段景頤

在我們的印象中，沙子應該是永遠用不完的。但你可能不會相信，沙子是目前市場上最炙手可熱的原材料商品之一。世界上每個海灘上的沙子都在講述著不同的自然歷史，還有一些沙子則留下了人類活動的印記。

沙子講述登陸日戰(zhàn)役

位于法國的奧馬哈海灘曾是諾曼底登陸戰(zhàn)役中交火最激烈、死傷最慘重的一段灘頭。盟軍在奧馬哈灘頭遭受了巨大的損失，僅陣亡者就達2500人，因此奧馬哈灘又稱“血腥奧馬哈”。奧馬哈沙灘長約8千米，在最高水位標記附近的地面上散落著直徑20厘米左右的卵石。往更高處走，能夠看見一些小沙丘和背后低矮的山崖，這里的沙子是干凈的黃灰色沙。

2012年，地質(zhì)學家麥克布萊德和皮克德分別用光學顯微鏡和掃描電鏡顯微鏡對奧馬哈海灘的沙粒樣本進行觀察和分析，以全面了解沙粒顆粒的大小、形狀、圓度和構(gòu)成等信息。結(jié)果顯示，沙粒的構(gòu)成（按重量）為石英78%、長石9%、石灰石和貝殼碎片4%、重金屬3%和角巖顆粒2%。從沙粒構(gòu)成來看，侵蝕后的內(nèi)陸沉積巖被塞納河搬運至海岸，才形成了奧馬哈的沙灘，這是非常典型的沙灘發(fā)育過程。不過，沙粒中還有4%的成分顯得很不尋常。他們在這部分沙粒樣本中發(fā)現(xiàn)了大量圓角不透明顆粒，并且都帶有磁性。在這些磁性成分中，還存在一些直徑更小的渾圓小珠。進一步檢測后發(fā)現(xiàn)，占沙?？傎|(zhì)量4%的這部分成分實際上是鐵屑，其中混有微量的小鐵珠和小玻璃珠。

麥克布萊德和皮克德立即意識到，沙粒中那4%的成分很可能是登陸日那十幾個小時留下的彈片殘渣。1944年6月6日，數(shù)萬噸炸藥和炮彈在諾曼底的五個海灘上爆炸，前一批彈片在后一批炮彈的爆炸中被炸成更小的彈片。奧馬哈海灘發(fā)現(xiàn)的彈片直徑在0.06～1毫米之間，平均直徑為0.2毫米。彈片具有金屬外觀，其上有橙紅色圓點和大量腐蝕痕跡。彈片顆粒還保留著一定的形狀，但經(jīng)過了幾十年和沙子的不斷碰撞，有些顆粒的棱角被磨圓。彈片上的層疊結(jié)構(gòu)顯示這些顆粒曾經(jīng)經(jīng)受過強烈的沖擊負荷。

最引人注意的是，彈片顆粒中出現(xiàn)了圓形鐵珠和玻璃珠。麥克布萊德從樣本中找到了13顆完整的小鐵珠，5顆破損的中空鐵珠和12顆玻璃珠。鐵珠的直徑為0.1～0.3毫米，外觀幾乎沒有腐蝕痕跡。玻璃珠的外表異常光滑，且大小完全相同——直徑都為0.5毫米。構(gòu)成玻璃珠的材料十分通透，含有一些氣泡?？茖W家最初以為這些玻璃珠是二氧化硅玻璃，和沙灘上的沙子成分相同。然而，光譜分析顯示，這些玻璃中含有鈉、鈣、鎂元素。

麥克布萊德和皮克德在他們掌握的證據(jù)的基礎上，推測出了玻璃珠可能的形成過程。二戰(zhàn)時炸藥爆炸產(chǎn)生的火焰瞬時溫度至少在1200℃以上。二氧化硅和海水中大量存在的鈉、鈣和鎂一同被加熱。海灘的沙粒在高溫下與這三種離子發(fā)生離子交換，就形成了包含鈉、鈣、鎂的玻璃珠。不過，1200℃雖然可以融化鑄鐵炮彈，卻無法完全達到二氧化硅的熔點范圍（1600～1700°C）。那么，沙子又是如何被熔化形成玻璃的呢？

