閩江口—馬祖海域地質(zhì)條件對榕馬大橋規(guī)劃建設(shè)影響研究

袁 勛

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

馬祖列島位于福建閩江口外，馬祖與福州馬尾于2001年實現(xiàn)海上通航。福州—馬祖(榕馬)大橋建設(shè)是“臺海通道”的重要組成部分，交通部已于2020年10月初步通過榕馬大橋的工可方案，計劃以福州的長樂為起點，經(jīng)過福州的瑯岐島、川石島，再連接馬祖島。 前期的地質(zhì)研究工作尤為重要，目前閩江口—馬祖海域的地質(zhì)工作程度不高，地質(zhì)資料相對較少，大橋規(guī)劃建設(shè)和未來施工過程中將面臨諸多問題?；诂F(xiàn)有項目的調(diào)查成果和以往資料的收集綜合分析，對榕馬跨海大橋區(qū)海域的海底地形(地貌)、區(qū)域地質(zhì)、新構(gòu)造運(yùn)動、工程地質(zhì)條件、潛在地質(zhì)災(zāi)害因素進(jìn)行初步分析研究，對榕馬大橋規(guī)劃建設(shè)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 海底地形(地貌)

閩江口—馬祖海域海岸線曲折多變，灣澳和島嶼眾多，海底地形總體由岸向海傾斜，等深線走向基本平行于海岸線，由岸線向海呈梯級帶展布[1-2]。海域水深一般為30 m以淺，最深為50 m，水深較淺的區(qū)域主要集中在閩江口入?？谝粠В@些砂質(zhì)淺灘主要由于閩江入海時攜帶大量泥砂不斷分選堆積形成的，低潮時局部區(qū)域露出水面，水深較大區(qū)域主要分布在馬祖列島、白犬列島東側(cè)寬闊海域及馬祖列島各島嶼間的水道區(qū)，島嶼間潮流通道的沖刷作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致其海底地形變化較為劇烈(圖1)。

海底地貌類型多樣，并有福建最大河流閩江在此入海，海底地貌自岸向?？蓜澐譃樯碁?、粉砂-淤泥質(zhì)潮灘、河口水下三角洲、水下堆積岸坡、傾斜的陸架堆積平原等地貌類型(圖2)，局部還有埋藏古潮道、河口沙壩、海底洼地和潮流沙脊等地貌單元。

沙灘、粉砂-淤泥質(zhì)潮灘等潮間帶地貌分布于全區(qū)5 m以淺海域，以沙灘為主，大面積分布于閩江口入?？谝粠В凵?淤泥質(zhì)潮灘小范圍分布于定海灣等海灣內(nèi)；河口水下三角洲和水下堆積岸坡是研究區(qū)海底最主要的地貌類型，閩江河口是山溪性強(qiáng)潮三角洲型河口[3]，水下三角洲呈扇形展布，前緣水深約15 m，水下堆積岸坡是閩江口水下三角洲的延伸部分，平行于海岸線呈帶狀分布，橫跨寬度約20 km，地形平坦，儼然一個水下平臺，海底坡度僅為0.3‰～0.8‰；陸架堆積平原，是水下堆積岸坡向東部海域的延伸部分，也是細(xì)顆粒泥沙快堆積的區(qū)域，小范圍分布于白犬列島-馬祖列島的東側(cè)海域，地形較平坦，水深超過40 m，海底坡度小于0.6‰。

由此可見，榕馬大橋方案所處海域水深總體小于20 m，僅東北端靠近馬祖島的小片海域達(dá)30 m，海底地形總體較為平坦，潮間帶—河口水下三角洲—水下堆積岸坡各地貌間過渡較為平緩，水深地形(地貌)條件對于后續(xù)的工程勘查和施工影響較小，但榕馬大橋規(guī)劃線路西側(cè)存在一定規(guī)模的河口沙壩，在外界應(yīng)力作用下，容易發(fā)生遷移或者滑坡，在勘查和施工過程中應(yīng)進(jìn)一步評價其影響，做好防范措施。

