bentuk  padat  dan  blok  bervesikular, sedangkan  partikel  abu  dari  letusan  6 Februari  2016  dan  letusan  3  Oktober  2018 berbentuk padat dan blok.
a. Abu letusan 4 Januari 2016
b. Abu letusan 6 Februari 2016
c. Abu letusan 3 Oktober 2018 Gambar  4. Morfologi  Partikel  Abu  Tahun 2016 dan 2018 (Fraksi medium)
Kristalisasi  merupakan  faktor  yang bertanggung  jawab  bagi  terjadinya  erupsi eksplosif.  Kristalisasi  menyebabkan  magma bertransformasi  dari  magma  kaya  volatil menjadi magma kaya kristal (Kunrat, 2017).
Kandungan  mikrolit  akan  melimpah  dalam magma akibat pelepasan air dan magma akan bersifat viskoelastik sehingga  dapat mencapai kondisi fragmentasi
getas untuk berlangsungnya erupsi eksplosif (Moitra et al ., 2018). Fragmentasi getas dipicu oleh kristalisasi yang cepat akibat proses pendinginan  karena  magma  bergerak  naik dengan  cepat  ke  tingkat  yang  lebih  dangkal (Arzilli et  al .,  2019).  Fragmentasi  getas berkaitan  dengan  bentuk  padat  dan  blok  dari abu  vulkanik  (Hornby et  al .,  2019).  Partikel abu blok bervesikular berkaitan dengan erupsi eksplosif akibat fragmentasi dari magma cair yang  mengandung  gas  (Nurfiani  &  de Maisonneuve, 2018).

## KESIMPULAN
Magma Soputan pada erupsi tahun 2016 dan 2018 adalah magma basaltik kaya kristal. Kristalinitas  yang  tinggi  dalam  magma berperan  penting  dalam  mengendalikan perilaku  eksposifnya.  Peningkatan  jumlah kristal  dalam  magma  akan  meningkatkan viskositas  sehingga  terbentuk  magma  yang viskoelastik  dan  memungkinkan  terjadinya fragmentasi  getas.  Kristalisasi  magma  pada suatu tingkat  dangkal sebelum  erupsi
bertanggung  jawab  bagi  terjadinya  erupsi yang sangat eksplosif.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian  Masyarakat  Universitas  Sam Ratulangi  (UNSRAT)  yang  telah  mendanai riset  ini  melalui  skema  Riset  Dasar  Terapan Pemula UNSRAT (RDTPU) 2020.

## DAFTAR PUSTAKA
Arzilli,  F.,  La  Spina,  G.,  Burton,  M.R., Polacci, M., Le Gall, N., Hartley, M.E., Di  Genova,  D.,  Cai,  B.,  Vo,  N.T.  & Bamber, E.C. 2019. Magma fragmentation in highly explosive basaltic  eruptions  induced  by  rapid crystallization. Nature Geoscience , 12(12) : 1023–1028.
Hargreaves, J.S.J.  2016. Some considerations related  to  the  use  of  the  Scherrer equation  in powder X-ray diffraction  as applied  to  heterogeneous  catalysts. Catalysis,  Structure  &  Reactivity , 2 (1–
4) : 33–37.
Hornby,  A.J.,  Lavallée,  Y.,  Kendrick,  J.E., Rollinson,  G.,  Butcher,  A.R.,  Clesham, S.,  Kueppers,  U.,  Cimarelli,  C.  & Chigna,  G.  2019.  Phase  partitioning during fragmentation revealed by QEMSCAN Particle Mineralogical Analysis  of  volcanic  ash. Scientific Reports , 9(1) : 1–12.
Iacuaniello, M., Montanino, A., De Gregorio, D. & Zuccaro, G.  2020. Pyroclastic flow mitigation  strategies:  a  new  perspective for  the  red  area. Natural  Hazards  and Earth  System  Sciences  Discussions ,  1– 28.
Kunrat, S.L. 2017. Soputan Volcano, Indonesia:  Petrological  Systematics  of
Volatiles and Magmas and their Bearing on  Explosive  Eruptions  of  a  Basalt Volcano .
Moitra,  P.,  Gonnermann,  H.M.,  Houghton,
B.F. & Tiwary, C.S. 2018.
Fragmentation  and  Plinian  eruption  of crystallizing basaltic magma. Earth and
Planetary Science Letters , 500 : 97–104.
Namiki,  A.  &  Manga,  M.    2008.  Transition between  fragmentation  and  permeable outgassing  of  low  viscosity  magmas.
Journal of Volcanology and Geothermal Research , 169(1-2) : 48–60.
Nurfiani, D.  & de Maisonneuve, C.B.  2018. Furthering  the  investigation  of  eruption styles through quantitative shape analyses  of  volcanic  ash  particles. Journal of Volcanology and Geothermal Research , 354 : 102–114. Pandara,  D.P.    2017.  Analisis  Tipikal  Erupsi Gunung  Lokon  Periode  Erupsi  2012- 2013 Berdasarkan Karakterisasi Mikrostruktur  Abu  Vulkanik. Jurnal MIPA , 6(2) : 36–41.
Pallister,  J.S.,  Bina,  F.R.,  McCausland,  W., Carn,  S.,  Haerani,  N.,  Griswold,  J.  & Keeler,  R.  2012.  Recent  explosive eruptions  and  volcano  hazards  at Soputan volcano—a basalt stratovolcano in north Sulawesi, Indonesia. Bulletin of Volcanology , 74(7) : 1581–1609.
Pan, H., Ju, D., Zhao, Y., Wang, Z., Yang, H., Zhang, H. & Dong, L. 2016. Mechanical properties,  hydrophobic  properties  and thermal  stability  of  the  biodegradable poly (butylene adipate-co-
terephthalate)/maleated thermoplastic starch blown films. Fibers and Polymers , 17(10) : 1540–1549.
Tomašek,  I.,  Damby,  D.E.,  Horwell,  C.J., Ayris,  P.M.,  Delmelle,  P.,  Ottley,  C.J., Cubillas,  P.,  Casas,  A.S.,  Bisig,  C.  & Petri-Fink, A.  2019. Assessment of the potential  for  in-plume  sulphur  dioxide gas-ash  interactions  to  influence  the respiratory  toxicity  of  volcanic  ash. Environmental Research , 179: 108798.