岳陽地區(qū)地質構造特征及其工程影響分析

彭柏興，羅瑋，舒倩

(長沙市規(guī)劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

岳陽古稱巴陵，又名岳州，位于湖南省東北部，素稱“湘北門戶”。它西臨洞庭湖，北接長江，南連湘、資、沅、澧四水，是國務院確定的長江沿岸首批對外重點開放城市，岳陽港是國家確定的重要內河港口、湖南唯一對外開放港口，集名山、名水、名樓、名港、名文于一體，是一座古老而又年輕、充滿生機活力的城市，是環(huán)洞庭湖生態(tài)經濟圈、長江經濟帶的重要組成部分。近年來，岳陽市積極融入對接長江經濟帶、長江中游城市群、洞庭湖生態(tài)經濟區(qū)等國家戰(zhàn)略，市委、市政府提出了“一極三宜”江湖名城的戰(zhàn)略目標，岳陽城市建設正步入前所未有的發(fā)展快車道。

地質構造是指組成地殼的巖層和巖體在內、外地質動力作用下發(fā)生的各種構造變形，包括褶皺、斷層、節(jié)理、劈理以及其他各種面狀和線狀構造。工程地質研究中常把其通稱為結構面，根據其尺度大小分為不同的等級[1]。眾所周知，城市坐落于地質體之上，城市的布局、城市地下空間利用與城市地質構造有關。地質構造對工程地質環(huán)境和工程地質條件的控制作用[2]。岳陽地處江南古陸[3]，經受過多期構造活動影響，構造形跡多樣，特別是多條區(qū)域性斷裂構造在附近相接、交匯，不僅影響其抗震設防分類，也制約著地下空間的規(guī)劃和利用。本文在系統(tǒng)分析前人成果基礎上[4～6]，結合近期開展的岳陽市地下空間規(guī)劃項目，展開了對本區(qū)的地質構造及其特性研究，旨在為城市地下空間的規(guī)劃提供技術支撐。

2 區(qū)域地質構造背景

岳陽地區(qū)自南而北跨江南造山帶北緣與揚子地塊，江南造山帶北緣的江南斷裂(帶)大致沿華容—臨湘一線展布(如圖1所示)。主要經歷了武陵運動、雪峰運動、加里東運動、印支運動、燕山運動和喜山運動等多次大的構造變動。

武陵運動使中元古代構造層褶皺變形，形成板劈理，抬升為陸地，爾后擠壓松弛，于 820 Ma左右在后碰撞或后造山環(huán)境構造環(huán)境下形成新元古代花崗巖。加里東運動表現為造陸抬升，造成志留系與上覆石炭系之間的平行不整合。印支運動表現為近南北向擠壓造山，形成以近東西向褶皺、斷裂為主的主體構造格架。同時，在赤壁以北地區(qū)形成早、中侏羅世類前陸盆地沉積。燕山運動在伸展構造運動背景下形成斷陷盆地并充填紅色碎屑沉積。新近紀區(qū)域構造反轉，地殼抬升，結束了先期斷陷成盆與沉積作用。第四紀時期東部總體抬升，西部江漢-洞庭盆地先后經歷了斷陷與拗陷演化過程。上述構造運動形成了區(qū)內眾多的斷裂、褶皺以及晚三疊世—侏羅紀擠壓拗陷盆地，白堊紀-古近紀斷陷盆地，第四紀江漢盆地、洞庭盆地等多種構造形跡。

根據區(qū)域新構造運動性質、強度、斷裂活動、地貌特征以及地震活動性，劃分為鄂西-湘西斷塊抬升區(qū)、江漢-洞庭裂陷區(qū)、武陵山-雪峰山斷塊隆起區(qū)、湘東-鄂東斷塊隆起區(qū)、鄂東北斷塊掀升區(qū)5個一級新構造區(qū)和9個二級新構造區(qū)。岳陽地區(qū)處在江漢-洞庭湖斷陷盆地與湘東-鄂東斷塊隆起區(qū)的幕阜山上升區(qū)的交界地區(qū)，即江漢-洞庭湖斷陷盆地的次級構造單元-華容隆起的東緣(如圖2所示)，具備新構造升降差異運動構造環(huán)境[7]。