提高壓強能夠降低物質(zhì)的熔點，幫助玻璃珠形成的還有爆炸時形成的沖擊波。這就如人穿著冰鞋站立在冰面上。由于冰刀與冰面的接觸面積很小，所以對冰面產(chǎn)生了很大的壓強。降低了冰的熔點，使冰刀下的冰熔化成薄薄的一層水，正是有了這層流動的水，冰刀才能以非常小的阻力在冰面上滑行。在沖擊波和高溫的共同作用下，沙灘上的沙子應該能夠被加熱熔化，這些被熱熔后掉落到地面的沙子就形成了兩人在顯微鏡下觀察到的小玻璃珠。整個過程和加工軸承滾珠的工藝可以說完全一樣。滾珠軸承的加工過程就是將熔化后的鐵水噴射到空氣中，液體鐵珠在空氣中迅速冷卻，落下時就是一顆顆小鐵珠。他們認為，或許再過100多年，侵蝕和磨損會徹底銷毀奧馬哈海灘上這場血腥戰(zhàn)役的痕跡。即便當某個遙遠未來的地質(zhì)學家在這段地層里找到一顆渾圓的小玻璃珠，那時的人們可能無法想象，這個不起眼的小玻璃珠見證過人類歷史上最可怕的相互殘殺。

從一粒沙中看人類對自然的影響

沙子可以告訴我們許多信息。當你從沙灘上撿起幾粒沙子，你的指尖之間捏住的或許是一段跨度數(shù)百年的沙子形成史。從美國加州鋸齒山脈裸露出地表的石板或花崗巖上剝落的巖塊被薩克拉門托河一路搬運到舊金山的海岸邊，這里的沙灘是小型有孔蟲門生物的埋骨地。另外，一些沙灘幾乎全部由珊瑚的遺骸構(gòu)成。地質(zhì)學家通過研究沙子的構(gòu)成和質(zhì)地，能夠揭示沙子形成的歷史。美國地質(zhì)學家麥凱根和伯納德對舊金山灣區(qū)的沙子進行的一次全面研究，發(fā)現(xiàn)了這些沙子中蘊含的大量信息。伯納德團隊擁有從海灘、河流、溪谷和海床收集來的大量沙子樣本。研究人員仔細分析了這些樣本沙的形狀、大小和理化性質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，每粒沙子都具有特殊的“指紋”。分析顯示，灣區(qū)的沙子主要來自薩克拉門托河和圣華金河。在灣區(qū)的沙子樣本中，他們發(fā)現(xiàn)了金屬焊接板的碎片微粒和小玻璃球等人造材料。這種小玻璃球往往出現(xiàn)在高速公路的反光噴漆中，這說明公路排水系統(tǒng)實際上構(gòu)成了海陸沙循環(huán)的其中一條通路。

麥凱根在對沙子的研究中發(fā)現(xiàn)，一些地區(qū)突然出現(xiàn)了之前從未在這些地區(qū)生活過的有孔蟲門動物和硅藻。這兩種小型海洋生物對生存環(huán)境十分挑剔，它們肯定是通過某個通道來到了新的棲息地，而舊金山灣區(qū)的研究則促使她認為，人造排水管道很可能將這些小型生物送至新的棲息地。沙子不僅存在于海灘和沙漠，沙子也不只是出現(xiàn)在建筑工地、體育場和游樂場，沙子出現(xiàn)在人類活動的大部分地區(qū)，一捧沙子就能反映出人類對自然的影響。

商業(yè)采沙行業(yè)對環(huán)境具有破壞性影響，在這方面，迪拜就是一個很典型的例子。為了解決土地短缺，迪拜人突發(fā)奇想，決定在大海中修建人工棕櫚島，然后在島上建造豪華度假勝地和購物場所，以風景如畫的白色沙灘和一年四季的陽光吸引世界各地的觀光客。為此，迪拜修建了朱美拉棕櫚島和世界島等四個人造群島，總面積超過200平方千米。創(chuàng)造如此大面積的人工島需要數(shù)以億噸的沙子。迪拜雖然是個在沙漠中修建的城市，但沙漠沙不能作為建筑材料。承包商想到了從海床上開采沙子。大量疏浚船在5平方千米的范圍內(nèi)將海床表面的沙石挖起1米。不到1小時，8000噸的壓載艙被迅速填滿。隨后疏浚管將沙子抽取出來，將沙子噴灑在人造島海域。據(jù)聯(lián)合國的一份報告顯示，疏浚工程耗盡了迪拜幾乎所有的海洋沙資源，并破壞了珊瑚礁和其他海洋動植物的棲息環(huán)境，嚴重影響海底水循環(huán)。

沙子不夠用了

2017年，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署指出：人類對沙子的開采速度已大大超出它的再生速度。全世界2/3的海岸線都在朝陸地方向后退就是最好的證據(jù)。

