鐘乳洞的鐘乳石為什麼要花幾千年才慢慢變長？
― 雨水溶解岩石，又讓它重新凝固，漫長得令人難以想像的化學
到鐘乳洞參觀時，會看到像冰柱一樣從天花板垂下來的石頭，也會看到從地面向上冒出來的石頭。導覽員有時會說：「這一根長成現在的樣子，花了一萬年。」但仔細想想，石頭會「變長」其實很奇妙，因為石頭通常是被風化、一點一點削掉的。
你參加鐘乳洞的導覽，抬頭看著從天花板垂下來、形狀像冰柱的石頭。它的尖端現在還是一滴、一滴地落下水珠。在地面上，水珠落下的地方，有一根反過來向上長出的石頭。
據說這兩根石頭總有一天會長到相連，變成一根石柱。石頭「堆積起來變長」，到底是怎麼一回事呢？
慢慢變長的原因，是兩個化學反應成套進行
雨水會吸收空氣中的二氧化碳，變成非常微弱的酸性水。這些水流過地下的石灰岩層時，會一點一點地把石灰岩溶解，一邊向前流動。
含有溶解成分的水滲進洞穴後，溶在水裡的二氧化碳會跑到空氣中。這樣一來，原本溶解的石灰成分又會以固體的樣子出現，一點一點堆積起來。
「溶解」與「凝固」，這兩個完全相反的反應分別在地上和地下成套發生，這就是鐘乳石的真面目。我們依序來看。
原因1：雨水在地下變成「能溶解石頭的水」
雨水本身幾乎是純水。但是當它落到地面、流過土壤時，會吸收比周圍水多得多的二氧化碳，這些二氧化碳來自土壤和落葉中的微生物。含有二氧化碳的水，會帶有極微弱的酸性。
有鐘乳洞的地層裡，有一種叫石灰岩的岩石。石灰岩是由遠古時代的貝殼和珊瑚殼堆積而成，主要成分是碳酸鈣。這種石灰岩幾乎不溶於一般的水，但遇到含有二氧化碳的弱酸性水，就會一點一點地溶解。
雨水花很長的時間穿過地下，期間會持續一點一點地溶解石灰岩。這也是地下會形成鐘乳洞這種空洞的原因。
原因2：在洞穴裡，成分又變回石頭
一路溶解石灰岩、穿過地下的水，最後來到鐘乳洞的空洞，從天花板變成水滴垂下來。這時會發生一個重要的變化。
洞穴裡空氣的二氧化碳，比水先前流經的土壤中的空氣少。於是溶在水裡的二氧化碳就會想要跑到洞穴的空氣中。二氧化碳一離開，水就沒辦法像原來那樣繼續溶著石灰成分，一部分溶解的石灰成分會再度以固體（碳酸鈣）的形式出現。
這些固體一點一點堆積在天花板水滴的邊緣，就會變成從天花板垂下來的鐘乳石。水滴離開天花板落到地面時，在地面上也會發生同樣的反應，於是從下往上堆積出石筍。
一般認為，溶解石灰岩的反應和凝固成鐘乳石的反應，其實是同一個化學反應，只是隨著二氧化碳的量，時而向右進行，時而向左進行。在土壤中這種二氧化碳多的地方，反應朝「溶解」的方向進行；在洞穴裡這種二氧化碳少的地方，則朝「凝固」的方向進行。
可以自己動手確認的事
- 把蛋殼碎片放進裝有食用醋的杯子裡
- 觀察蛋殼表面不斷冒出細小的氣泡
蛋殼和貝殼一樣，主要成分是碳酸鈣。醋裡的酸和碳酸鈣起反應，一邊產生二氧化碳氣泡，一邊把蛋殼溶解。鐘乳洞裡石灰岩被雨水溶解的反應，雖然酸的強度和速度不同，但同樣是碳酸鈣與酸的反應。至於溶解的東西慢慢變回固體、形成形狀的例子，也可以參考明礬結晶長大的故事。
總結
鐘乳石之所以要花幾千年才會變長，是因為兩個反應成套進行。①雨水在地下稍微溶解石灰岩，②在洞穴裡，那些成分又變回固體並堆積起來。這個過程不斷重複，慢得令人難以想像。
石頭不只是被削掉而已。
只要條件齊備，也可以透過水再次被重新組裝起來。
想知道更多的人 ― 術語、算式與教科書的連結從國中理化到研究中的話題，明確標示各屬於哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「基礎化學」學到的範圍
- 高中＋高中「化學」，或教科書中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到，屬於大學專業科目（地球化學、水文學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教，是目前研究者正在探究的話題
國中術語：與鐘乳洞有關的詞彙
- 石灰岩：由遠古時代的貝殼和珊瑚殼堆積而成的岩石。主要成分是碳酸鈣。
- 鐘乳石：從洞穴天花板像冰柱一樣垂下來、往下長的石頭。
- 石筍：從洞穴地面由下往上堆積長高的石頭。
- 鐘乳洞：石灰岩被雨水溶解而形成的地下空洞。
- 碳酸鈣：石灰岩、貝殼、蛋殼等所含的物質（化學式 CaCO₃）。
