《前 言》

前 言

横贯台湾海峡的隧道长度按最短线路计算, 将至少在130 km以上, 其长度将是当今世界上已建成的英吉利海峡隧道长的3倍, 亦将是日本的青函隧道的2倍以上。尤其是其穿越地区的地质条件远比英吉利海峡复杂, 也较青函隧道为不利。台湾海峡位居台湾岛弧的前陆盆地, 是个地震常发地区, 台湾岛弧又位于有名的西太平洋地震带上, 是菲律宾海板块和欧亚板块相碰撞地带, 这样的地壳活动区, 能修建隧道吗?人们非常担心。

然而人们早在上个世纪中叶, 就有修建台海峡隧道的建议, 那时笔者之一的彭阜南正在台大任助教, 就听到台湾学生在一次游行中提出“修条隧道到大陆去”[1]。当时台大的教授, 著名的海洋地质先驱, 马延英教授就要他考虑去福建调查地质, 以研究台湾海峡两岸地质的异同, 进行对比[2,3]。至今, 想修条海峡隧道联通台湾和大陆的话题, 还在台湾学者中流传着*。在大陆方面也有工程桥梁专家在上世纪90年代一开始, 就向中央提出过修建隧道的雏议**。90年代后期, 清华大学学者又提出了这一设想[4], 得到我们的附议, 特别是得到清华大学校领导的支持, 成立了台湾海峡隧道论证中心小组, 并得到福建各界和领导的重视与支持, 也得到台湾学术界, 工程界人士的支持与赞同, 终于迎来了两岸学者和工程界专家共聚一堂的讨论会[4]。2002年3月23—24日, 两岸学者在厦门市召开了“台湾海峡桥隧建设学术研讨会”。会上台湾大学海洋研究所俞何兴教授作了“台湾海峡之海洋地质简介”;国家海洋局二所彭阜南和叶银灿教授作了“台湾海峡隧道南线方案地质环境的初步分析”;福建王洪涛研究员等作了“台湾海峡地震地质构造环境与桥隧工程方案可行性研究”;其他学者多集中于探讨台海隧道的开发战略 (清华吴之明教授) , 或“厦门—金门大桥址工程地质环境” (福建高天均教授等) ;“闽南‘金三角’桥隧选线” (厦大蔡爱智教授) ;“桥梁隧道与台湾海峡两岸经济发展” (陈吉余院士等) ;“金厦大桥之兴建与经济意义” (台湾大学王鸿楷教授、台湾成功大学张益三教授和台湾其他学者) ;金庆焕院士等提出了“厦门—金门大桥预选桥址海洋工程地质勘探初步方案”。但是由于人所共知的原因, 对于隧道工程前期的一些调研工作远没有开始, 只有一些以海洋地质或地震科学等基础科学为目的, 或者以石油远景勘探等为目的一些科学研究。因之, 还没有人针对能不能修建海峡隧道作出正面回答。可是这个疑点一直在人们心目中存在着, 对此, 笔者想从已掌握的地震构造学、海洋地质学、地震学的有关资料, 做出分析与探讨, 以利进一步研究。

《1 西太平洋岛弧和软流层的倾伏》

1 西太平洋岛弧和软流层的倾伏

从亚洲大陆东望, 其东缘的岛弧就像是长裙的裙边, 从北向南为千岛弧、日本岛弧、琉球岛弧、台湾岛弧、吕宋岛弧, 一褶接一褶, 连绵不断 (图1) , 这是太平洋板块洋壳西移, 与欧亚板块陆壳相碰撞的结果。西太平洋板块下的软流层向西环流, 并作扇面展开, 由于作用力大小差异和方向的变异, 倾伏角度的改变, 导致洋壳和陆壳在碰撞时岛弧的形成、岛弧的转折和间断;软流层倾伏角的大小, 乃系碰撞作用力的大小所致。

《2 转换断层和类转换断层》

2 转换断层和类转换断层

1968年美国海洋测量局Heirtzler等人据海底玄武岩, 磁异常条带做作出从洋中脊溢出向两侧推移, 排列成绝对年龄由老到新的平面分布图像 (图2) , 反映出太平洋西部洋壳西进的速度参差不齐, 形成转换断层。其断层线总体看分布均匀, 走向稳定。洋壳西进和陆壳碰撞后, 向西推进的力在陆壳上引起类似方向的老断层的复活;由于推进速度不一, 有的左旋, 有的右旋, 特命之为类转换断层1, 以与洋壳中的转换断层相区别。例如台湾本岛南北两端海外出现的N-W向深大断裂就是类转换断层 (图3) [7,8,9,10]。

台湾岛的内部, 因有花莲—台东纵谷板块碰撞带和中央山脉褶皱隆起带的存在, 地应力在此聚集和释放, 使岛的西缘和邻接的海峡内没有或少有类转换断层的存在。

台岛两端外侧的近北西向类转换断层, 应是深大断裂带。它是其下软流层差异活动的产物;深度大, 可达软流层;延伸长, 可从洋壳拓展到陆壳,

《图1》

图1 太平洋西部岛弧分布图[5]

