地球上最低温的火山：伦盖碳酸盐岩火山
一、概 述
伦盖火山（Ol Doinyo Lengai），位于坦桑尼亚北部、纳特龙湖南端，为东非大裂谷的著名活火山之一，海拔2878米，经纬坐标为（2.764°S35.914°E），在马赛语中，意为“神山”。伦盖火山是世界上唯一喷发碳酸岩熔岩的活火山，钠、钾矿藏极为丰富。
伦盖火山地貌景观（据互联网资料）
伦盖火山（Ol Doinyo Lengai）是位于坦桑尼亚北部活火山，是东非裂谷火山系统的组成部分。它位于东部裂谷（或Gregory Rift），位于纳特龙湖（Lake Natron）和肯尼亚南部。它在活火山中独一无二，因为它喷出钠碳酸岩（natrocarbonatite）熔岩，这是一种火山型碳酸盐岩。此外，熔岩喷出时温度只有510°C（950°F）左右。附近有一些古老碳酸盐岩死火山山。
二、伦盖火山地质地貌
伦盖火山是典型的复式火山，火山口直径约300m，深约100m。它在圆锥体周围形成了许多侧喷其口。活跃而短暂的河流穿过火山侧翼，大部分则流入了火山北侧的纳特龙湖。
伦盖火山锥是在响应东非裂谷系统的发展而形成的，在过去的15000年里它一直处于间歇性活跃状态。非洲的这一地区在2500多万年的时间里一直处于构造活动的活跃状态， 这里的地形变化非常大。这种分裂的板块边界，导致了非洲两个最高的山峰--乞力马扎罗山和肯尼亚山--的形成，它们位于伦盖伊火山的东部和北部。
伦盖火山是已知的唯一一座释放钠碳酸盐岩的活火山，钠碳酸盐岩是富含钠、钾和碳酸钙的罕见火山岩，硅质成分含量相对较低。
伦盖火山峰顶有一个浅色的火山灰锥和火山口
（国际空间站(ISS)宇航员拍摄，2021，cnBeta.COM）
国际空间站拍摄到伦盖火山的对称结构特征及先前火山活动形成的峡谷和熔岩流，火山两侧存在一些浅色熔岩流。深色熔岩由于与空气中雨水和水分发生化学反应，颜色迅速变浅。
伦盖火山顶峰图片（据互联网资料）
伦盖火山是世界上唯一会喷发碳酸岩活火山， 其最近一次活动在2019年8月，研究者监测到火山口的多个熔岩流活动。其熔岩中富含钠和钾的碳酸盐，如钠钙铁矿（nyerereite）和钙铁矿（gregoryite）。熔岩在大约510°C的较低温度下喷发，喷出时的热度只是一般硅酸盐熔岩的热度的一半。因为相对低温，熔岩在阳光下呈现黑色，而不是大多数熔岩常见的红色光芒。它也比硅酸盐熔岩流动性高得多，通常比水的粘性低。伦盖火山喷出熔岩物质在地表不稳定，易风化侵蚀，熔岩可迅速从黑色变成灰色。由此产生的火山景观不同于世界上任何其他地方（cnBeta.COM ，2021）。
新鲜（深棕色）的和冷却（灰白色）的碳酸岩熔岩（据互联网资料）
伦盖火山喷出的碳酸岩熔岩流（据互联网资料）
1966年8月14日Doinyo Lengai火山喷发，J. B. Dawson和G. C. Clark两位地质学家一周后调查了该火山口，看到“浓厚的黑灰柱”上升到火山上方约三千英尺，向北漂向纳特龙湖（Lake Natron）。当两人爬上锥形喷气口时，看到气体和灰白色灰烬和灰尘不断排出。这座火山最终在2007年9月4日喷发，向下风处至少18公里处喷出火山灰和蒸汽羽（plume），覆盖北部和西部两侧的新鲜熔岩流。
火山喷发间歇性地持续到2008年，截至当年的2月底，火山喷发增强，3月5日发生一次大喷发。在4月宁静期之后，4月8日和17日又发生新的火山喷发。喷发活动一直持续到2008年8月下旬。2008年9月对火山峰顶考察发现，新火山口底部两个喷口已经恢复熔岩喷发。2009年3月至4月对火山口考察表明，这些火山活动已停止。
