闽江口—马祖海域地质条件对榕马大桥规划建设影响研究

袁 勋

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

马祖列岛位于福建闽江口外，马祖与福州马尾于2001年实现海上通航。福州—马祖(榕马)大桥建设是“台海通道”的重要组成部分，交通部已于2020年10月初步通过榕马大桥的工可方案，计划以福州的长乐为起点，经过福州的琅岐岛、川石岛，再连接马祖岛。 前期的地质研究工作尤为重要，目前闽江口—马祖海域的地质工作程度不高，地质资料相对较少，大桥规划建设和未来施工过程中将面临诸多问题。基于现有项目的调查成果和以往资料的收集综合分析，对榕马跨海大桥区海域的海底地形(地貌)、区域地质、新构造运动、工程地质条件、潜在地质灾害因素进行初步分析研究，对榕马大桥规划建设，具有非常重要的现实意义。

1 海底地形(地貌)

闽江口—马祖海域海岸线曲折多变，湾澳和岛屿众多，海底地形总体由岸向海倾斜，等深线走向基本平行于海岸线，由岸线向海呈梯级带展布[1-2]。海域水深一般为30 m以浅，最深为50 m，水深较浅的区域主要集中在闽江口入海口一带，这些砂质浅滩主要由于闽江入海时携带大量泥砂不断分选堆积形成的，低潮时局部区域露出水面，水深较大区域主要分布在马祖列岛、白犬列岛东侧宽阔海域及马祖列岛各岛屿间的水道区，岛屿间潮流通道的冲刷作用强烈，导致其海底地形变化较为剧烈(图1)。

海底地貌类型多样，并有福建最大河流闽江在此入海，海底地貌自岸向海可划分为沙滩、粉砂-淤泥质潮滩、河口水下三角洲、水下堆积岸坡、倾斜的陆架堆积平原等地貌类型(图2)，局部还有埋藏古潮道、河口沙坝、海底洼地和潮流沙脊等地貌单元。

沙滩、粉砂-淤泥质潮滩等潮间带地貌分布于全区5 m以浅海域，以沙滩为主，大面积分布于闽江口入海口一带，粉砂-淤泥质潮滩小范围分布于定海湾等海湾内；河口水下三角洲和水下堆积岸坡是研究区海底最主要的地貌类型，闽江河口是山溪性强潮三角洲型河口[3]，水下三角洲呈扇形展布，前缘水深约15 m，水下堆积岸坡是闽江口水下三角洲的延伸部分，平行于海岸线呈带状分布，横跨宽度约20 km，地形平坦，俨然一个水下平台，海底坡度仅为0.3‰～0.8‰；陆架堆积平原，是水下堆积岸坡向东部海域的延伸部分，也是细颗粒泥沙快堆积的区域，小范围分布于白犬列岛-马祖列岛的东侧海域，地形较平坦，水深超过40 m，海底坡度小于0.6‰。

由此可见，榕马大桥方案所处海域水深总体小于20 m，仅东北端靠近马祖岛的小片海域达30 m，海底地形总体较为平坦，潮间带—河口水下三角洲—水下堆积岸坡各地貌间过渡较为平缓，水深地形(地貌)条件对于后续的工程勘查和施工影响较小，但榕马大桥规划线路西侧存在一定规模的河口沙坝，在外界应力作用下，容易发生迁移或者滑坡，在勘查和施工过程中应进一步评价其影响，做好防范措施。

2 海底沉积物特征

2.1 海底表层沉积物类型及分布特征

研究区构造位置处于闽东火山断坳带的东北部，陆域面积较小，大面积发育第四纪地层，基岩出露较少，主要为中生代火山岩和晚侏罗世-早白垩世侵入岩，断裂带大部分被第四系覆盖或处于海底之下，断裂总体走向以北东向及北北东向为主，其次为北西向。海域主要以晚更新世以来的第四纪沉积物为主，其中表层沉积物多为晚全新世沉积物(图3)。海底表层沉积物类型偏简单，大致可分为粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂、砂4种类型，且总体上呈现近岸偏粗、远岸偏细的特征。

粉砂组分为主的沉积物在研究区分布最为广泛，包括粉砂和砂质粉砂，主要分布于闽江口东北部及东部相对远岸海域，这些区域沉积物粒度整体偏细，水动力中等偏弱。砂质组分为主的沉积物在研究区分布较为广泛，包括粉砂质砂和砂，主要分布于闽江口河口水下三角洲等近岸海域，这些区域沉积物粒度整体偏粗，水动力较强。

2.2 沉积物浅地层特征

闽江口入海口以东海域由于陆源泥沙经闽江携带入海，在该区不断搬运、堆积，经长期沉积改造，沉积层厚度一般大于30 m，根据研究区的单道地震剖面的反射结构特征，并结合钻孔资料(钻孔位于榕马大桥规划方案南侧)，在研究区追踪识别了R0(海底)、R1、R2、R3和Rg共5个主要反射界面(即浅地层单元界面)，将研究区基岩上覆地层划分为4个浅地层单元(图4)，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ单元。