2 海底沉積物特征

2.1 海底表層沉積物類型及分布特征

研究區(qū)構(gòu)造位置處于閩東火山斷坳帶的東北部，陸域面積較小，大面積發(fā)育第四紀(jì)地層，基巖出露較少，主要為中生代火山巖和晚侏羅世-早白堊世侵入巖，斷裂帶大部分被第四系覆蓋或處于海底之下，斷裂總體走向以北東向及北北東向為主，其次為北西向。海域主要以晚更新世以來的第四紀(jì)沉積物為主，其中表層沉積物多為晚全新世沉積物(圖3)。海底表層沉積物類型偏簡單，大致可分為粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、砂4種類型，且總體上呈現(xiàn)近岸偏粗、遠(yuǎn)岸偏細(xì)的特征。

粉砂組分為主的沉積物在研究區(qū)分布最為廣泛，包括粉砂和砂質(zhì)粉砂，主要分布于閩江口東北部及東部相對遠(yuǎn)岸海域，這些區(qū)域沉積物粒度整體偏細(xì)，水動力中等偏弱。砂質(zhì)組分為主的沉積物在研究區(qū)分布較為廣泛，包括粉砂質(zhì)砂和砂，主要分布于閩江口河口水下三角洲等近岸海域，這些區(qū)域沉積物粒度整體偏粗，水動力較強(qiáng)。

2.2 沉積物淺地層特征

閩江口入?？谝詵|海域由于陸源泥沙經(jīng)閩江攜帶入海，在該區(qū)不斷搬運(yùn)、堆積，經(jīng)長期沉積改造，沉積層厚度一般大于30 m，根據(jù)研究區(qū)的單道地震剖面的反射結(jié)構(gòu)特征，并結(jié)合鉆孔資料(鉆孔位于榕馬大橋規(guī)劃方案南側(cè))，在研究區(qū)追蹤識別了R0(海底)、R1、R2、R3和Rg共5個主要反射界面(即淺地層單元界面)，將研究區(qū)基巖上覆地層劃分為4個淺地層單元(圖4)，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ單元。

第Ⅰ單元位于R0與R1界面之間，是工作區(qū)內(nèi)最年輕的地層，以頂超方式超覆在其它地層之上，以席狀披蓋方式遍布全區(qū)，該沉積層為一套高含水量、低密實度、易流動交換的表層沉積層，主要對應(yīng)全新世粉砂質(zhì)砂等，為典型的海相沉積。

第Ⅱ單元位于R1與R2界面之間，是工作區(qū)內(nèi)較年輕的地層，該層總體呈席狀披蓋，層內(nèi)反射以微斜層理或近平行層理為主，反射層連續(xù)性總體較好，易于追蹤。該沉積層為一套高含水量、低-中等密實度的沉積層，主要對應(yīng)全新世粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、中細(xì)砂等，同樣是海相沉積。

第Ⅲ單元位于R2與R3界面之間，該層總體呈席狀披蓋，局部呈楔狀、透鏡狀或丘狀外形，內(nèi)部反射雜亂，向上發(fā)散，向下收斂，似水平波狀反射結(jié)構(gòu)、疊瓦狀前積結(jié)構(gòu)、亂崗狀充填結(jié)構(gòu)兼有，連續(xù)性較好。該沉積層主要為一套中等含水量、中等密實度的沉積層，主要對應(yīng)晚更新世粉砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)砂、中細(xì)砂等，以海相沉積為主，局部為河流相，反映了海侵和海退過程。

第Ⅳ單元位于R3與Rg界面之間，是工作區(qū)內(nèi)基巖上覆最老的地層。層內(nèi)反射能量較弱，層理以波狀、似亂崗狀-亂崗狀反射結(jié)構(gòu)為主。其頂界面在研究區(qū)內(nèi)劇烈起伏，為一典型的不整合面，推斷該層為末次冰期晚期的海退沉積，主要對應(yīng)晚更新世含礫砂、砂質(zhì)礫、礫石等，為一套河流相沉積。