伦盖火山的地质图
（ Dawson’，1962)年根据未经校正的航拍照片编制，未受大地测量数据约束USGS，2013）
图件比例尺在不同区域有很大差异，但根据地形图估计，图像区域宽约14km，高约16km。这里添加地形等高线用以表示地形起伏，以适应可识别的地理特征
大多数熔岩富含硅酸盐矿物，而伦盖火山熔岩是碳酸盐岩成分，富含稀有的碳酸钠、碳酸钾、钠镁橄榄石和镁橄榄石。这种特殊成分熔岩在大约500-600℃相对低温下喷发，以至于熔岩在阳光下呈黑色，而不是像大多数熔岩一样发出红色的光芒。它也比硅酸盐熔岩流动性大得多，通常比水的粘性小。伦盖火山熔岩中的碳酸钠和碳酸钾矿物在地球表面不稳定，易受快速风化影响，迅速从黑色变为灰色，由此形成的火山地貌，与世界上任何其他火山地貌都不同。
伦盖火山灰白色的碳酸岩熔岩（据互联网资料）
2019年8月4日伦盖火山山顶峰景色
（Kate Laxton ,University College London，2019)
伦盖火山岩的火山喷气锥（据互联网资料）
伦盖火山在1880年—1967年年间有过喷发记录，且活动中心不止一处。喷发多在北部火山口。熔岩一喷射到空中，颜色便发生了变化，发生化学作用而成为碱。这种碱可以用来洗涤和漂白，灼伤力很强。
伦盖火山是世界上唯一的碳酸盐岩活火山。碳酸盐岩主要由方解石（CaCO3）或其他碳酸盐矿物组成，以熔融岩浆（高温液体岩石物质）形式侵位。最近（1993年）碳酸盐岩熔岩喷发，形成伦盖火山的白色顶部。
现今，存在少量的碳酸盐岩浆从山顶火山口底部小圆锥体中喷出。火山灰的剧烈喷发发生于1917年、1926年、1940年、1958-1967年、1983年和1993年，直到火山1960年喷发之后，人们才首次认识到其火山岩具有碳酸盐岩性质。从那时起，伦盖火山富钠碳酸盐岩对于地质学家认识碳酸盐岩的形成过程中，发挥了重要作用。
三、碳酸盐岩的火山熔岩成因
1.研究意义
碳酸盐岩的研究，对于认识某些碳酸盐岩矿床的成因具有重要意义。与碳酸盐岩有关的矿床实例包括：1） 加利福尼亚的Mountain Pass（直到最近，它还是世界上最大的稀土矿床之一），2）中国内蒙古白云鄂博（世界上最大的稀土矿床），3）南非Palabora（世界上最大的铜矿床之一；还有大量副产品磷灰石、含钛磁铁矿、 Zr、 U、 Th 和蛭石），4）纳米比亚Okorusu萤石矿床，5）印度AmbaDongar萤石矿床，6）巴西Mato Preto萤石矿床。
2.熔岩成因
伦盖火山碳酸盐岩熔岩在许多方面都很不寻常：1）非常富碱，Na2O含量大于30 wt%。2） 铁镁组分元素含量很低。3）含有极高的不相容元素，表明岩浆熔体高度分馏。4）富含挥发份，但无水。5）矿物学以其他地方未知的相（或很少作为高温岩浆矿物发现）为主，如nyerereite和gregoryite，K-Na-Ca碳酸盐。6）伦盖火山碳酸盐岩的喷发温度为500-590ƒC，是迄今为止最低温度的陆地熔岩。7）伦盖火山碳酸盐岩熔岩喷发过程中测得粘度，是陆地熔岩迄今测得的最低粘度之一。
对这些化学和矿物学特征研究表明，形成伦盖火山碳酸盐岩熔岩的岩浆，是上地幔中通过改变岩浆化学成分（与结晶分异），并将一种液体与另一种液体分离的过程（液体不混溶，liquidimmiscibility)而形成。
显微镜下发现响岩（phonolite）中出现碳酸盐岩球粒（以前曾经是液态球体），反之亦然，证明碳酸盐岩以前的液态特征，支持液态不混溶概念。
伦盖火山碳酸盐岩熔岩形成模式图（据互联网资料）