图1 太平洋西部岛弧分布图[5]  

Fig.1 Distribution of island arcs in the westen part of the Pacific

《图2》

图2 太平洋领域内磁异常分布图[6]

图2 太平洋领域内磁异常分布图[6]  

Fig.2 Magnetic anomaly distribution in the field of the Pacific

《图3》

图3 台湾海峡及邻区的类转换断层和深大断裂[7～10]

图3 台湾海峡及邻区的类转换断层和深大断裂[7,8,9,10]  

Fig.3 The transform-like faults and abyssal faults in Taiwan Strait and its adjacent

并深入其内有一定距离。由于长期错动的结果, 断层破碎带具有一定宽度;活动可延续到现代。近地表处, 疏松破碎, 当洋壳挤压陆壳时, 类转换断层则是最佳的储能场所;若还有其它方向的断裂带与之交汇, 则更是强震易于发生的地点。

《3 台湾海峡—台湾岛东西向地质剖面》

3 台湾海峡—台湾岛东西向地质剖面

福建、台湾海峡和台湾本岛花东纵谷以西, 三者并连为一体, 并向东微倾, 它们系欧亚陆壳的一部分。其下软流层向东流[11], 大地形变亦反映出这样的结果[12]。这个向东倾的陆壳直延伸到岛屿的中部, 遇到西进的洋壳, 二者发生剧烈的碰撞, 洋壳向西发生30°角的仰冲, 构成中央山脉东西两侧的强震发生带。在海洋地质学则称之为前沿冲断层带 (frontal thrust zone) [13]。已知陆壳为中生代的碎屑沉积和火山岩组成[8], 洋壳则是第三纪和第四纪的海洋相碎屑沉积[7]。在海峡陆壳上堆积的第四纪沉积物, 其特点是地层平整, 为颗粒细小的深水沉积, 厚达数百米[14] (图4及图5) 。

《4 台湾岛和台湾海峡的地震分布和特征》

4 台湾岛和台湾海峡的地震分布和特征

台湾岛存在着东西两大活动断层分布带, 历史上发生的地震, 基本上沿着这两大断裂带分布。东带是花东纵谷带, 由于菲律宾海洋壳板块与欧亚大陆板块碰撞而生成的, 两大板块碰撞时的地应力, 大都沿着这一碰撞带释放[15,16], 震源的深度大多属于浅源地震, 但深度较西部带为深, 引起的震害较小。

至于西部地震带则为台湾西部平原和山麓丘陵邻接的地带 (图4) 。当洋、陆板块碰撞时的主要应力集中在东带释放之后, 一部分则集中在西部带, 在促使板块基底上部的盖层产生滑移破裂引起强震[15]。西部地震带生成的地震往往较东部为少, 但震源极浅, 因而破坏性较大。例如1999年9月21日集集大震, 震级7.3, 震源深度8 km, 破坏性极大。

图6是1964～1995年之间, 大于或等于5.0级的地震震中分布图[17,18]。图中的台湾岛中部最大地震是1999年9月21日的集集7.3级震中[16]。

台湾海峡地震活动特征:

菲律宾板块向西推进的动力, 经过台湾东部带和西部带的释放, 传到台湾海峡的剩余部分相对较弱, 因而在历史上台湾海峡的地震, 多属中小型地震 (图7, 8) 。研究这些中小型地震之后[19,20], 发现大多数呈带状或窝状出现, 推测这是与海峡中的较小活断裂相交有关。只有当滨海深大断裂在海峡南部东山、南沃附近和切过台湾岛南端的NW向类转换断层相交之处, 和滨海大断裂在海峡北部和宁化—福州近东西向断裂和贯穿兴化湾的NW大断裂相交之处, 可产生较大地震, 震级可达7级, 最大为7.5 (泉州湾1604年) 。而在南北端之间则极少有超过6级的地震, 1994年在海峡中轴线南部的7.3级地震, 则系地幔上隆引起的[21]。

《图4》

图4 台湾地质剖面简图[7, 8]

图4 台湾地质剖面简图[7,8]  

Fig.4 Geologic section of Taiwan Island1—前第三纪刚性基底;2—前第三纪滑动基底;3—2的上部之粘板岩 (已强烈变形破碎并蛇绿岩化) ;4—1的上部第三纪板岩及石英岩分离层;5—主要为中新世及上新世地层, 分布在山麓区作迭瓦构造;6—更新世磨砾层及造山后沉积;7—第三系外来弧及俯冲杂岩;HL—新竹一林内断裂;TS—屯子脚—狮潭断裂;CC—潮州—车■断裂;LS—梨山断裂;ZR—中央山脉断裂;KR—海岸山脉断裂;ms—苗粟;tc—台中;hl—花莲