第Ⅰ单元位于R0与R1界面之间，是工作区内最年轻的地层，以顶超方式超覆在其它地层之上，以席状披盖方式遍布全区，该沉积层为一套高含水量、低密实度、易流动交换的表层沉积层，主要对应全新世粉砂质砂等，为典型的海相沉积。

第Ⅱ单元位于R1与R2界面之间，是工作区内较年轻的地层，该层总体呈席状披盖，层内反射以微斜层理或近平行层理为主，反射层连续性总体较好，易于追踪。该沉积层为一套高含水量、低-中等密实度的沉积层，主要对应全新世粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂、中细砂等，同样是海相沉积。

第Ⅲ单元位于R2与R3界面之间，该层总体呈席状披盖，局部呈楔状、透镜状或丘状外形，内部反射杂乱，向上发散，向下收敛，似水平波状反射结构、叠瓦状前积结构、乱岗状充填结构兼有，连续性较好。该沉积层主要为一套中等含水量、中等密实度的沉积层，主要对应晚更新世粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂、中细砂等，以海相沉积为主，局部为河流相，反映了海侵和海退过程。

第Ⅳ单元位于R3与Rg界面之间，是工作区内基岩上覆最老的地层。层内反射能量较弱，层理以波状、似乱岗状-乱岗状反射结构为主。其顶界面在研究区内剧烈起伏，为一典型的不整合面，推断该层为末次冰期晚期的海退沉积，主要对应晚更新世含砾砂、砂质砾、砾石等，为一套河流相沉积。

由此可见，研究区沉积物厚度一般为30～90 m，平均厚度超过50 m，厚度变化较大，基岩面起伏也较大，中上部主要以晚更新世以来粉砂-砂质类沉积物为主，含水量和密实度均为中等-高，仍处于动态沉积之中，固结尚未完成，在外界扰动下可能发生滑动或变形，不利于寻找稳定持力层。此外，局部海域基岩之上还存在含砾砂、砂质砾及砾石层，贮存有丰富的潜水，渗透能力强，富水性好，较松散，稳定性差，勘查和建设施工时易发生流砂、坍孔，施工过程中应做好护壁，加强浇筑混凝土等措施，保证桩基质量。

3 新构造运动

研究区构造位置处于闽东火山断坳带的东北部，闽江—永定北东东断裂带和福鼎—福清北北东断裂带斜贯研究区。新近纪以来的新构造运动具有继承性、新生性、差异性、间歇性等特点，其主要构造运动形式为继承性的断裂活动和断块的差异升降活动。继承性主要表现为前期形成的构造格局没有大的变化，老的北东-北北东向和北西向断裂和断陷盆地在新构造运动时期均有不同程度的复活。新生性则体现在随着地质阶段的发展，断裂、断块运动的性质和强度都在不断的变化和发展，沿海地区产生一些新生的断陷盆地。

3.1 新构造分区

根据区域构造及其发展历史，以及新构造运动的空间差异，福建共划分了5个一级构造分区及若干个次级构造亚区(图5)，研究区位于闽东沿海北段差异沉降亚区(Ⅳ1)。

图5 研究区及周边新构造略图Fig.5 Sketsketch of new structure in the research area and surrounding

闽东沿海北段差异沉降亚区(Ⅳ1)东临台湾海峡巨型沉降带，北东-北北东、北西和东西向活动断裂十分发育，新构造运动以稳定相对沉降为主要特征，沿海第四纪平原狭小、零星分布，更新世的红土型台地多被掩埋于全新世海积层之下，据资料记录，其沉降幅度为40～75 m，形成多级海蚀阶地或海蚀小平台，侵蚀遗迹多出现于滨岸地带，海拔一般小于90 m。全新世以来，该区缓慢上升，沿海可见一些上升的沙坝、贝壳堤高出海平面一般为3～7 m。研究区地震活动比较弱，仅南部历史上曾有过强震，现今弱震很少。

活动断裂基本上是在燕山运动基础上形成并继承性复活，由海向内陆方向，具有规模渐小、活动性渐弱、连续性渐差等特点，活动断裂与温泉、地震及滑坡、泥石流等地质灾害关系密切。福建活动断裂比较发育，且大多数为继承性复活断裂，其走向大致以北东-北北东向及北西向2组为主，形成网络状构造格局。

3.2 海域新构造运动

活动断裂一般是指晚更新世以来仍有活动的断裂，主要是地壳活动和沉积作用引起地层的错动，造成两旁沉积物厚度不同，进而引起地面变形。近几年在研究区周边海域也发现多处断点，这些断点大多有错动第四纪沉积层，部分断点甚至错动基岩面，表明研究区所在闽东沿海北段差异沉降亚区(Ⅳ1)海域同样存在活动断裂，是海域新构造运动的重要证据。