圖1岳陽市構造綱要圖

1.第四紀地層(Q)；2.白堊紀—古近紀地層(K—E)；3.晚三疊世—侏羅紀地層(T3—J)；4.中泥盆世—中三疊世地層(D2—T2)；5.南華紀—志留紀地層(Nh—S)；6.冷家溪群地層(PtL)；7.白堊紀花崗巖；8.侏羅紀花崗巖；9.新元古代花崗巖；10.地質界線；11.角度不整合地質界線/平行不整合地質界線；12.向斜軸跡；13.倒轉向斜軸跡；14.背斜軸跡；15.倒轉背斜軸跡；16.倒轉傾伏背斜(剪頭示高角度傾伏端)；17.官山復背斜軸跡(大型隆起)；18.印支末期—早燕山期褶皺軸跡；19.武陵期褶皺軸跡；20.正斷裂及產狀；21.逆斷裂及產狀；22.平移斷裂；23.平移正斷裂或正平移斷裂及產狀(銳夾角指示對盤運動方向)；24.逆平移斷裂(銳夾角指示本盤運動方向)；25.南華系與冷家溪群間拆離滑脫斷裂；26.實測斷裂/推測或隱伏斷裂；27.第四紀凹陷控制正斷裂(齒向指向下降盤)；28.前泥盆紀江南斷裂(帶)位置；29.鉆孔位置及其揭示的第四系底板高程；30.褶皺編號；31.斷裂編號。

圖2 岳陽地區(qū)構造位置圖

1.白堊系—早第三系分布范圍；2.江漢—洞庭盆地邊界；3.實測、推測斷裂；4.隆起及拗陷的非斷裂邊界；5.凸起和凹陷的非斷裂邊界；6.隆起；7.凸起。

3 主要地質構造分布及其特征

3.1 前第四紀斷裂

前第四紀斷裂構造主要分布于東部。斷裂走向主要有NEE～EW向、NE向、NNE向、NW向等4組。斷裂活動時代主要有新元古代初、晚三疊世-中侏羅世、晚侏羅世末、白堊紀-古近紀早期及古近紀晚期等5個時期，分別受控于不同的區(qū)域構造背景。同樣走向的不同斷裂常具不同性質和不同的活動時代(如表1所示)。

必須強調的是江南斷裂帶，它包括澧水斷裂帶、石首-監(jiān)利斷裂帶和臨湘-通山斷裂，是江南造山帶的北緣斷裂，斷裂以北(西)為揚子地塊。區(qū)域上該斷裂控制了中元古代以后兩側沉積、古生物、巖漿巖、構造等諸多地質要素特征與演化。前泥盆紀期間江南斷裂(帶)大致沿華容-臨湘一線，其主要表現為控制了寒武紀-奧陶紀期間的古地理格局，北面主要為臺地和淺水陸棚環(huán)境，而南面主要為深水陸棚—斜坡環(huán)境。江南斷裂在不同的深度或構造層位對應的地表位置不同，總體上自南而北斷裂層位漸趨向上。

岳陽地區(qū)前第四紀斷裂特征表 表1

3.2 褶皺

褶皺主要分布于圖區(qū)東北部，一般呈EW向～NEE向，部分呈NW向或NE向(圖1)。褶皺形成構造事件主要有新元古代武陵運動和中生代(晚三疊世-中侏羅世)陸內造山運動。武陵運動形成的褶皺發(fā)育于中元古代冷家溪群中，多為走向NWW、軸面南傾的緊閉倒轉褶皺。受中生代構造疊加影響，局部軸向近EW向。晚三疊世-中侏羅世陸內造山形成的褶皺走向主要為EW向～NEE向；南部呈NW向，北部呈NE向。自南而北控制褶皺變形的拆離滑脫層上移，導致褶皺規(guī)模總體變小、褶皺卷入地層時代總體變新。

