这颗石头，居然长成了人脸
把科学带回家
专注于孩子的科普教育02-02 13:53
撰文 沈梦溪
前段时间，英国网站LADbible报道了一个很有趣的小新闻，说是美国的一个地质学家迈克·鲍尔斯（Mike Bowers）发现了一块好看的岩石，它被切开以后切面形态与美国儿童节目《芝麻街》中的饼干怪兽极为相似。
形似饼干怪兽的岩石切片
这个“石头”饼干怪兽其实是一种比较特殊的玛瑙，因此它的形成过程与我们常见的玛瑙、玉髓一样，简单来讲，它们都是由于富含硅元素的地下热水沉淀下来所形成的。
这其实是一种玛瑙 图/Mike Bowers视频截图
一、高温热液
玛瑙绝大多数形成于火山活动比较活跃的地方。在这里，地下岩浆可能还没有完全冷却凝固，或者是地下岩浆距地表的距离比较浅，这些岩浆会不断加热其上方的岩石，这样就会导致这里地下岩层中的温度比其他地方要稍高一些。一方面从岩浆中可能会不断析出一些高温的水溶液，另一方面地下高温的岩石也会不断加热地下水，这样两个因素的作用就让这里富含高温地下热水。如果这些热水能够喷出地表，就容易形成温泉，比如我们大家都知道日本的温泉非常有名，这就是因为那里的火山也很活跃。
温泉形成过程 图/网络
此外，直接来自地下岩浆析出的高温水溶液是一种富含矿物质的水溶液；而被加热的地下水则很容易溶解岩石中的矿物质。这使得这些地下热水其实是富含矿物质的热水——地质学中称之为高温热液。
被加热的地下热水溶解岩石中的矿物质，这个道理，可以用初中溶解度的概念来解释：一般来讲温度越高，溶解度越高。当然，我们也可以做一个身边的小实验，分别向一杯热水和一杯冷水中导入食盐，可以明显发现热水溶解的盐的量要多很多。
在岩浆中，含量最多的矿物质元素其实是硅。目前地球上喷发的火山中，其岩浆中都含有丰富的二氧化硅，根据岩浆具体成分不同，二氧化硅的含量在45%-65%，甚至更高。直接从岩浆中析出的高温热液，无疑是含有大量硅元素的。就算是岩浆冷却形成岩石后，这些岩石中也含有大量的硅元素，一旦被加热的地下水流经这些岩石，地下水中也会溶解有相当的硅。这样，在火山活跃地带附近的高温热液就富含硅元素了。
地下热液露出地表就形成了温泉，温泉就富含硅元素 图/wikipedia
在有了硅质热液之后，就只需要两个元素就能形成玛瑙了：岩石空洞和时间。
二、岩石空洞
在火山活跃的地方，经常会有火山喷发，这些火山间歇性喷发，形成厚厚的玄武岩岩层覆盖在地表。其中一部分直接形成于地表的玄武岩，有一个很重要的特性：有大量空洞。
玄武岩中的大量空洞 图/flickr
岩浆在从火山口喷出以后，由于压力骤减，所以原本岩浆中的许多气体都会往外跑，这些往外跑的气体就在岩浆内部形成了一个个气泡，这可能有点像岩浆版的汽水。
岩浆在冷却时会有大量气泡析出 图/BBC纪录片截图
但是岩浆在遇到空气后，会以很快的速度冷却下来，所以有些气泡在还没来得及跑掉的时候就被冷却的岩浆固定在了岩石中，这就造成了我们看到的玄武岩到处都是空洞，而且特别轻的特点。
当玄武岩形成后，富含硅质的地下热液很快填满玄武岩的空洞，这时候，玛瑙的形成就开始了。
由于玄武岩空洞多为圆形或椭球形，因此许多玛瑙也都是圆形或椭球形 图/wikimedia
三、时间
玄武岩空洞中的硅质热液形成玛瑙是一个非常长期的过程，可能需要几十上百万年的时间。在这个过程中，因为温度高的原因，所以硅质热液的最初是硅元素过饱和的，很快这些过饱和的硅元素就会集中在洞壁上，开始缓慢结晶，成为极为细小的石英纤维。
显微镜下，玛瑙中的石英为纤维状 图/uky.edu
而此时，热液中的其他化学元素（比如铁、锌、锰、钴、镍等多种微量元素）会与石英纤维一起生长，在它们生长的过程中，它们会均匀填充到石英纤维的缝隙间，形成环带状的结构。
同时，来自空洞之外的地下水也不断缓慢补充到空洞中，但是此时时间可能已经过去了很久（数万年、数十万年或者是上百万年），所以地下水中的成分也发生了变化，这些成分中如果有某些能够呈色的元素的话，那么新补充进来的含矿热液将会使得玛瑙的条带变得色彩缤纷起来。
红色颗粒为赤铁矿 图/uky.edu
比如碳元素和锰元素会让玛瑙呈现出黑色来，钠元素和钙元素则会让玛瑙出现白色条带，铝、镁、铁等元素共同形成的绿泥石则会让玛瑙出现绿色条带，三价铁元素所形成的赤铁矿或者是褐铁矿则会让玛瑙出现红色条带。
玛瑙的五彩 颜色都来自于各种呈色元素 图/flickr
但是，随着玛瑙的长大，不断填充了原本的空间，让地下热液越来越不容易补充进来，或者是地下热液逐渐消失，又或者是地下热液中的矿物质逐渐稀少，那么玛瑙将会不再生长，这就会导致空洞的形成。这就是我们见到的玛瑙的形成原因。
空洞在玛瑙中非常常见 图/flickr
有时候，我们能够见到一种名为水胆玛瑙的玛瑙，这种玛瑙内部还有一些水被封了进去，这也正好证明了玛瑙的形成确实与水有关系。
玛瑙中的水胆 图/youtube视频截图