黄岐半岛北部的2处断点，位于松溪—宁德北西向断裂南段入海延伸处，在单道地震反射波同相轴错动较明显，已错动至第四纪盖层，总体往南东倾，垂向错动量较小，为1～4 m，为正断层，性质与松溪—宁德北西向断裂相似；长乐漳港东部海域发现9处断点，位于闽江下游北西向断裂北段入海延伸处，在单道地震反射波同相轴错动较明显，已错动至第四纪盖层，部分基岩面也出现错动，总体往北东倾，垂向错动量为1～9 m，以正断层为主，大部分断点性质与闽江下游北西向断裂相似，目前还缺乏上述海域断点是这些陆域活动断裂带在海域延伸的充分证据。

活动断裂是桥梁等海上工程建设的重大潜在危害，其运动往往会造成地层变位，威胁桥梁桩基等水下基础，甚至造成安全事故，榕马大桥规划方案的西南侧琅岐岛周边海域暂未发现断点，但东北侧马祖岛周边海域调查程度较低，未排除活动断裂存在的可能，后续勘查和施工前应加强活动断裂的相关调查，降低风险。

4 工程地质特征

研究区海域暂未开展系统的工程地质调查，缺乏物理力学等土工实验数据，根据现有表层沉积物粒度测试分析等调查数据，将该研究区海域岩土体类型划分为3个工程地质岩组，包括1个岩体岩组和2个土体岩组(图6)。

图6 研究区工程地质略图Fig.6 Engineering geological sketch of the study area1—砂性土岩组；2—黏性土岩组；3—双层结构；4—多层结构；5—工程地质剖面；6—钻孔位置及编号

4.1 海域岩土体类型及分布

海域岩体工程地质类型主要为坚硬块状侵入岩组，主要由早白垩世侵入岩组成。岩性以正长花岗岩为主，见有少量二长花岗岩。以坚硬块状岩组为主的岩体主要呈零星状分布于研究区东部岛屿或群岛附近，周边基岩埋深浅；同时受到水道强水流冲刷，上覆土体受到强烈剥蚀作用，使得岩体易裸露出现在这些区域海底。

海域土体工程地质类型主要为砂性土岩组和黏性土岩组。以砂和粉砂为主的砂土体主要分布于闽江口东部近岸海域，其分布主要受沿岸陆源碎屑沉积作用和水系河流分选作用控制，在入海口外沿海流走向形成大型的水下沙脊群或水下沙坝。以粉质黏土为主的粘性土体顶部广泛出露于除闽江口东部远岸海域，这些海域水动力作用较弱，粗颗粒碎屑物质难以搬运到此，以细颗粒为主的黏土、粉土为主的海相沉积物占据主导地位。

4.2 海域岩土体结构

闽江口海域同时受到陆域河流物质输入和近海沉积等作用的影响，土体结构在垂向分布特征表现为以多层结构和双层结构为主，其中琅岐岛—马祖列岛以西海域土体垂向分布特征以双层结构为主(图7)，属于全新世土体，近海处表层为≤10 m的砂土，成分以细砂为主，呈较为稳定的层状，到远海处逐渐尖灭；其下伏为黏性土，属于更新统土体，主要成分为粉质黏土和粉土，远海处可见多层透镜状砂土夹层，层厚为1～2 m，其下为花岗岩基岩。

饱和砂土及粉土会发生轻微-中等程度砂土液化，地震等因素后可能导致液化现象发生，土体受到液化作用影响会减弱或失去抗剪强度，甚至失去承载能力，对天然地基、桩基础会产生不利影响，在施工时应充分考虑沙土液化现象，采取注浆、人工密实等消除液化。

图7 琅岐岛—马祖列岛以西海域土体结构剖面图Fig.7 Soil structure profile west of sea of Langqi Island-Mazuli Island1—海平面；2—剖面方向；3—钻孔位置及孔深；4—砂土；5—黏性土；6—花岗岩

5 桥梁建设的不利地质灾害因素

5.1 桥梁工程结构

目前，国内外跨海大桥工程建设技术发展较快，根据已完工的杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥、平潭海峡公铁两用大桥等跨海大桥的方案[4-5]，主流的跨海大桥方案包括大跨度斜拉桥、钢箱梁桥、组合梁桥及预制PC梁桥等，不管何种方案首先要解决水下基础的施工问题，水下基础主要有沉井基础、沉箱基础、桩基础、复合基础等类型，其中桩基础是目前应用最广、最主要的一种桥梁基础类型，应在勘查的基础上选择合适的一种或者多种基础类型来满足桥梁所处的特殊地质条件，开展后续施工建设。