圖3 第四紀構造格局

1.前第四紀基巖分布區(qū)；2.第四系分布區(qū)；3.第四紀控盆控凹正斷裂，齒向示下降盤；4.第四系等厚線及厚度值；5.構造單元分界。圖中斷裂名稱：F1—南縣—黃山頭斷裂；F2—注滋口斷裂；F3—磚橋斷裂；F4—洪湖—湘陰斷裂；F41—公安—監(jiān)利斷裂；F42—石首斷裂；F43—榮家灣斷裂。

3.3 第四紀斷裂

前人根據沉積和地貌界線走向、沉積厚度與底板高程的突變等，以大量鉆孔資料為基礎，結合野外地質地貌調查，厘定了岳陽地區(qū)主要第四紀的斷裂位置及走向。分別是近南北向榮家灣斷裂F43，EW向的注滋口斷裂F2、石首斷裂F42，NNE向的湘陰-洪湖斷裂F4、磚橋斷裂F3，以及NW向的南縣-黃山頭斷裂F1、公安-監(jiān)利斷裂F41等，均為正斷裂，一般組成凹陷邊界。斷裂的存在表現為其兩側第四紀沉積厚度與底板高程常的突變(圖3)，并反映了第四紀隆-凹構造格局以及盆地與凹陷的發(fā)育明顯受到區(qū)域正斷裂控制的規(guī)律(圖4)[8]。

圖4 陽羅-黃沙街第四紀地質剖面(據文獻[8])

3.4 地質構造發(fā)展簡述

據沉積建造、構造變形、巖漿作用等地質特征，本區(qū)地質構造發(fā)展過程如下。

中元古代本區(qū)屬中揚子陸塊南緣裂谷型邊緣海盆地，沉積了巨厚的冷家溪群陸源碎屑堆積，下部為一套深水-半深水復理石濁流沉積為主的雜陸屑復理石建造。此后，裂谷盆地處于相對平穩(wěn)階段，形成陸源細復理石沉積。

武陵運動，本區(qū)構造抬升成陸。近SN向擠壓下于冷家溪群中形成軸面南傾的NWW向緊閉倒轉褶皺和極為發(fā)育的板劈理。爾后擠壓松弛，形成新元古代花崗巖。新元古代中期，揚子地塊裂解，區(qū)域上先后于陸內裂陷盆地和被動大陸邊緣盆地中沉積了新元古代板溪群、南華系-震旦系以及下古生界等地層，以陸源碎屑巖為主，碳酸鹽巖為輔。

加里東運動主要表現為造陸抬升，后期經受長期的沉積中斷和風化剝蝕作用。中泥盆世，再次發(fā)生區(qū)域伸展沉降。石炭紀-中三疊世，總體為濱淺海環(huán)境，形成砂頁巖與碳酸鹽巖建造。

印支-早燕山造山運動表現為強烈的褶皺作用與斷裂活動，形成近東西向主體構造格架，同時于江南斷裂北側形成類前陸盆地并充填陸源碎屑沉積。晚侏羅世早期造山擠壓減弱，形成幕阜山巖體大云山系列花崗巖，晚侏羅世末-早白堊世形成桃花山巖體和幕阜山巖體的五里序列(137 Ma)，早白堊世中期形成小墨山花崗巖體。

白堊紀-古近紀全面進入陸內伸展階段，形成斷陷盆地并充填一套紅色碎屑巖建造。新近紀擠壓抬升，缺失沉積。

早更新世-中更新世中期，江漢-洞庭盆地區(qū)處于斷陷構造環(huán)境，形成較厚的湖河相沉積。中更新世晚期以來，西部總體處于拗陷階段，并在晚更新世和全新世發(fā)生沉積作用。東部第四紀期間總體抬升，遭受剝蝕與切割，形成多級河流階地。