由此可見，研究區(qū)沉積物厚度一般為30～90 m，平均厚度超過50 m，厚度變化較大，基巖面起伏也較大，中上部主要以晚更新世以來粉砂-砂質(zhì)類沉積物為主，含水量和密實度均為中等-高，仍處于動態(tài)沉積之中，固結(jié)尚未完成，在外界擾動下可能發(fā)生滑動或變形，不利于尋找穩(wěn)定持力層。此外，局部海域基巖之上還存在含礫砂、砂質(zhì)礫及礫石層，貯存有豐富的潛水，滲透能力強(qiáng)，富水性好，較松散，穩(wěn)定性差，勘查和建設(shè)施工時易發(fā)生流砂、坍孔，施工過程中應(yīng)做好護(hù)壁，加強(qiáng)澆筑混凝土等措施，保證樁基質(zhì)量。

3 新構(gòu)造運(yùn)動

研究區(qū)構(gòu)造位置處于閩東火山斷坳帶的東北部，閩江—永定北東東斷裂帶和福鼎—福清北北東斷裂帶斜貫研究區(qū)。新近紀(jì)以來的新構(gòu)造運(yùn)動具有繼承性、新生性、差異性、間歇性等特點，其主要構(gòu)造運(yùn)動形式為繼承性的斷裂活動和斷塊的差異升降活動。繼承性主要表現(xiàn)為前期形成的構(gòu)造格局沒有大的變化，老的北東-北北東向和北西向斷裂和斷陷盆地在新構(gòu)造運(yùn)動時期均有不同程度的復(fù)活。新生性則體現(xiàn)在隨著地質(zhì)階段的發(fā)展，斷裂、斷塊運(yùn)動的性質(zhì)和強(qiáng)度都在不斷的變化和發(fā)展，沿海地區(qū)產(chǎn)生一些新生的斷陷盆地。

3.1 新構(gòu)造分區(qū)

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造及其發(fā)展歷史，以及新構(gòu)造運(yùn)動的空間差異，福建共劃分了5個一級構(gòu)造分區(qū)及若干個次級構(gòu)造亞區(qū)(圖5)，研究區(qū)位于閩東沿海北段差異沉降亞區(qū)(Ⅳ1)。

圖5 研究區(qū)及周邊新構(gòu)造略圖Fig.5 Sketsketch of new structure in the research area and surrounding

閩東沿海北段差異沉降亞區(qū)(Ⅳ1)東臨臺灣海峽巨型沉降帶，北東-北北東、北西和東西向活動斷裂十分發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動以穩(wěn)定相對沉降為主要特征，沿海第四紀(jì)平原狹小、零星分布，更新世的紅土型臺地多被掩埋于全新世海積層之下，據(jù)資料記錄，其沉降幅度為40～75 m，形成多級海蝕階地或海蝕小平臺，侵蝕遺跡多出現(xiàn)于濱岸地帶，海拔一般小于90 m。全新世以來，該區(qū)緩慢上升，沿?？梢娨恍┥仙纳硥?、貝殼堤高出海平面一般為3～7 m。研究區(qū)地震活動比較弱，僅南部歷史上曾有過強(qiáng)震，現(xiàn)今弱震很少。

活動斷裂基本上是在燕山運(yùn)動基礎(chǔ)上形成并繼承性復(fù)活，由海向內(nèi)陸方向，具有規(guī)模漸小、活動性漸弱、連續(xù)性漸差等特點，活動斷裂與溫泉、地震及滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系密切。福建活動斷裂比較發(fā)育，且大多數(shù)為繼承性復(fù)活斷裂，其走向大致以北東-北北東向及北西向2組為主，形成網(wǎng)絡(luò)狀構(gòu)造格局。

3.2 海域新構(gòu)造運(yùn)動

活動斷裂一般是指晚更新世以來仍有活動的斷裂，主要是地殼活動和沉積作用引起地層的錯動，造成兩旁沉積物厚度不同，進(jìn)而引起地面變形。近幾年在研究區(qū)周邊海域也發(fā)現(xiàn)多處斷點，這些斷點大多有錯動第四紀(jì)沉積層，部分?jǐn)帱c甚至錯動基巖面，表明研究區(qū)所在閩東沿海北段差異沉降亞區(qū)(Ⅳ1)海域同樣存在活動斷裂，是海域新構(gòu)造運(yùn)動的重要證據(jù)。

