三亚海岸珊瑚礁地层成因演化与工程地质分区

刘景儒，王其涵，王建平，王新志

（1.海军工程设计研究院，北京 100070；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室，武汉 430071）

1 引 言

作为工程建设场地，珊瑚岛礁地区的工程地质特性具有复杂性和特殊性。随着珊瑚岛礁理论研究和工程实践的不断发展，人们对珊瑚岛礁场地工程地质特点和珊瑚岛礁岩土特性的认识也持续深入。部分学者从工程岩土学、岩土力学角度出发，以室内试验为基础，对珊瑚礁岩土体的物理力学性质、应力-应变响应机制、颗粒二次破碎特性、桩土相互作用等方面作了比较深入的研究[1-6]。部分学者通过珊瑚岛礁地区的现场调查，对地形地貌、海洋水动力条件、珊瑚礁体结构、沉积物相带等工程地质特性进行了总结分析[7-9]。以上两方面基本代表了目前珊瑚礁工程地质研究的主要方向。

与从海洋大陆坡、洋盆底部发育而来的大洋珊瑚礁不同，三亚海岸的珊瑚礁以岸礁、裾礁为主，是全新世以来才生长发育起来的，礁体规模小，时代新，有着岛屿陆源碎屑物占优势的沉积背景。与之相伴沉积的生物钙质地层厚度数米至十数米，分布于现代海岸线上下，受当时和现代珊瑚礁生长范围控制，生物钙质地层在平面上的分布规模大小不一，“覆盖镶嵌”于周围海陆相地层之间。由于所处地质地貌环境和自身性质的特殊性，场地工程地质条件具有自身特点，对其进行深入分析，不仅能够填补珊瑚礁工程地质研究的空白，丰富珊瑚礁特殊岩土体的研究内容，而且，对在相似场地内进行工程建设具有十分重要的指导作用。本文在系统野外调查研究和占有大量地质资料的基础上，利用多种技术手段进行综合勘探分析，对三亚海岸珊瑚礁场地的沉积历史，地层成因、地形地貌，地层结构，矿物成分和化学成分等方面进行了深入研究和总结，特别是对不同工程地质单元场地进行了现场载荷试验和相关原位测试，在此基础上，对某珊瑚礁场地进行了工程地质分区，并对各分区的场地工程特性和建设适宜性进行了评价。

2 珊瑚礁场地沉积历史

三亚海岸珊瑚礁是随着末次冰期结束，海平面升高逐步形成的[8]。全新世以来，三亚海域曾出现过高出现今海平面2～8 m 的高海面，然后逐渐小幅震荡下降到现今海面高度[10]。伴随海平面上升，一些原来紧靠海岸的山谷凹地逐渐为海水所占据，成为适宜珊瑚生长的浅水海湾或泻湖，沉积生物钙质地层。后期海平面下降，海水退出，泻湖逐渐消失，珊瑚死亡，珊瑚等生物碎屑经短距离搬运或原地堆积，之后又接受了地表径流和人类活动的改造，逐步形成了现今沿海岸零星分布、地势平坦、总体微向海倾的小规模滨海平原。这些微型滨海平原规模不大，一般面积在一个平方公里到几个平方公里，基本继承了原始山谷凹地的外形轮廓，三面环山，一侧靠海。由于地形起伏不大，又相对开阔，成为居民聚居的村庄和耕地，同时也成为海岸工程的理想选址场地。本文所指的珊瑚礁场地特指沉积了一定厚度的生物钙质地层、地形比较开阔、适宜进行工程建设的滨海平原和与之相邻的现代珊瑚礁生长的海岸带及水下岸坡区域。下面以三亚某工程珊瑚礁场地为例，进行工程地质条件分析和分区研究。