4 地質構造對城市建設影響分析

地質構造與工程建設關系密切，地質構造研究是工程地質學的核心內容。工程地質學是一門應用地質學，科技工作者們通過所掌握的構造地質學理論來指導解決工程建設和營運過程中的安全問題。

文獻[2]從大陸動力學與區(qū)域地殼穩(wěn)定性的關系、活動構造與工程安全性、構造結構面及構造應力與巖土體穩(wěn)定性、地質構造與地質災害等方面系統(tǒng)論證構造地質與工程地質的關系。針對岳陽地區(qū)而言，主要表現為斷裂與地震的關系，地質構造對地貌形態(tài)及第四系沉積物的控制，進而控制區(qū)內地質災害的產生與分布。

4.1 與地震活動的關系分析

地震的發(fā)生多是由于某一構造帶全部或局部活動，是一種快速、突變式的斷層錯動或巖石破裂，是地殼構造變形能釋放的主要途徑。大陸區(qū)幾乎所有的強震都是由斷裂活動引起。岳陽及周邊的地震活動研究也充分證明了這一點[9]。

據統(tǒng)計，自1351年以來共發(fā)生大于4級的中強地震36次，其中6級以上的2次，5級以上6級以下的20次?，F代地震活動除1979年秭歸5.1級地震外，主要顯示小震特征。區(qū)內地震活動受斷陷盆地及周圍活動斷裂控制，主要發(fā)震構造為NW向和NE、NNE向兩組。中強地震多發(fā)生在某一斷裂帶頂端與另一斷裂帶交匯區(qū)，或兩條及以上斷裂帶交匯、聚合部，或兩條斷裂帶夾持地塊中。當今微小地震活動多沿斷裂帶隨機分布。

韓竹軍等人對洞庭盆地周緣頻繁的中強地震活動研究認為，早-中更新世有過活動的斷裂并不意味著它們完全停止活動，只是其活動性較弱，不至于產生斷錯地表的強震活動，但可以發(fā)生中強地震，并提出“一條斷裂是否存在斷錯早、中更新世地層的構造現象，是判斷中強地震發(fā)震構造的一個重要標志”[12]。岳陽設計地震分組為第一組，岳陽樓、君山、岳陽縣、汨羅、湘陰等地抗震設防烈度為7度，設計基本加速值為 0.05 g～0.10 g、反映譜特征周期 0.35 s～0.40 s[10，11]。加強岳陽城市超限高層建筑、重大市政基礎設計工程的地震安全評價、加快岳陽城市地震小區(qū)劃工作是十分必要的。

4.2 對地貌形態(tài)及地基土分布的影響

不同內外地質營力長期改造作用，塑造了岳陽地區(qū)顯示不同的地貌類型。根據成因，分為構造剝蝕和侵蝕堆積地貌兩大類；按其形態(tài)，分為低山、丘陵、平原三種類型，并可細化為丘陵、孤山、崗坡平原、波狀平原、沖積低平原、沖湖積低平原、湖積低平原，此外還有河湖地貌和微地貌。岳陽地勢總體表現為東高西低，東南部丘崗連綿，中、東部為平原、崗地，構成階梯狀河湖平原地貌景觀；西部湖、河、池塘星羅棋布，小溪、渠道縱橫交錯。地形標高一般為 50 m～70 m，最高點 352.7 m，最低處 24 m。

根據岳陽地區(qū)地形、地貌特征，地層結構與成因以及巖土工程條件，可將其地基類型概化為三種：低丘垅崗區(qū)巖石地基(圖5)、漫灘階地區(qū)復雜地基(圖6)和沖湖積平原區(qū)軟土地基(圖7)。