许多地质学家对于碳酸盐岩曾经是岩浆这一说法持怀疑态度。直到1960年，一位地质学家到达伦盖火山口，观察到活跃的碳酸盐岩熔岩流，人们才普遍接受碳酸盐岩的岩浆成因观点。但是，碳酸盐岩岩浆的起源仍不清楚，大多数专家都同意，它来自于成分远没有那么奇特的母岩浆。碳酸盐岩的元素组成，以及这些元素为什么会形成熔岩，并分离形成世界上低温的熔岩？这个问题仍然悬而未决。
伦盖火山下方岩石圈内岩浆运移路径的地壳剖面（图A）和简化草图（B）（USGS，2013）
全球存在500多处钙质碳酸盐岩（岩浆岩成因）产地，它们明显不同于东非活跃裂谷唯一的这座伦盖碳酸盐岩火山（坦桑尼亚），后者产生钠质碳酸盐岩熔岩。该火山最近的主要爆发产生霞石质和碳酸盐岩质混合物熔体（nephelinitic andcarbonatite melts），支持碳酸盐岩和空间相关的过碱性硅酸盐熔岩（peralkalinesilicate lavas），通过液体不混溶（liquid immiscibility）相关联的假设。然而，之前钠碳酸盐岩的喷发温度为490–595°C，比任何合适的共轭硅酸盐液体（conjugatesilicate liquid）的喷发温度低250–450°C。实验证明，中等碱性钙质碳酸盐岩熔体，通过结晶分异演化为钠碳酸盐岩。在伦盖火山观察到，合成钠钙碳酸盐系统的热障（thermalbarrier），阻止从钙碳酸盐岩到钠碳酸盐岩的演化，而在自然系统中消失；方解石+磷灰石的连续结晶分异导致钠碳酸盐岩形成。此外，用可能存在于共轭霞石中饱和矿物钠碳酸盐岩，得到总碱含量为8–9wt%的碳酸盐岩母岩浆，即在1000–1050°C下，从霞石液体中不混溶分离的浓度是现实的（Daniel Weidendorfer et al.，2017）。
模拟沿方解石表面液体下降线（liquid line of descent），需要~48%方解石、~12%磷灰石和~2wt%单斜辉石的总分馏。在750–1200°C下，SiO2溶解度从0.2 wt%增加到2.9 wt%，几乎没有硅酸盐结晶的余地。实验结果表明，伦盖火山的碳酸盐岩的母岩呈中等碱性，具有与碱性岩浆作用有关的碳酸盐岩的共同来源（Daniel Weidendorfer et al.，2017）。
四、纳特龙盐湖
纳特龙湖是东非地区的两大盐湖之一，另一个盐湖则是位于肯尼亚边境上的马加迪湖，它比纳特龙湖小。作为一个内陆湖，纳特龙湖的湖水只进不出，湖水唯一流失途径是蒸发，在旱季蒸发尤其严重。湖水蒸发使水中盐分大量析出，造成纳特龙湖水pH值特别高，达到了10.5。
纳特龙湖区气候干旱。在非厄尔尼诺（non-El Niño）年，该湖降雨量不到500毫米。蒸发量通常超过这个数量，因此该湖依赖其他水源，如北端的 EwasoNg’iro河，以维持旱季供水。正是该地区火山活动导致该湖不同寻常的化学性质。伦盖火山等（位于该湖南部约20公里），产生碳酸钠和碳酸钙盐熔融混合物。这种混合物通过断层系统穿过地表搬运，在20多个温泉中涌出，最终流入湖中。
以纳特龙湖的红色湖面来说，湖水之所以是红色的并不是因为某种矿物，而是其中蓝藻进行光合作用的结果。纳特龙湖的碳酸盐等矿物质就是来自伦盖火山，因为伦盖火山是世界上唯一一座喷发碳酸岩的火山。
坦桑尼亚北部伦盖火山与纳特龙湖的地理位置图（据互联网资料）
伦盖火山位于纳特伦湖南部
纳特龙湖的卫星遥感图
（NASA，2003年3月8日拍摄）
纳特龙湖的卫星遥感图（NASA）