3 工程地质条件

3.1 地形地貌

珊瑚礁场地由原来的海湾或泻湖随着海水消退逐步形成的，三面环山，一面临海，总体微向海倾，地势稍有起伏，一般有短程河道与外海相连。从海到陆可以分为潮间及水下岸坡带、砂坝（砂岗）带、平原盆地带3个微地貌单元。潮间及水下岸坡带位于现今海岸高潮面之下，其中潮间带形态较窄，局部见黑色海滩岩分布，10°～15°向海倾斜；水下岸坡带为现代珊瑚生长区，水深10 m（当地理论深度基准面高程）以内为现今珊瑚主要生长范围，海底地形因珊瑚礁生长起伏变化较大；水深10 m以外珊瑚生长明显受到抑制，海底地形逐渐平缓。砂坝带地势相对较高，高程为3～5 m，发育比较成熟，几乎将原泻湖封闭，仅留一条狭窄水道穿过，是联系古泻湖和外海的通道，现今泻湖已经消亡，水道仍然存在或仅保留负地形痕迹，成为联系平原盆地和外海的水力通道，暴雨后通过水道向外海泄洪，风暴潮条件下海水通过水道向平原倒灌；砂坝带因地势高，为居民村落分布区，自然地形受人工活动影响较大，民房建筑密集。平原盆地带为古泻湖所在位置，处在珊瑚礁场地的中心，地势平坦，高程2～3 m，总体地势形同锅底，见图1。

图1 珊瑚礁场地地形地貌Fig.1 The topography of coral reef site

3.2 沉积物特征和地层结构

三亚珊瑚礁场地处在陆源碎屑占优势的大沉积背景下，在场地内部却有着生物钙质成分为主导的小环境，主要沉积物表现为珊瑚礁（原生珊瑚礁岩）和珊瑚碎屑（混有贝壳碎屑）及二者混杂堆积而成的复合体。由于在沉积历史上，不同位置的沉积环境、水动力强度、珊瑚生物群落组合各不相同，反映在现今不同的地貌单元中，地层结构和沉积物特征也各有不同。按照沉积物特征可分为3 种沉积相类型。

第一种类型为混杂沉积，现代礁坪相。主要分布在珊瑚生长的潮间及水下岸坡带附近，集中在现代珊瑚礁坪和礁坪外侧斜坡，沉积物为珊瑚礁和珊瑚碎屑混杂堆积，最大沉积厚度小于20 m，珊瑚礁和珊瑚碎屑的比例随所处部位不同会有所变化，但二者之间没有比较清晰的工程层位界线。珊瑚礁以抗浪性强的珊瑚品种（如滨珊瑚、蜂房珊瑚）为主，外观体量大，浑圆凸起，局部有孔洞，钻探取样为较完整的白色或黄白色圆柱状岩芯（见图2(c)），但未形成工程意义上连续的珊瑚礁灰岩层位；碎屑物堆积充填于珊瑚礁格架之间，灰白～白色，粒度成分从粉粒到砾石级别均有，少量黏粒和碎石级别，总体具有近岸碎屑颗粒粗、离岸碎屑颗粒细的特点，珊瑚礁坪前缘和两翼还有海相软土分布。该类沉积物中珊瑚礁格架较多，说明珊瑚礁生物群落中抗浪性品种占相当比例。

第二种类型为粗碎屑沉积，古礁后泻湖相。分布在平原盆地带和砂坝带下部，时代相对较老，沉积物以枝杈状珊瑚碎屑为主（见图2(d)），浅灰、深灰～灰黑色，基本无分选，颗粒大小混杂，粒组分布跨度大，从粉粒到碎石级别，下部混有淤泥成分，局部见有珊瑚礁块体，厚度小于20 m。上述特征说明沉积水体能量较低，发育的珊瑚礁群落组合以枝杈状低抗浪性的珊瑚品种为主，破碎后基本原地堆积。该类沉积物的上部厚约1 m 左右为硬壳层，剖面上呈现为二元结构类型，见图3。

第三种类型为细碎屑沉积，砂堤砂坝相。主要分布在砂坝（砂岗）带，沉积物以粗砂、砾砂珊瑚碎屑为主，白～浅灰白色，层状沉积特征明显，见图2(a)；局部见钙质胶结层，胶结层较紧密，锹镐难挖，一般厚20～50 cm，见图2(b)。上述沉积物特征反映了砂坝相沉积环境特点，水体能量较高，波浪往复作用，沉积物破碎程度高，有分选。该层沉积物厚约2～4 m。砂坝处在平原盆地和潮间带之间，其下伏地层主要为第二类沉积物，在剖面上呈现为典型的二元结构，见图3。