圖5 岳陽友阿國商業(yè)廣場代表性地質剖面

圖6 岳陽洞庭湖大橋君山索塔D-D地質剖面

圖7 濱水·翡麗城一期代表性地質剖面

4.3 對特殊性巖土分布的控制

岳陽市特殊土地基問題較為突出，主要有軟土、淤泥和人工填土三種類型。特殊性巖土多屬不良土體，基礎處理難度大，成本高，建筑適宜性差。如東洞庭湖地區(qū)地面標高一般為 25 m～27 m，第四系松散層由淤泥、淤泥質黏土、粉砂質黏土組成，單層或互層分布，厚度分布較不穩(wěn)定，淤泥層厚一般為 2.6 m～17.0 m。該類地層多呈飽和，軟塑～流塑狀，含砂量變化較大。含水量高、孔隙比大、壓縮模量小、承載力低。據統(tǒng)計：塑性指數11.0～26.05，液性指數1.04，孔隙比1.03～1.36，內摩擦角1.23°～24.0°，凝聚力 6.0 kPa～21.6 kPa，壓縮系數 0.5 MPa-1～0.87 MPa-1，承載力特征值 80 kPa～200 kPa。該類地基土屬軟弱地基，易產生滑動變形和不均勻沉陷，岳陽樓基礎的西邊二級平臺發(fā)生不均勻下沉使平臺壁與岳陽樓門洞發(fā)生錯斷、裂口、欄桿拉開等階梯狀沉陷，即是軟土及人工填土(屬雜填土)地基所致。在這類地基中進行深大基坑支護時，往往需要采用剛度較大的支護體系(如圖8所示)。

圖8 洞庭湖大橋君山側錨碇基坑(湖南省交通規(guī)劃勘察院)

4.4 對地質災害發(fā)生、發(fā)展與分布的影響

地形地貌、地層巖性、地質構造是地質災害形成的基本條件。地形地貌是地質災害形成的臨空條件；地層巖性是地質災害的物質基礎；地質構造是通過對地形地貌的控制和改變地層巖性的巖體結構，從而達到對地質災害產生多方面的影響或控制作用。經歸納，岳陽市地質災害類型分為滑坡、崩塌(斜坡崩塌和河岸崩塌)、地面塌陷、地面沉陷、管涌(大堤管涌和水壩管涌)，以滑坡、崩塌和管涌為主，次為地面塌陷和地面沉陷[13]。

(1)滑坡：區(qū)內滑坡多為小型、中小型。據滑坡的成因類型及發(fā)生頻率可分為低丘垅崗區(qū)、漫灘階地區(qū)和沖湖積平原[14]。前者以土質類型為主，在連續(xù)降水或暴雨的大量滲透下，土體軟化，抗剪強度降低，沿著下部較堅實土層或基巖接觸界面發(fā)生滑動，導致丘陵區(qū)斜坡上的松散堆積層易形成土質滑移，境內的滑坡多產生在坡度20°～30°之間的斜坡。需要注意的是在洞庭湖周邊及長江沿岸，廣泛分布著厚達數十米的新近沉積的淤泥、淤泥質土和粉細砂層，容易在荷載長期、循環(huán)作用下產生變形而引起堤身坍塌，局部地段甚至因剪切破壞而滑坡。這類滑坡的特點是先塌，后鼓，最后整體滑移。

(3)崩塌：分為斜坡崩塌和河岸崩塌，發(fā)育特征與滑坡基本相同。斜坡崩塌以土質類型為主，多發(fā)生在地形坡度大于50°，高度大于 30 m的高陡邊坡上。河岸崩塌是由河流侵蝕作用產生的，河岸崩塌規(guī)模大，且具有季節(jié)性和連續(xù)性。河岸崩塌的發(fā)生在洪水期強烈，枯水期微弱，且多發(fā)生在河流凹岸，并隨時間進展，崩塌位置有向下游位移的趨勢。

