喀麦隆火山带通贝尔地堑岩石的矿物与结构各向异性：基于岩相学、结构学及遥感技术的建筑用材料潜在产区研究

《Journal of African Earth Sciences》：Mineral and Structural Anisotropy of rocks on the Tombel Graben (Cameroon Volcanic Line): Petrographic, structural, and Remote Sensing Insights for an emerging zone for construction materials

　　摘要：汤贝尔地堑是喀麦隆火山带内一个由断层控制的火山构造凹陷，其中包含多种变质岩、深成岩和火山碎屑岩，这些岩石都是重要的建筑材料来源。尽管该地区对地质材料的需求不断增长，但矿物组成、变形结构以及结构复杂性对岩石各向异性和工程性能的影响仍缺乏深入理解。本研究结合卫星遥感、野外结构测绘、岩石学分析以及颗粒度分析，旨在评估汤贝尔地堑的恩乔姆贝-佩尼亚和琼戈地区的建筑材料质量所受的地质控制因素。通过Landsat-8操作型陆地成像仪和航天雷达地形任务的数据，运用主成分分析、最小噪声分数变换、波段比技术以及地形分析等方法，识别不同岩性单元、变化带，并揭示区域结构特征。共绘制出约60条主要线性构造，长度在4.6至40.4公里之间（平均约14.5公里），局部区域线性构造密度超过2.5公里/平方公里。这些线性构造呈现出以东北-西南方向为主的结构性格，占所有测量方向的60%以上，与野外观察到的结构趋势高度一致，从而证明了遥感解译的可靠性。岩石学分析表明，结晶基底以石英-长石-黑云母组合为主，岩石各向异性主要受结构发育程度和变形强度的控制。富含石英的块状伟晶岩和花岗岩体具有较弱的平面结构，但力学性能相对较高；而富含黑云母的片麻岩、混杂岩及糜棱岩则呈现明显的片理结构及强烈的各向异性。对UTA和琼戈火山锥的火山碎屑沉积物进行的颗粒度分析显示，其为中等分选度的火山砾与灰烬混合物，中值粒径在0.5至4毫米之间，表明其可能适用于基层和底基层材料。结构研究显示，该地区存在多期变形历史，早期以塑性片理和剪切结构为主，随后被脆性断裂网络所取代。光谱增强处理结果显示，变化异常集中在线性构造密度较高的区域，说明结构对热液流体循环及相关矿物变化有显著控制作用。野外观察、岩石学结构、立体几何分析以及遥感得到的结构特征之间的高度一致性表明，汤贝尔地堑内的岩石各向异性是由矿物组成、变形历史、断裂密度以及多尺度上的蚀变过程共同作用的结果。研究结果表明，在结构密度较低的区域内，那些体积较大、变形程度较轻的岩石，其作为建筑材料的质量最高；而那些断裂严重、片理明显且经过蚀变的岩石，其工程性能较差，使用前可能需要经过加固处理。通过整合岩石学、结构学、颗粒度分析以及遥感数据，本研究为评估喀麦隆火山带及其他结构继承的火山-基底地体的岩石各向异性及建筑材料适用性提供了可重复的多尺度分析框架。

引言：喀麦隆火山带是一个重要的板内火山与构造区，从几内亚湾的岛屿延伸至中非大陆内部。它由多个火山中心、断层控制的地堑、上升的断块山、熔岩场以及沿前寒武纪构造走廊形成的单成因火山锥组成（Fitton, 1980; Déruelle et al., 1991; Ngounouno et al., 2012）。喀麦隆火山带的大陆部分的特点在于新生代火山活动与古老的泛非洲基底结构之间的相互作用，形成了结构复杂的地质环境，这对岩性分布、岩浆侵入、热液循环以及地貌演化有着重要影响。过去几十年来，人们在了解喀麦隆火山带的岩石学、地球化学、火山学以及地质动力学演化方面取得了显著进展（Marzoli et al., 2000; Njome & Suh, 2005; Wandji et al., 2009）。然而，对于矿物组成、变形结构以及断裂系统对岩石各向异性和工程性能的影响，研究还相对较少。在火山岩和结晶基底地体中，各向异性直接影响岩石的机械强度、耐久性、风化敏感性、地下水流动以及边坡稳定性，进而决定岩石是否适合用于建筑和基础设施建设（Passchier & Trouw, 2005; Fossen, 2016）。近年来，卫星遥感技术的进步证明了将多光谱图像、数字高程模型以及结构分析相结合在地质测绘和资源评估中的价值。在喀麦隆，Landsat、ASTER以及航天雷达地形任务的数据已被成功用于划分岩性边界、识别热液变化带以及绘制受结构控制的矿化带（Takodjou Wambo et al., 2016, 2020, 2024; Fossi et al., 2021）。同样，线性构造的提取和密度分析也有效地揭示了热带地区由于基岩暴露有限而难以直接观察的区域结构模式、断裂连通性以及流体流动路径（Fossi et al., 2021; Pour et al., 2023）。总体而言，这些研究体现了遥感技术作为研究结构控制型地质系统的辅助工具的重要性日益凸显。汤贝尔地堑是喀麦隆火山带内最显著的构造凹陷之一，其中包含多种变质岩、深成岩和火山岩，如片麻岩、混杂岩、角闪岩、糜棱花岗岩、伟晶岩、熔岩流以及火山碎屑沉积物（Tchameni et al., 1996; Nkouathio et al., 2002）。这些岩石保存了多次变形事件的痕迹，表现为片理、褶皱、剪切带、节理、断口以及断层系统等。这类结构通过控制断裂密度、结构方向、渗透性、风化过程以及岩石的力学性能，对整个岩体的行为产生重要影响。尽管汤贝尔地堑具有重要的地质意义，且作为建筑材料来源的重要性日益增加，但以往的研究主要集中在火山学、岩石学以及区域地质学方面，较少关注矿物学、结构特征以及遥感地质指标共同对工程适用性的影响。虽然遥感技术已在喀麦隆的矿产勘探、热液变化带识别以及结构解译中得到广泛应用，但很少有研究将遥感获得的结构信息与详细的野外结构测量及岩石学观察相结合，以评估岩石的各向异性和建筑材料质量。因此，仍有许多问题亟待解答，包括：(i) 矿物组成对岩石固有各向异性的影响；(ii) 变形结构与断裂网络对岩体行为的影响；(iii) 遥感得到的结构特征在多大程度上可用于识别力学性能较强或结构较弱的区域。解决这些问题对于采石场开发、基础设施规划、边坡稳定性评估以及喀麦隆火山带内地质资源的可持续利用至关重要。本研究通过一种综合的多尺度方法，结合Landsat-8操作型陆地成像仪数据、航天雷达地形任务的数字高程数据、野外结构测绘、岩石学分析以及火山碎屑沉积物的颗粒度分析，来填补这些知识空白。与以往分别研究岩性、构造地质或遥感的技术不同，本研究将微观尺度的观察结果、露头尺度的结构测量数据以及区域尺度的遥感数据整合在一个统一的框架内，用于评估岩石的各向异性及作为建筑材料的适用性。本研究的具体目标是：(1) 分析汤贝尔地堑内控制岩石各向异性的矿物学因素；(2) 明确影响岩体的主要变形阶段及结构特征；(3) 评估遥感得到的结构特征的空间分布及其重要性；(4) 分析岩性、变形历史以及结构复杂性如何共同影响不同岩体结构单元作为建筑材料的适用性。我们推测，那些体积较大、富含石英且片理较弱的岩石，尤其是花岗岩和伟晶岩类，其工程性能优于那些片理明显、存在断裂、经过热液蚀变或形成糜棱结构的岩石，因为后者由于各向异性和结构不连续性而导致力学性能下降。通过整合岩石学、构造地质学、遥感技术以及颗粒度分析，本研究为评估喀麦隆火山带及其他结构继承的构造-岩浆省的火山基底地体的建筑材料质量建立了可重复的分析框架。