《图5》

图5 福建南日岛至台湾新竹—苗粟之间地质地震剖面图

图5 福建南日岛至台湾新竹—苗粟之间地质地震剖面图  

Fig.5 Seismogeologic section in the range from Nanri Island, Fujian Province, to Hisnch-Miaoshu, Taiwan1—挤压背斜;2—牵引背斜;3—断块;4—断鼻;5—砂岩上倾尖;k—白垩纪;PE—古新统一始新统;O—渐新统;N1—中新统;N2—上新统;Q—第四纪

《图6》

图6 台湾1964—1995年5级及5级以上地震分布图[14]

图6 台湾1964—1995年5级及5级以上地震分布图[14]  

Fig.6 Distribution of earthquaks of magnitude 5 and higher in Taiwan in the period of 1964—1995

《图7》

图7 福建沿海弱震震中分布图[19]

图7 福建沿海弱震震中分布图[19]  

Fig.7 Epicenter distribution of weak earthquake in the coastal region of Fujian Province

《图8》

图8 台湾海峡及两岸活动构造纲要图[22]

图8 台湾海峡及两岸活动构造纲要图[22]  

Fig.8 Active tectonic diagram of Taiwan Strait and its both side regions

①—福清东张—云霄断裂;②—浙闽滨海断裂;③—台西平原断裂;④—台东断裂;⑤—宁德—基隆断裂;⑥—沙县—南日岛断裂;⑦—永安—晋江断裂;⑧—龙海—七星岩断裂 (巴士海峡断裂) ;⑨—上杭—浅滩 (西) 断裂;⑩—泉州—台中断裂

对比台湾岛上的地震与台湾海峡地震的特点, 发现岛上的强震主要受控于东部、西部两大活动断裂带;海峡的地震主要是台岛两大强震带特别是西部地震带的剩余效应。因此, 前者发生强震, 实际上是对后者起了屏障作用[23]。

《5 从地震和地质角度看修建海峡隧道的可行性》

5 从地震和地质角度看修建海峡隧道的可行性

由于岛上的花东纵谷作为洋壳对陆壳的碰撞地带, 形成南北向的东西两大强震发生带, 这对海峡地震的发生, 起了很好的屏障作用;东边来的挤压力在这两个带上聚集和释放了。海峡区作为陆壳, 深部受到较小的水平压力而表部又受东西向的引张, 反映在地震活动上同岛上有明显不同。

海峡两端因有近东西及NW向类转换断层的存在, 应力在此集中, 而对海峡内部也起着屏障作用。海峡内部近南北向断层同台岛两端类转换断层相交叉, 形成了强震发生的适宜地段, 如南沃附近7.1级的历史地震就是例证;而海峡内部没有强震, 就是个反证。

令人担心的是北北东—北东向福建滨海深大断裂带和海峡南北两端的EW向及NW向类转换断层的交汇处。看来该处的位置, 离海峡内可选隧道路线的区域, 尚有一定距离。即使未来有较强地震, 也不会对海峡隧道造成大的影响。

根据几十年的仪器记录, 海峡内最大地震未超过6级, 海底沉积物从Q3以来, 地层为厚300 m以上页岩夹砂页岩, 层面平缓无褶皱, 也没有大断层带存在, 说明未受过≥6级地震的影响。

由于海峡位于陆壳上, 其地震属板内地震型, 若海峡区内震级上限不超过6级, 则发生地震一般也不会引起地面的位错, 更何况将来的隧道, 按以往工程经验, 多建在地下一定的深处, 约在海床下40 m, 即或发生地震, 位错量也会更小。这同岛上强震发生带所见位错量是不可同日而语的。岛上强震发生带, 作30°的倾斜, 仰冲盘相对较薄, 上面为自由空间, 地震时振动强烈, 因此集集地震, 仰冲引起的位移量很大[15]。这同陆壳内部, 板内强震发生带, 断层多属高角度, 断层两盘都受地体围限[23,24], 两者是绝然不同的, 故同等级的地震, 其位错量相差巨大, 后者仅是前者的几分之一[23,24]。

隧道重点设防地区, 应是其岛上的出入口, 它距离台岛西部强震带较近, 可能会受到一定的影响;而大陆一侧的出入口, 地震安全设防问题较易解决。为慎重计, 现代技术不难查明海峡内部和隧道东西两端是否有强震发生地段[25]的存在, 以便进一步核实。在海峡隧道工程启动前, 可以进行此项测试。

《注释》

注释

1 在福建南部东山岛的陈城 (22.75°N, 117.5°E) 海岸边, 1986年夏彭阜南和国家海洋局二所、三所同事亲自考察见有来自海外的N-W向逆冲剪切断层碎裂带全为碎屑状石英岩, 一定距离外的海滩外则为一片深动力变质的花岗片麻岩, 其中出现红柱石, 方向性极强, 当时未能给其在大地构造上定位, 故印象深刻, 可能是一条类转换断层带, 其延长线沿台湾岛南端而过。