Προθερμαίνουμε τον φούρνο στους 160 °C στον αέρα.

Αλευροβουτυρώνουμε μία φόρμα στρογγυλή για κέικ 22 εκ.

Στο μίξερ, χτυπάμε μαζί το βούτυρο και τη ζάχαρη μέχρι να αφρατέψει και να διαλυθεί τελείως η ζάχαρη.

Ρίχνουμε μέσα τα αυγά μας σταδιακά και προσεχτικά να μην πέσει μέσα στο μείγμα κάποιο τσόφλι. Αν θέλουμε τα ρίχνουμε πρώτα σε ένα μπολ για να είμαστε σίγουροι.

Τα ρίχνουμε ένα ένα τη φορά και πριν ρίξουμε το επόμενο περιμένουμε να απορροφηθεί το προηγούμενο. Με μία σπάτουλα μαζεύουμε από τα τοιχώματα το βούτυρο και συνεχίζουμε το χτύπημα.

Ρίχνουμε μέσα τη βανίλια και το ξύσμα πορτοκαλιού και ανακατεύουμε. Ρίχνουμε μέσα το αλεύρι και χτυπάμε για λίγο, ίσα ίσα να ανακατευτεί. Αφαιρούμε τον κάδο από το μίξερ και ανακατεύουμε με μία μαρίζ.

Ρίχνουμε το μισό μείγμα μέσα στη φόρμα καλύπτοντας τον πάτο καλά.

Βάζουμε 3 κ.σ. γάλα μέσα στο μπολάκι με το κακάο και ανακατεύουμε μέχρι να διαλυθεί και να γίνει πάστα σοκολάτας. Με μία σπάτουλα, ρίχνουμε το σοκολατένιο μείγμα πάνω από το άλλο μισό μείγμα του κέικ που έχουμε μέσα στο μπολ και ανακατεύουμε. Με ένα μαχαίρι ανακατεύουμε τα 2 μείγματα μέσα στη φόρμα και δημιουργούμε ‘’νερά’’ μέσα στο κέικ.

Ψήνουμε στον φούρνο για 35-40 λεπτά και για να βεβαιωθούμε ότι είναι έτοιμο, τρυπάμε με ένα μαχαίρι το μείγμα και εκείνο θα πρέπει να βγαίνει καθαρό.

Αφήνουμε για 15 λεπτά να κρυώσει, το βγάζουμε από τη φόρμα και πασπαλίζουμε με άχνη!

Κόβουμε με πριονωτό μαχαίρι και σερβίρουμε.