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撰文 沈夢溪
前段時間，英國網站LADbible報道了一個很有趣的小新聞，說是美國的一個地質學家邁克·鮑爾斯（Mike Bowers）發現了一塊好看的岩石，它被切開以後切麵形態與美國兒童節目《芝麻街》中的餅干怪獸極為相似。
形似餅干怪獸的岩石切片
這個“石頭”餅干怪獸其實是一種比較特殊的瑪瑙，因此它的形成過程與我們常見的瑪瑙、玉髓一樣，簡單來講，它們都是由於富含硅元素的地下熱水沉澱下來所形成的。
這其實是一種瑪瑙 圖/Mike Bowers視頻截圖
一、高溫熱液
瑪瑙絕大多數形成於火山活動比較活躍的地方。在這裡，地下岩漿可能還沒有完全冷卻凝固，或者是地下岩漿距地表的距離比較淺，這些岩漿會不斷加熱其上方的岩石，這樣就會導致這裡地下岩層中的溫度比其他地方要稍高一些。一方面從岩漿中可能會不斷析出一些高溫的水溶液，另一方面地下高溫的岩石也會不斷加熱地下水，這樣兩個因素的作用就讓這裡富含高溫地下熱水。如果這些熱水能夠噴出地表，就容易形成溫泉，比如我們大家都知道日本的溫泉非常有名，這就是因為那裡的火山也很活躍。
溫泉形成過程 圖/網絡
此外，直接來自地下岩漿析出的高溫水溶液是一種富含礦物質的水溶液；而被加熱的地下水則很容易溶解岩石中的礦物質。這使得這些地下熱水其實是富含礦物質的熱水——地質學中稱之為高溫熱液。
被加熱的地下熱水溶解岩石中的礦物質，這個道理，可以用初中溶解度的概念來解釋：一般來講溫度越高，溶解度越高。當然，我們也可以做一個身邊的小實驗，分別向一杯熱水和一杯冷水中倒入小蘇打，可以明顯發現熱水溶解的小蘇打的量要多一些。
在岩漿中，含量最多的礦物質元素其實是硅。目前地球上噴發的火山中，其岩漿中都含有豐富的二氧化硅，根據岩漿具體成分不同，二氧化硅的含量在45%-65%，甚至更高。直接從岩漿中析出的高溫熱液，無疑是含有大量硅元素的。就算是岩漿冷卻形成岩石後，這些岩石中也含有大量的硅元素，一旦被加熱的地下水流經這些岩石，地下水中也會溶解有相當的硅。這樣，在火山活躍地帶附近的高溫熱液就富含硅元素了。
在有了硅質熱液之後，就只需要兩個元素就能形成瑪瑙了：岩石空洞和時間。
二、岩石空洞
在火山活躍的地方，經常會有火山噴發，這些火山間歇性噴發，形成厚厚的玄武岩岩層覆蓋在地表。其中一部分直接形成於地表的玄武岩，有一個很重要的特性：有大量空洞。
玄武岩中的大量空洞 圖/flickr
岩漿在從火山口噴出以後，由於壓力驟減，所以原本岩漿中的許多氣體都會往外跑，這些往外跑的氣體就在岩漿內部形成了一個個氣泡，這可能有點像岩漿版的汽水。
但是岩漿在遇到空氣後，會以很快的速度冷卻下來，所以有些氣泡在還沒來得及跑掉的時候就被冷卻的岩漿固定在了岩石中，這就造成了我們看到的玄武岩到處都是空洞，而且特別輕的特點。
當玄武岩形成後，富含硅質的地下熱液很快填滿玄武岩的空洞，這時候，瑪瑙的形成就開始了。
由於玄武岩空洞多為圓形或橢球形，因此許多瑪瑙也都是圓形或橢球形 圖/wikimedia
三、時間
玄武岩空洞中的硅質熱液形成瑪瑙是一個非常長期的過程，可能需要幾十上百萬年的時間。在這個過程中，因為溫度高的原因，所以硅質熱液的最初是硅元素過飽和的，很快這些過飽和的硅元素就會集中在洞壁上，開始緩慢結晶，成為極為細小的石英纖維。
而此時，熱液中的其他化學元素（比如鐵、鋅、錳、鈷、鎳等多種微量元素）會與石英纖維一起生長，在它們生長的過程中，它們會均勻填充到石英纖維的縫隙間，形成環帶狀的結構。
同時，來自空洞之外的地下水也不斷緩慢補充到空洞中，但是此時時間可能已經過去了很久（數萬年、數十萬年或者是上百萬年），所以地下水中的成分也發生了變化，這些成分中如果有某些能夠呈色的元素的話，那麼新補充進來的含礦熱液將會使得瑪瑙的條帶變得色彩繽紛起來。
比如碳元素和錳元素會讓瑪瑙呈現出黑色來，鈉元素和鈣元素則會讓瑪瑙出現白色條帶，鋁、鎂、鐵等元素共同形成的綠泥石則會讓瑪瑙出現綠色條帶，三價鐵元素所形成的赤鐵礦或者是褐鐵礦則會讓瑪瑙出現紅色條帶。
但是，隨着瑪瑙的長大，不斷填充了原本的空間，讓地下熱液越來越不容易補充進來，或者是地下熱液逐漸消失，又或者是地下熱液中的礦物質逐漸稀少，那麼瑪瑙將會不再生長，這就會導致空洞的形成。這就是我們見到的瑪瑙的形成原因。
有時候，我們能夠見到一種名為水膽瑪瑙的瑪瑙，這種瑪瑙內部還有一些水被封了進去，這也正好證明瞭瑪瑙的形成確實與水有關係。
瑪瑙中的水膽 圖/youtube視頻截圖
來源：把科學帶回家
編輯：hxg
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