本图显示2017年3月6日的纳特龙湖（3月到5月雨季早期）。可以看到湖床周围最深水体，也就是低海拔泻湖（lagoons）位置。
纳特龙湖的卫星遥感图（NASA）
虽然这里环境对大多数常见生物来说过于恶劣，但有一些物种利用了这里的环境。 小的咸水池中充满大量嗜盐古菌（haloarchaea）微生物，这些微生物将浅层湖水染成粉红色和红色。当旱季湖水退去时，火烈鸟（flamingos）喜欢在这个地区筑巢，因为这里常年有护城河般的水道和水池来保护自己不受捕食者的侵害。除了少数适应温暖、咸水和碱性水的物种外，这个湖基本上不适合常见物种生存。
强反射、化学物质密集的湖面，容易被鸟类误以为是平整光滑的陆地，一旦落水它们就很难爬出来。湖泊中除了蓝藻这种微生物外，还有一些鱼类和鸟类，包括罗非鱼和火烈鸟，尤其是小火烈鸟。
纳特龙湖火烈鸟（据互联网资料）
纳特龙湖是多数动物的禁地，却是小火烈鸟生存的天堂。每过三四年，在条件适宜时候，世界上四分之三的小火烈鸟从裂谷其他盐湖飞过来繁衍生息，覆盖纳特龙湖的整个湖面。火烈鸟选择纳特龙湖作为繁殖地，是因为湖水高温和强腐蚀性将许多天敌挡在门外。而它们却不怕湖水，一方面它们坚韧的皮肤和鳞片状的腿可以防止烫伤，另一方面它们强壮的胃，能够以遍布整个湖泊的有毒藻类为食。它们还利用盐腺排出湖水中的盐分，使咸水变为可饮用的淡水。
纳特龙湖（据互联网资料）
坦桑尼亚开采纳特伦湖的碳酸钠资源（采碱坑）图片（据互联网资料）
伦盖火山与纳特龙湖的地质联系示意图（据互联网资料）
五、东非大裂谷
东非裂谷是世界裂谷的典型案例。它具有以下特点：1）裂谷带地形为深谷；2）裂谷带断层壁形成峭悬崖；3）裂谷内形成一系列湖泊，由于赤道附近气候高温蒸发，大部分湖泊盐分含量很高，一些湖泊是非洲最大湖泊；4）沿着裂谷两侧断层喷涌大量火山岩；5）形成熔岩浆流动最强烈的火山锥。由于东非裂谷活动，肯尼亚响岩（phonolite，碱性喷出岩）熔岩的总量超过世界其他地方几个数量级。
纳特龙湖盆地是东非裂谷系组成部分。随着非洲大陆被撕裂成东、西两端的努比亚板块和索马里板块，裂谷相关的火山活动持续向南推进。埃塞俄比亚的裂谷作用始于约30Ma，而肯尼亚始于约12 Ma，坦桑尼亚北部始于仅约8Ma。巨大的裂谷盆地也是沉积中心。GPS和海洋板块运动模拟表明，相对于努比亚板块，埃塞俄比亚裂谷段的索马里板块6-7mm/a的速度向东移动。在Gregory裂谷段和Natron湖盆地区，该速率减少至2–3mm/a（USGS，2013）。
东非裂谷带区域构造略图（墨卡托保角投影，USGS，2013）
显示中新世至全新世断层构造
灰色阴影线代表Victoria and Rovuma两个微板块之间的推断边界。裂谷带东支的轴向凹陷以灰色阴影突出表示，而沿西支深裂谷带湖泊显示相同效果。模拟板块速度矢量（绿色箭头表示，按比例缩放）显示索马里板块相对于努比亚板块的运动，单位为mm/a。Oldonyo Lengai位于东非裂谷带东支的Gregory裂谷，位于肯尼亚-坦桑尼亚边界以南，维多利亚湖东南280km处。
南纳特龙湖盆地位于东部的Gelai火山和西部东非裂谷主要山脉边界断层系统之间，该盆地最著名的地理特征是OldonyoLengai活火山，它最近于2007-2008年喷发。这座火山在整个盆地都非常醒目，以间歇喷发碳酸盐岩而闻名，这里的碳酸盐岩是特殊的富含二氧化碳熔岩（USGS，2013）。
南纳特龙湖盆地及其邻区地理背景（USGS，2013）
色调以600米的间隔描绘陆地海拔高度，带小球线条显示断层运动方向
本文据（李江海，2021，《世界地质学》（讲义））修改补充