章节片段：

汤贝尔地堑的构造框架：汤贝尔地堑是喀麦隆火山带内的一个断层控制型凹陷，而喀麦隆火山带则是一个从几内亚湾岛屿延伸至中非大陆的重要的板内火山-构造区（Dumort, 1968; Déruelle et al., 1991）。该地堑是由泛非洲剪切带重新活化而形成的交替出现的断块山和地堑系列的一部分，这些剪切带形成于约600±50百万年前，早于新生代火山活动的开始（Tchoua, 1971; Regnoult, 1986; Nkouathio, 1997）。

遥感与地理信息系统技术：本研究采用了遥感技术和地理信息系统技术，来分析汤贝尔地堑内的岩性差异、结构特征以及热液变化情况，进而评估它们对岩石各向异性和建筑材料适用性的影响。在热带环境中，结合多光谱卫星图像、数字高程数据以及野外观察结果，可以为地质研究提供高效且可靠的方法。

岩性及岩石学特征：在N-W Sarl采石场（海拔约202.8米；经度E575733.461，纬度N514093.129）出露的变质岩和深成岩以石英、长石和黑云母为主要矿物成分。角闪岩是一种颜色较深、粒度较细的岩石，由角闪石、斜长石、石英和黑云母组成（图4a）。黑云母片麻岩则具有明显的成分带状结构，由石英-长石富集层和黑云母富集层交替构成（图4b）。混杂岩则呈现出粗大的条带状纹理。

矿物学与结构对岩石各向异性的控制：汤贝尔地堑内岩石的各向异性表现出了矿物组成与多次构造事件作用下形成的变形结构的共同影响。虽然石英和长石是大多数研究对象的结晶岩中的主要构成矿物，但它们的力学性能会受到片理发育程度、剪切变形以及断裂扩展强度的显著影响。因此，其工程性能……

结论：本研究结合构造地质学、岩石学、颗粒度分析以及遥感技术，分析了喀麦隆火山带汤贝尔地堑的岩性结构、变形历史以及作为建筑材料的适用性。研究结果表明，该地堑的结构受到重新活化的泛非洲结构控制，从薄片尺度到区域尺度都呈现出以东北-西南方向为主的结构性格（图4、6、8）。这种先存的构造框架决定了岩石的片理发育情况……

作者贡献声明：Ndema Jean Mbongue La-venir：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，监督，方法论，概念设计。Mutiu Adeleye Adesina：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，监督，方法论，调查研究，概念设计。Togozo Francis Thierry：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化处理，方法论，概念设计。Mbouemboue Nsangou Moussa Ahmed：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化处理。

未引用参考文献：Agostini et al., 2011; Bernard et al., 2013; Blott, 2010; Calcaterra and Parise, 2010; Collins and Pisarevsky, 2005; Deruelle et al., 1987; Fossi et al., 2021; Gudmundsson, 2011; Gèze, 1943; Hashim et al., 2011; Kamden et al., 2002; Kroner et al., 2001; Lamilen et al., 1998; Mattila, 2006; Matsui et al., 2015; Mbianya et al., 2021; Mbowou et al., 2022; McGraw-Hill, 2003; Meng-Chia et al., 2022; Montigny et al., 2004; Moulin and Goutorbe, 2013; Murphy and Wadge, 2008; Mwaniki et al., 2015;

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

作者名单：Mbouemboue Nsangou Moussa Ahmed | Mutiu Adeleye Adesina | Ndema Jean Mbongue La-venir | Togozo Francis Thierry

所属机构：喀麦隆雅温得地质与矿业研究所