5.2 桥梁建设的不利地质灾害因素

根据侧扫声呐、浅层剖面及单道地震等物探测量手段，在研究区海域发现2大类海洋潜在地质灾害因素：活动性海洋地质灾害包括埋藏浅层气、河口沙坝、沙波、潮流沙脊；限制性海洋潜在地质灾害包括海底洼地、埋藏古河道，其中埋藏浅层气分布与研究区中部，与榕马大桥规划线路中部有重叠，河口沙坝规模较大的有两处，均分布于闽江口河口水下三角洲范围内，其中一处位与榕马大桥规划线路西侧有重叠，潮流沙脊及沙坡主要分布于马祖岛西南部的水下堆积岸坡范围内，海底洼地主要分布于马祖列岛各岛屿间的水道区，埋藏古河道分布于黄岐半岛和马祖列岛间的航道区(图8)。由此可见，与榕马大桥规划有关的不利地质因素主要为埋藏浅层气和河口沙坝。研究区地震烈度Ⅵ-Ⅶ度，属于轻-中等烈度。

图8 研究区海域潜在地质灾害因素分布图Fig.8 Distribution diagram of potential geological disasters in the study area1—滑坡/崩塌；2—不稳定斜坡/海岸侵蚀与淤积；3—隐伏第四系断层；4—推测活动断层；5—地震烈度与区划界线；6—历史地震震中埋藏古河道；8—河口沙坝；9—海底洼地；10—潮流沙脊；11—埋藏浅层气；12—沙波发育区

海底埋藏浅层气会影响海域工程的施工和构筑物的安全，存在引发海域地质灾害发生的安全隐患。研究区内所探测到的浅层气处于埋藏状态，埋深较浅，分布于闽江入海口东侧水深为14～22 m的开阔海域，平面上呈不规则纺锤形，长轴近北西向，长约8.4 km，宽为0.5～3.0 km，面积约14.2 km2。沉积物中浅层气含量的增加将引起海底土层膨胀，原来土层的构架受到破坏，土层在自重作用下的固结作用过程减慢，从而增大了土层的压缩性，一旦气体释放后，含气土层将产生相对较大的沉降量，导致海域工程的基础结构相应下沉或失稳，进而诱发海域工程刚性结构的坍塌，甚至断裂损坏。因此，含浅层气的沉积物的这种高压缩、低强度的特征，使其成为不良地基之一。海底浅层气对于桩基施工，特别是钻孔桩施工危害极大，施工的钻孔过程实际上是一个卸荷过程，当成孔至含气层时，由于卸荷作用，在上覆土层压力小于浅层气的气藏压力时，浅层气会从孔内逸出，当压力差足够大时，会出现强烈的井喷，周围的泥沙会涌入孔内，发生孔壁坍塌等事故，甚至造成施工平台不均匀下陷、倾覆及至发生火灾，严重威胁着施工人员的生命安全，在勘查和施工前，可采用人工放气等措施降低风险，达到防灾减灾的目的。

此外，榕马大桥方案西南侧还存在一定规模的河口沙坝，当海底地层受到外界应力作用时，河口沙坝可能发生迁移或者滑坡，在勘查和施工过程中应进一步评价其影响，做好防范措施。

6 结语

榕马大桥初步方案所处的闽江口—马祖海域具有自身较为独特的自然地理条件和地质条件。海域的水深较浅，海底地形总体较为平坦，海底地貌类型主要包括潮间带地貌和水下岸坡地貌及陆架堆积平原，各种地貌间过渡较为平缓，表层沉积物类型、岩土体类型及结构较为简单，对于榕马大桥的后续勘查和建设影响相对较小。与桥梁施工建设有关的主要地质问题有滑坡、基岩面之上的松散砂砾层、基岩面起伏及不均匀风化、砂土液化、埋藏浅层气及河口沙坝等潜在地质灾害因素，特别是周边海域发现活动断裂迹象，这些均是跨海工程建设的不利因素，在一定的自然或人为诱因作用下，对桥梁造成损坏，甚至造成工程事故。尽管榕马大桥方案已开展了大量研究、论证工作，也开展了部分调查工作，取得了一定的研究成果，但总体调查和研究程度仍较低，特别是缺少工程地质和水文地质方面的数据和资料，仍有很多制约性关键地质问题有待解决。

(1)建议后续开展系统的榕马大桥规划线路综合地质调查，查明相关海域浅地层结构、潜在不利地质灾害因素、断裂构造、水文特征，分析海域的工程地质条件和水动力条件，开展榕马大桥工程适宜性的研究，为大桥选线选址、规划设计提供依据。

(2)对于已发现的潜在地质灾害因素等不利条件，特别是活动断裂，开展灾害成生规律的研究和必要的监测，在设计、勘查及施工过程中、尽量规避并制定有效防灾减灾措施。