黃岐半島北部的2處斷點，位于松溪—寧德北西向斷裂南段入海延伸處，在單道地震反射波同相軸錯動較明顯，已錯動至第四紀(jì)蓋層，總體往南東傾，垂向錯動量較小，為1～4 m，為正斷層，性質(zhì)與松溪—寧德北西向斷裂相似；長樂漳港東部海域發(fā)現(xiàn)9處斷點，位于閩江下游北西向斷裂北段入海延伸處，在單道地震反射波同相軸錯動較明顯，已錯動至第四紀(jì)蓋層，部分基巖面也出現(xiàn)錯動，總體往北東傾，垂向錯動量為1～9 m，以正斷層為主，大部分?jǐn)帱c性質(zhì)與閩江下游北西向斷裂相似，目前還缺乏上述海域斷點是這些陸域活動斷裂帶在海域延伸的充分證據(jù)。

活動斷裂是橋梁等海上工程建設(shè)的重大潛在危害，其運(yùn)動往往會造成地層變位，威脅橋梁樁基等水下基礎(chǔ)，甚至造成安全事故，榕馬大橋規(guī)劃方案的西南側(cè)瑯岐島周邊海域暫未發(fā)現(xiàn)斷點，但東北側(cè)馬祖島周邊海域調(diào)查程度較低，未排除活動斷裂存在的可能，后續(xù)勘查和施工前應(yīng)加強(qiáng)活動斷裂的相關(guān)調(diào)查，降低風(fēng)險。

4 工程地質(zhì)特征

研究區(qū)海域暫未開展系統(tǒng)的工程地質(zhì)調(diào)查，缺乏物理力學(xué)等土工實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)有表層沉積物粒度測試分析等調(diào)查數(shù)據(jù)，將該研究區(qū)海域巖土體類型劃分為3個工程地質(zhì)巖組，包括1個巖體巖組和2個土體巖組(圖6)。

圖6 研究區(qū)工程地質(zhì)略圖Fig.6 Engineering geological sketch of the study area1—砂性土巖組；2—黏性土巖組；3—雙層結(jié)構(gòu)；4—多層結(jié)構(gòu)；5—工程地質(zhì)剖面；6—鉆孔位置及編號

4.1 海域巖土體類型及分布

海域巖體工程地質(zhì)類型主要為堅硬塊狀侵入巖組，主要由早白堊世侵入巖組成。巖性以正長花崗巖為主，見有少量二長花崗巖。以堅硬塊狀巖組為主的巖體主要呈零星狀分布于研究區(qū)東部島嶼或群島附近，周邊基巖埋深淺；同時受到水道強(qiáng)水流沖刷，上覆土體受到強(qiáng)烈剝蝕作用，使得巖體易裸露出現(xiàn)在這些區(qū)域海底。

海域土體工程地質(zhì)類型主要為砂性土巖組和黏性土巖組。以砂和粉砂為主的砂土體主要分布于閩江口東部近岸海域，其分布主要受沿岸陸源碎屑沉積作用和水系河流分選作用控制，在入海口外沿海流走向形成大型的水下沙脊群或水下沙壩。以粉質(zhì)黏土為主的粘性土體頂部廣泛出露于除閩江口東部遠(yuǎn)岸海域，這些海域水動力作用較弱，粗顆粒碎屑物質(zhì)難以搬運(yùn)到此，以細(xì)顆粒為主的黏土、粉土為主的海相沉積物占據(jù)主導(dǎo)地位。

4.2 海域巖土體結(jié)構(gòu)

閩江口海域同時受到陸域河流物質(zhì)輸入和近海沉積等作用的影響，土體結(jié)構(gòu)在垂向分布特征表現(xiàn)為以多層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)為主，其中瑯岐島—馬祖列島以西海域土體垂向分布特征以雙層結(jié)構(gòu)為主(圖7)，屬于全新世土體，近海處表層為≤10 m的砂土，成分以細(xì)砂為主，呈較為穩(wěn)定的層狀，到遠(yuǎn)海處逐漸尖滅；其下伏為黏性土，屬于更新統(tǒng)土體，主要成分為粉質(zhì)黏土和粉土，遠(yuǎn)海處可見多層透鏡狀砂土夾層，層厚為1～2 m，其下為花崗巖基巖。