图2 珊瑚礁场地沉积物特征Fig.2 Characteristics of sediments in coral reef site

图3 不同地貌单元的地层结构(单位:m)Fig.3 The stratum structure of different geomorphic units(unit:m)

3.3 化学成分与矿物成分

试验结果表明，地层的主要化学成分是CaCO3。由于三亚珊瑚礁依托陆地生长，沉积物不可避免的掺入了陆源物质成分。其成分变化具有自己的独特规律，如图4 所示。

图4 CaCO3含量变化Fig.4 Changes of CaCO3content

从试验数据可以看出，虽然不同测试方法得到的具体数值有所差异，但其反映的CaCO3含量在剖面上的变化规律一致：以10 m为界，10 m 以上样品中CaCO3含量比较均一，一般都在80% 左右，说明在这个深度（时间）范围，主要沉积物来源于珊瑚礁，场地内此时珊瑚生长开始达到鼎盛，环境比较稳定；10 m 以下，CaCO3含量显著降低，且降低的速度也比较快；10 m 左右，CaCO3含量还维持在30%～10%，到15 m 左右，此数值快速下降为3%～1%，相应的石英、长石等陆源物质明显增高，表明在深度10～15 m 范围内是珊瑚刚刚开始生长并快速繁衍阶段。因为试验样品取自一个孤立钻孔，指示的10 m 深度界线还不能代表整个珊瑚礁场区，但可以肯定场区地层存在一个CaCO3含量跃变面，该面以上为以CaCO3为主的钙质土，该面以下为正常的陆源沉积土。

三亚珊瑚礁场地附近海域沉积的软土中普遍存在方解石，采用酸碱中和法测得其含量为6.78～10.12%[11]，明显高于上海等地的软土，由于三亚为热带、亚热带湿热酸性土壤环境，没有陆源方解石的形成条件，之前分析认为三亚海域软土中的CaCO3是在微碱性海洋环境中形成的自生方解石，现在看来，其来源于周边珊瑚礁场地的可能性更大。

根据X 射线全岩矿物分析（见表1），三亚珊瑚礁场地沉积物中的矿物成分以文石为主，其次为高镁方解石和方解石，说明场地内珊瑚礁生物群落以文石质骨壳的造礁珊瑚、软体动物骨壳和仙掌藻为主，其次为高镁方解石质骨壳的生物，包括软珊瑚、珊瑚藻、底栖有孔虫、棘皮类、苔藓虫等。

文石和高镁方解石是不稳定的矿物，随着环境的变化和时间的延长，二者均会发生向方解石的转化。上述试验数据表明沉积物样品中原始矿物成分基本未发生这种转化，这与南沙现代礁坪和泻湖表层松散沉积物类似。一方面是因为地层沉积时间短，另一方面也与试验样品所处的具体环境有关。表1中样品取自现今潮间带以下，南沙环礁礁坪和泻湖下沉积物也基本都处在低潮面之下，两者自沉积以来都没有长期出露于海水之上，沉积物所处环境没有大的变化，不稳定的文石和高镁方解石均未发生矿物转化。沙坝带地层由于长期出露海平面之上，可能已经发生了文石向方解石方向的转化，有待进一步研究。

表1 矿物成分和化学成分Table 1 Mineral composition and chemical composition

3.4 珊瑚礁某些力学特性分析

珊瑚礁岩土体力学性质一直以来是钙质土领域的研究热点。由于材料的特殊性、工程实例少和难以取得原状样等原因，人们往往关注于岩土体微观结构、应力-应变关系等室内试验方法方面的研究，有些结论性意见常常互相矛盾[5-7]。笔者通过多年的工程实践和研究认为，探讨珊瑚礁岩土体的工程特性首先不能脱离地层的沉积历史和沉积环境，仅仅从物质材料上的特殊性来考虑珊瑚礁地层的力学特性是片面的。由于沉积时所处的海洋水动力环境、沉积环境、生态环境的不同，特别是沉积水动力环境的变化，珊瑚礁地层的物理力学性质的变化是比较剧烈的，因此进行珊瑚礁场地现场原位力学试验研究至关重要。