國中高中用算式確認：鐘乳石長得有多慢
光聽到「要花幾千年」，很難感受到究竟有多慢。這裡用計算，就能得出明確的數字。
鐘乳石的長度 ＝ 每年增長的量 × 經過的年數
| 每年增長的量 | 常用的參考值約為 0.1［mm/年］左右 |
| 經過的年數 | 想知道的期間長度［年］ |
一般認為，這個速度會因水滴落的量、礦物成分和洞穴環境而有很大差異，終究只是具代表性的參考值。實際上，有些鐘乳石長得比這快得多，也有些慢得多。
| 長成 10cm（100mm）的鐘乳石所需的年數 | 100 ÷ 0.1 ＝ 1000 ［年］ |
| 長成 1m（1000mm）的鐘乳石所需的年數 | 1000 ÷ 0.1 ＝ 10000 ［年］ |
就算只是 10cm 左右的鐘乳石，算起來也要約 1000 年。如果是超過 1m 的大型鐘乳石，則是上萬年的量級。
如果把人的一生當作 80 年，1000 年就是人一生的約 12 倍。也就是說，一根指尖大小的鐘乳石長大的這段期間，人類已經歷了約 12 個世代的出生與老去。你在一次參觀中看到的「此刻正在增長的那一滴」，只是那漫長時間中的一瞬間。
高中＋大學用反應式看溶解與凝固的機制
到目前為止的內容，如果用化學反應式來寫，就是下面這樣。
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃（二氧化碳溶於水，變成弱酸碳酸）
CaCO₃ + H₂CO₃ ⇌ Ca²⁺ + 2HCO₃⁻（碳酸鈣變成容易溶於水的離子）
這個反應的性質是，二氧化碳濃度越高，越往右（溶解的一側）進行；濃度越低，越往左（凝固的一側）進行。土壤中因為微生物呼吸，二氧化碳濃度高，反應往右進行，溶解石灰岩。洞穴中的二氧化碳濃度比土壤低，所以水滴中的 CO₂ 跑到空氣中後，反應往左進行，以碳酸鈣固體（鐘乳石）的形式出現。重點在於，同一個反應式，會隨著周圍條件來回進行。
研究還不太清楚的事
- 一般認為，要針對每個洞穴精確預測鐘乳石的正確成長速度，目前仍然很困難。這是因為水滴落的速度與量、所含的礦物成分，以及洞內的氣溫、濕度、二氧化碳濃度等許多因素複雜交織在一起。
- 鐘乳石、石筍的內部有時會留下像樹木年輪一樣極薄的成長紋路，利用這一點來解讀過去氣候（降雨量與氣溫變化）的研究領域，稱為「洞穴氣候學」。從紋路中所含同位素的比例等推估當時環境的技術，據說至今仍持續在提升精確度。
- 水滴長期幾乎落在洞內同一個位置，並逐漸長成規則形狀的微觀結晶成長機制，據說也有部分尚未完全釐清。
在觀光景點被燈光照亮、供人欣賞的鐘乳石，它成長的細節至今仍是研究的對象。常見，和已經弄清楚，是兩回事。
與教科書的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・水溶液的性質／岩石 | 石灰岩、鐘乳石與石筍的名稱、蛋殼的觀察 |
| 高中 | 基礎化學・物質的量與反應基礎 | 成長速度的計算 |
| 高中＋ | 化學・化學平衡（進階） | CO₂ 濃度造成反應方向的差異 |
| 大學 | 地球化學・水文學（喀斯特地形） | 碳酸鈣的溶解平衡、地下水的化學 |
| 研究 | 洞穴氣候學・古氣候學（未解決） | 成長速度的預測、從成長紋路還原古氣候、結晶成長的機制 |
| ― | 地球科學・喀斯特地形 | 與鐘乳洞形成過程的關係 |
- 日本各地鐘乳洞與觀光地質資源的解說資料（關於石灰岩溶蝕與鐘乳石成長的一般性敘述）。
- White, W.B., Geomorphology and Hydrology of Karst Terrains（關於石灰岩地形與地下水化學的基礎文獻）。
- Fairchild, I.J. & Baker, A., Speleothem Science: From Process to Past Environments（關於利用鐘乳石、石筍還原古氣候的文獻）。
- 地球科學與化學教科書中，關於碳酸鈣溶解平衡與二氧化碳濃度關係的一般性敘述。
※ 成長速度等數值會因各洞穴的條件而有很大差異。本文列出的是一般使用的參考值。
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。鐘乳石成長速度等數值會因洞穴條件而有很大差異，僅作為理解機制的參考值。