飽和砂土及粉土?xí)l(fā)生輕微-中等程度砂土液化，地震等因素后可能導(dǎo)致液化現(xiàn)象發(fā)生，土體受到液化作用影響會減弱或失去抗剪強(qiáng)度，甚至失去承載能力，對天然地基、樁基礎(chǔ)會產(chǎn)生不利影響，在施工時應(yīng)充分考慮沙土液化現(xiàn)象，采取注漿、人工密實等消除液化。

圖7 瑯岐島—馬祖列島以西海域土體結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.7 Soil structure profile west of sea of Langqi Island-Mazuli Island1—海平面；2—剖面方向；3—鉆孔位置及孔深；4—砂土；5—黏性土；6—花崗巖

5 橋梁建設(shè)的不利地質(zhì)災(zāi)害因素

5.1 橋梁工程結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)外跨海大橋工程建設(shè)技術(shù)發(fā)展較快，根據(jù)已完工的杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋、平潭海峽公鐵兩用大橋等跨海大橋的方案[4-5]，主流的跨海大橋方案包括大跨度斜拉橋、鋼箱梁橋、組合梁橋及預(yù)制PC梁橋等，不管何種方案首先要解決水下基礎(chǔ)的施工問題，水下基礎(chǔ)主要有沉井基礎(chǔ)、沉箱基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、復(fù)合基礎(chǔ)等類型，其中樁基礎(chǔ)是目前應(yīng)用最廣、最主要的一種橋梁基礎(chǔ)類型，應(yīng)在勘查的基礎(chǔ)上選擇合適的一種或者多種基礎(chǔ)類型來滿足橋梁所處的特殊地質(zhì)條件，開展后續(xù)施工建設(shè)。

5.2 橋梁建設(shè)的不利地質(zhì)災(zāi)害因素

根據(jù)側(cè)掃聲吶、淺層剖面及單道地震等物探測量手段，在研究區(qū)海域發(fā)現(xiàn)2大類海洋潛在地質(zhì)災(zāi)害因素：活動性海洋地質(zhì)災(zāi)害包括埋藏淺層氣、河口沙壩、沙波、潮流沙脊；限制性海洋潛在地質(zhì)災(zāi)害包括海底洼地、埋藏古河道，其中埋藏淺層氣分布與研究區(qū)中部，與榕馬大橋規(guī)劃線路中部有重疊，河口沙壩規(guī)模較大的有兩處，均分布于閩江口河口水下三角洲范圍內(nèi)，其中一處位與榕馬大橋規(guī)劃線路西側(cè)有重疊，潮流沙脊及沙坡主要分布于馬祖島西南部的水下堆積岸坡范圍內(nèi)，海底洼地主要分布于馬祖列島各島嶼間的水道區(qū)，埋藏古河道分布于黃岐半島和馬祖列島間的航道區(qū)(圖8)。由此可見，與榕馬大橋規(guī)劃有關(guān)的不利地質(zhì)因素主要為埋藏淺層氣和河口沙壩。研究區(qū)地震烈度Ⅵ-Ⅶ度，屬于輕-中等烈度。

圖8 研究區(qū)海域潛在地質(zhì)災(zāi)害因素分布圖Fig.8 Distribution diagram of potential geological disasters in the study area1—滑坡/崩塌；2—不穩(wěn)定斜坡/海岸侵蝕與淤積；3—隱伏第四系斷層；4—推測活動斷層；5—地震烈度與區(qū)劃界線；6—?dú)v史地震震中埋藏古河道；8—河口沙壩；9—海底洼地；10—潮流沙脊；11—埋藏淺層氣；12—沙波發(fā)育區(qū)