对三亚某工程珊瑚礁场区地形地貌分析的基础上，选取砂坝带和平原盆带2个代表性地段分别进行了现场载荷试验、动力触探试验和室内试验，在潮间及水下岸坡带进行了标准贯入试验和室内试验，结果表明不同地区地层的某些力学特性相差很大，见表2。

表2 珊瑚礁典型剖面的工程地质特性Table 2 The engineering geological properties of the typical profile of stratum

4 工程地质分区和工程适宜性评价

根据上述地形地貌、沉积物特征、地层结构和力学特性分析，将珊瑚礁场地划分为3个工程地质分区，分别为消亡泻湖松散堆积区、砂坝密实分选堆积区和现今珊瑚生长混杂堆积区，见图5。

消亡泻湖松散堆积区在地貌上位于滨海平原盆地内，分区范围比平原盆地范围稍小，地下水埋藏较浅，沉积物以枝杈状珊瑚碎屑为主，为砾石、碎石级别，颗粒大小混杂，基本无分选，颜色为浅灰、深灰～灰黑色，表层硬壳层以下结构疏松，力学性质差，不能直接作为建筑物的持力层，针对该区地势低特点，可分层回填碾压至设计标高，基础设计应验算该层是否满足承载力和变形要求，或使用桩基础直接穿过。

砂坝密实分选堆积区与地貌上的砂坝带基本一致，在靠海一侧向陆地收缩，地势稍高，沉积物为珊瑚中粗砂、砾砂，白～浅灰白色，分选明显，局部见钙质胶结层，胶结层较紧密。地层力学特性良好，可以直接作为建筑物的天然地基。该区处在居民聚居地段，多有人工开挖形成的坑穴，深度1 m左右，作为地基应整平碾压夯实。

现今水下珊瑚生长混杂堆积区包括海岸潮间带和水下斜坡，沉积物为珊瑚礁与珊瑚碎屑混杂堆积。从动力触探试验结果分析，该层力学性质差异较大，非常不均匀，大部分处在海水之下，难于进行现场载荷试验，评价难度大，一般认为不适宜直接作为基础持力层。实际上，该层可以理解为形状不规则的刚性桩（珊瑚礁）和松散土层（珊瑚碎屑）共同作用形成的复合地基，只要做好现场施工监测，作为填海高方下的天然地基是可行的，同时也要考虑该区域为现今活珊瑚生长区域，由于人类活动影响，珊瑚已不同程度的受到了影响，野外调查发现局部地段水下珊瑚已经出现了死亡白化现象，必须加强保护。

5 结 论

（1）三亚珊瑚礁场地是全新世以来形成的，地层年代新，厚度小，未发现工程意义上连续成层的原生礁灰岩分布。

（2）三亚珊瑚礁场地地貌上可划分为滨海平原盆地带、砂坝带、潮间及水下岸坡带3个微地貌单元。不同地貌单元的沉积物特征和地层结构各有特点。

（3）场地内地层从上到下，CaCO3含量逐渐降低，从钙质土逐步变为正常陆源沉积土层，中间存在一CaCO3含量变化明显的突变面。

（4）场地内地层某些力学特性与颗粒直径关系不大，与地下水位关系较大。泻湖相地层粒径大，承载力却很低，砂洲相地层粒径细，承载力却较高；水位以上力学性质好，水位以下力学性质差。初步认为场地内珊瑚礁地层的某些力学特性与地质成因和沉积环境密切相关。

（5）根据工程地质条件分析，把场地划分为消亡泻湖松散堆积区、砂坝密实分选堆积区和现今水下混杂堆积区3个工程地质单元。消亡泻湖松散堆积区地层力学性质差，不能直接作为建筑物的天然地基，必须进行处理；砂坝密实分选堆积区地层力学性质良好，可以直接作为多层建筑的天然地基；现今水下珊瑚生长堆积区地层力学性质不均匀，可以作为填海高方下的天然地基。

由于人类影响，现今水下珊瑚已经见有大面积死亡白化现象，工程活动必须加强对珊瑚的保护。

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