(4)地面塌陷：均分布于岳陽樓區(qū)南部低丘陵部位，海拔標高 100 m～1l0 m，表現為巖溶地面塌陷區(qū)和老采空區(qū)塌陷。如郭鎮(zhèn)鄉(xiāng)中心組的巖溶塌陷(小型塌陷)，呈不穩(wěn)定狀態(tài)，郭鎮(zhèn)鄉(xiāng)畈中村趕山組的采空區(qū)(中型塌陷)。

(5)地面沉陷：岳陽市地面沉陷現象較多，發(fā)生在全新統(tǒng)淤泥或淤泥質黏土中。地面沉陷區(qū)多為平坦低平原堆積地貌，如君山區(qū)西城街道、采桑湖鎮(zhèn)、柳林洲鎮(zhèn)，云溪區(qū)永濟鄉(xiāng)等。譬如，君山農場五分場堤防委員會附近，房屋建于大堤上，堤基下 2.5 m～7.0 m為粉砂質黏土，往下為淤泥質黏土，堤基不均勻沉陷引起堤上房屋開裂，裂縫寬 2 cm～3 cm，長 4 m～5 m。又如南津港大堤20多年來多次發(fā)生下沉或滑動，下陷速率 0.3 m/a～0.5 m/a。大堤受湖水側向擠壓，向內垸移動7～8m，險點附近出現管涌點多達37處，災情嚴重。

(6)管涌：其實質為滲透變形。汛期高水位情況下，填充在骨架空隙中的細顆粒被滲水帶走，稱為“潛蝕”或“管涌”，滲流作用下土顆粒群體運動稱為“流土”。通常將上述兩種滲透破壞統(tǒng)稱為管涌。分為大堤管涌和水壩管涌。大堤管涌指荊江、東洞庭湖、華容河及華洪運河大堤垸內發(fā)生的管涌，分布于君山區(qū)廣興洲鎮(zhèn)、西城街道及柳林洲鎮(zhèn)，其次為錢糧湖鎮(zhèn)、良心堡鎮(zhèn)和許市鎮(zhèn)，發(fā)生時間多集中于5月～9月的高洪水位季節(jié)。水壩管涌指水庫大壩壩基或壩身所發(fā)生的管涌，分布于君山區(qū)的許市鎮(zhèn)、云溪區(qū)的文橋鎮(zhèn)、路口鎮(zhèn)，岳陽樓區(qū)北港街道、岳陽經濟開發(fā)區(qū)金鳳橋管理處，多發(fā)生5月～8月雨季水庫水滿時期。

5 結 語

(1)岳陽地跨江南造山帶北緣與揚子地塊，經歷了武陵運動、雪峰運動、加里東運動、印支運動、燕山運動和喜山運動等多次構造運動，形成了眾多斷裂、褶皺以及擠壓拗陷盆地、斷陷盆地等多種構造形跡，控制了區(qū)內地形、地貌及第四系地層分布并制約著不同類型的地質災害發(fā)生、發(fā)展與分布。岳陽地區(qū)地質構造及其分布直接影響著城市淺層空間規(guī)劃布局與開發(fā)利用。

(2)岳陽所處的大地構造位置、多種成因及多組斷裂在區(qū)內交匯，反映了本區(qū)復雜的地質背景。特別是第四紀以來仍然活動的斷裂對區(qū)域穩(wěn)定及工程建設環(huán)境影響重大，后續(xù)工作中應加強周邊地質、地球物理勘察，加強斷裂年代測試，把岳陽城市地震地質與環(huán)境地質研究引向深入。

(3)城市地下空間利用越來越成為城市發(fā)展的重要方向，傳統(tǒng)的地質填圖和地質調查已不能滿足這一需要。加強城市地質環(huán)境、地質構造、特殊性巖土及地質災害研究，特別是利用BIM技術，建立城市淺層三維立體地質模型，為城市規(guī)劃、建設、管理與防震減災提供技術支撐，將是城市工程地質發(fā)展的必然方向。