海底埋藏淺層氣會影響海域工程的施工和構(gòu)筑物的安全，存在引發(fā)海域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的安全隱患。研究區(qū)內(nèi)所探測到的淺層氣處于埋藏狀態(tài)，埋深較淺，分布于閩江入?？跂|側(cè)水深為14～22 m的開闊海域，平面上呈不規(guī)則紡錘形，長軸近北西向，長約8.4 km，寬為0.5～3.0 km，面積約14.2 km2。沉積物中淺層氣含量的增加將引起海底土層膨脹，原來土層的構(gòu)架受到破壞，土層在自重作用下的固結(jié)作用過程減慢，從而增大了土層的壓縮性，一旦氣體釋放后，含氣土層將產(chǎn)生相對較大的沉降量，導(dǎo)致海域工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相應(yīng)下沉或失穩(wěn)，進(jìn)而誘發(fā)海域工程剛性結(jié)構(gòu)的坍塌，甚至斷裂損壞。因此，含淺層氣的沉積物的這種高壓縮、低強(qiáng)度的特征，使其成為不良地基之一。海底淺層氣對于樁基施工，特別是鉆孔樁施工危害極大，施工的鉆孔過程實際上是一個卸荷過程，當(dāng)成孔至含氣層時，由于卸荷作用，在上覆土層壓力小于淺層氣的氣藏壓力時，淺層氣會從孔內(nèi)逸出，當(dāng)壓力差足夠大時，會出現(xiàn)強(qiáng)烈的井噴，周圍的泥沙會涌入孔內(nèi)，發(fā)生孔壁坍塌等事故，甚至造成施工平臺不均勻下陷、傾覆及至發(fā)生火災(zāi)，嚴(yán)重威脅著施工人員的生命安全，在勘查和施工前，可采用人工放氣等措施降低風(fēng)險，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

此外，榕馬大橋方案西南側(cè)還存在一定規(guī)模的河口沙壩，當(dāng)海底地層受到外界應(yīng)力作用時，河口沙壩可能發(fā)生遷移或者滑坡，在勘查和施工過程中應(yīng)進(jìn)一步評價其影響，做好防范措施。

6 結(jié)語

榕馬大橋初步方案所處的閩江口—馬祖海域具有自身較為獨(dú)特的自然地理條件和地質(zhì)條件。海域的水深較淺，海底地形總體較為平坦，海底地貌類型主要包括潮間帶地貌和水下岸坡地貌及陸架堆積平原，各種地貌間過渡較為平緩，表層沉積物類型、巖土體類型及結(jié)構(gòu)較為簡單，對于榕馬大橋的后續(xù)勘查和建設(shè)影響相對較小。與橋梁施工建設(shè)有關(guān)的主要地質(zhì)問題有滑坡、基巖面之上的松散砂礫層、基巖面起伏及不均勻風(fēng)化、砂土液化、埋藏淺層氣及河口沙壩等潛在地質(zhì)災(zāi)害因素，特別是周邊海域發(fā)現(xiàn)活動斷裂跡象，這些均是跨海工程建設(shè)的不利因素，在一定的自然或人為誘因作用下，對橋梁造成損壞，甚至造成工程事故。盡管榕馬大橋方案已開展了大量研究、論證工作，也開展了部分調(diào)查工作，取得了一定的研究成果，但總體調(diào)查和研究程度仍較低，特別是缺少工程地質(zhì)和水文地質(zhì)方面的數(shù)據(jù)和資料，仍有很多制約性關(guān)鍵地質(zhì)問題有待解決。

(1)建議后續(xù)開展系統(tǒng)的榕馬大橋規(guī)劃線路綜合地質(zhì)調(diào)查，查明相關(guān)海域淺地層結(jié)構(gòu)、潛在不利地質(zhì)災(zāi)害因素、斷裂構(gòu)造、水文特征，分析海域的工程地質(zhì)條件和水動力條件，開展榕馬大橋工程適宜性的研究，為大橋選線選址、規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)。

(2)對于已發(fā)現(xiàn)的潛在地質(zhì)災(zāi)害因素等不利條件，特別是活動斷裂，開展災(zāi)害成生規(guī)律的研究和必要的監(jiān)測，在設(shè)計、勘查及施工過程中、盡量規(guī)避并制定有效防災(zāi)減災(zāi)措施。