海上漂来一座岛,竟是一堆石头浮在水上?

文章来源:新浪网

   石头入水即沉是常识,但下面要介绍的这种石头并非“常石”。浮石 | 图源:Wikipedia浮石 | 图源:Wikipedia

  它叫做浮石(pumice),名字已经点明了它的与众不同之处。

  看到浮石的样子,你就能立马明白它为什么会浮在水上。它看起来就像石化的海绵宝宝。

  浮石中的孔洞占总体积的64%到85%,也就是说它内部充满空气,主要由二氧化硅组成的矿物只占了一小部分。一卷纸币就能支撑住浮石 | 图源:Wikipedia一卷纸币就能支撑住浮石 | 图源:Wikipedia

  石头界的海绵宝宝是怎么形成的呢?

  因为它经常出现在海上或海边,古人曾以为它是海上的浮沫固结而成。但它的生母并非柔情的水,而是暴躁的火山。 图源:Wikimedia Commons 图源:Wikimedia Commons

  火山喷发后,大量炽热的岩浆涌入冰冷的海水,迅速冷却,内部压力骤降,气体溶解度降低。正同刚打开的可乐瓶会释放大量二氧化碳,原本溶解在岩浆中的气体纷纷逃逸形成气泡。由于岩浆在瞬间凝固,二氧化碳等气体才冒了下泡就被定格在其中,形成大量孔洞。因此浮石也是一种火山玻璃

  这些火山有的来自岸上,有的则隐于海底。通常来说,岸上的火山喷发产生的浮石比较小,大不过高尔夫球。而海底火山直接将岩浆喷到海里,产生的浮石一般有苹果大小。它们分布在火山附近数千米的范围内。大量浮石聚在一起有时会形成一座浮岛,被称为“浮石筏”(pumice raft)。 卫星拍摄到汤加群岛附近的浮石筏 | 图源:NASA 卫星拍摄到汤加群岛附近的浮石筏 | 图源:NASA

  2019年,汤加群岛附近的热带海域出现了一座150平方千米的“浮岛”,它由海底火山喷发形成。浮石筏上的大量浮石 | 图源:ayman masry浮石筏上的大量浮石 | 图源:ayman masry

  浮石筏上布满了大大小小、密密麻麻的浮石,散发着硫磺气味,一路向着澳大利亚移动。科学家认为它将为衰落中的大堡礁带来新的生机。

  浮石会在海上长途旅行。1979年,汤加附近海底火山喷发形成的巨大浮石筏就一路漂到了数百千米外的斐济。喀拉喀托火山爆发形成的浮石则在印度洋上漂荡了20年。这些漂浮不定的石头有时会威胁到过往船只。

  不过,浮石也不会一直流浪下去,它们最终还是会沉入海底或被送上岸 图源:Wikimedia Commons 图源:Wikimedia Commons

  这是因为浮石的气孔结构并非完全密封,而是部分与外界连通的。随着气体逐渐损耗,水流入侵,浮石终将结束漂浮生涯。

  但令科学家感到不解的是,即使是一块海绵完全浸湿了也会沉,而海上波涛汹涌,浮石为什么能浮数年之久?

  伯克利实验室的科学家用同步加速器发射X射线扫描浮石,并进行3D建模,这才看透了其中的奥秘。3个浮石样本中的大气泡(上)和所有气泡(下)| 图源:Fauria, K。 E。, Manga, M。, & Wei, Z。 (2017)3个浮石样本中的大气泡(上)和所有气泡(下)| 图源:Fauria, K。 E。, Manga, M。, & Wei, Z。 (2017)

  他们发现,浮石的沉浮背后是与水的博弈。浮石中密布着许多头发直径宽的微小孔隙,周围的水在毛细管作用下沿孔隙渗入,并包围在孔洞中无处可逃的气体,形成气泡。由于水的表面张力,这些气泡难以移动,被困在石头中。水(蓝色)进入浮石孔洞后包围气体(白色)形成气泡 | 图源:Fauria, K。 E。, Manga, M。, & Wei, Z。 (2017)水(蓝色)进入浮石孔洞后包围气体(白色)形成气泡 | 图源:Fauria, K。 E。, Manga, M。, & Wei, Z。 (2017)

  然而,随着液体渗流,这些气体还是会渐渐扩散出去,终归要石沉大海。科学家用渗流理论(percolation theory)描述了这一过程,以此预测浮石的“浮生”有多长。

  研究者在实验室中还发现了一个有趣的现象:有的浮石白天漂浮,夜里下沉

  难不成这家伙还要睡觉?

  这些石头可不是因为漂累了夜里想休息,而是因为“凉了”。白天气温高,浮石中的气泡膨胀,产生更大的浮力;反过来,夜里温度降低,气泡变小,水流渗入,有的浮石就撑不住了。 加热后的浮石(最右侧2个)气泡(白色)减少,渗水(蓝色)增加 | 图源:Fauria, K。 E。, Manga, M。, & Wei, Z。 (2017) 加热后的浮石(最右侧2个)气泡(白色)减少,渗水(蓝色)增加 | 图源:Fauria, K。 E。, Manga, M。, & Wei, Z。 (2017)

  研究者直接用高温加热浮石后,这些浮石就完全浮不起来了。X射线扫描结果显示,其中的气泡都小了许多,被水流所侵占。

  浮石不仅物理性质特殊,它还蕴藏着地质、生物演化的历史。来自水下火山的浮石让沉睡海底的秘密浮出水面。浮石的多孔结构富集了很多营养物质,为藻类、珊瑚虫等动植物创造了生存条件,这些生物跟着浮石流浪,被带到了世界各地,在新的家园扎根。

  除了研究价值,浮石也被应用于人类生活的各个领域

  浮石多孔的特性适合用来磨东西。最常见的就是搓脚石,用来磨去脚底厚厚的角质层。

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  浮石磨成粉后也可以作为皮肤的去角质剂。几千年前的古人没有现在这样丰富的洗护用品,他们还会用浮石去除毛发、老茧,以及磨指甲。古罗马人还会在牙膏中加入浮石粉,作为抛光剂,磨掉牙菌斑,但磨过头了也很伤牙。

  浮石用在人身上狠了点,但是作为强力清洁剂还是不错的,可以轻松磨掉水垢和铁锈。服装制造业也会用浮石来洗牛仔裤,制造出流行的做旧感。

  轻飘飘的浮石不适合直接用作建筑材料,不过磨成粉后可以添加在混凝土中作为胶凝材料,提高混凝土的耐久性。

  在园艺界,浮石则被用来装饰盆景。将它混在土壤,还可以增强土壤的排水透气性,让植物生长得更好。

  看似“轻浮”又其貌不扬的浮石,这不比多少“花瓶”石头实在得多?