2016年，在多倫多舉行的沙灘排球世界巡回賽的最后一場比賽，地點被選定在安大略湖邊的一個停車場。雖然在停車場周圍就有一個寬闊的海灘，但因為國際排聯(lián)對比賽場地的沙子有嚴格要求，主辦方還是租賃了35輛運輸車輛，從2小時車程外的臨時體育館調(diào)運了1360噸比賽標準用沙。普通沙灘的沙子對排球比賽來說過于堅硬，很容易讓球員受傷，過淺的顏色也不適合電視轉(zhuǎn)播。一般來說，能夠符合國際排聯(lián)要求的沙子大多分布在芬蘭、瑞典和丹麥。在2008年北京奧運會沙灘排球比賽項目所用的沙子全部來自海南東方市八所鎮(zhèn)，主辦方先用當?shù)氐膬煞N沙子按照一定比例搭配成顏色適合轉(zhuǎn)播的混合沙，然后對沙子進行水洗（沖掉草根、泥土等雜質(zhì)），再用磁選法去除沙中的鐵粉和鐵釘，然后經(jīng)過螺旋洗沙（徹底去除其中的泥土），最后將沙子送入圓形水池進行分離（在豎直向上的水流作用下，顆粒小的沙子被拋出水池，只留下體積稍大、符合要求的沙子）。從八所鎮(zhèn)運往北京朝陽公園沙灘排球場的1.7萬噸比賽標準用沙得到了各國參賽選手們的一致好評。

在建筑界，沙子被稱為“集料”，也被稱為“骨料”，是世界上僅次于水的第二大開采物。但就很多具體用途而言，合適的材料其實相當稀少，難以得到，因為不同的用途所需要的沙子的成分、粒徑不一。建筑用沙占到沙產(chǎn)業(yè)需求總量的60%～75%，向混凝土中摻入沙子能提高混凝土的強度。一般來說，修建一棟單層面積為100平方米的三層磚混結(jié)構(gòu)民居需要消耗145噸沙子。頁巖氣開采行業(yè)對沙子的需求量同樣很大：在頁巖油氣開采初期，要壓裂一口油氣井至少需要沙1800噸，而且單井的用沙量呈逐年增加的趨勢。截至2015年末，美國油氣行業(yè)的單井用沙量平均值已經(jīng)達到4400噸。建筑行業(yè)所使用的沙子多為河沙。在水中，河沙顆粒外層往往包裹著一層水膜，避免了沙子被打磨光滑，足夠的斷裂面和棱角保證了河沙的材料強度。沙漠中的沙子因為長期被風搬運，強風讓沙粒之間猛烈碰撞，沙粒的突起和鋒利邊緣逐漸脫落。因此沙漠沙顆粒過圓，不適合作為集料。2014年，聯(lián)合國環(huán)境保護署在一份題為《沙子比你想象中更珍稀》的報告中指出：因為經(jīng)濟的快速發(fā)展，沙子和礫石的開采正以指數(shù)級增長，自然界沙子的生成速度很難再繼續(xù)滿足人類需求。在牙買加和哥倫比亞等國家，利益驅(qū)使的非法采沙活動猖獗，政府不得不派出警察守衛(wèi)采沙場。

沙子在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的用途更加廣泛。建筑用玻璃、玻璃器皿和手機屏都需要熔化沙子制成的玻璃。自來水廠、排污系統(tǒng)和泳池也需要用到包含沙子的過濾系統(tǒng)。牙膏中的硅磨料的原材料也是沙子。在頁巖油氣采用的水力壓裂法技術(shù)中，工人們將大量圓形沙子注入裂開的巖石構(gòu)造中，讓裂縫保持開放狀態(tài)，這樣才能讓油氣被水壓上地表。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機火車頭為了能夠在光滑的鋼軌上獲得足夠的制動力，在剎車時需要向車輪前方的鐵軌上灑沙子，而這些沙子都是帶有棱角的。帶棱角的沙子還被用于俗稱水刀的“水射流切割技術(shù)”。從噴嘴高速噴出的水流中摻入的切割磨料是被稱為“石榴石沙子”的鋁（鈣）硅酸鹽，為褐紅色砂狀均勻小顆粒。雖然碳化硅和金剛石的硬度超過石榴石沙子，但是磨料太過堅硬會影響噴嘴壽命，因此石榴石沙子是最合適的磨料。太陽能發(fā)電面板和電子計算機的芯片需要二氧化硅和硅做原料；小到螺栓大到風力發(fā)電機的渦輪都需要沙子澆注模具；建筑物和公路的修建更離不開沙子。全世界沙進口量最大的國家是新加坡，除建筑用沙外，新加坡每年從柬埔寨等國家進口大量沙子用于填海造地。在沙進口量排名榜上，電子產(chǎn)業(yè)發(fā)達的日本和韓國分別排名第二和第三，日韓每年需要從外國進口大量硅含量高的沙子用于電子元件和玻璃制造。

沙子總會有用完的一天，但我們卻還不知道目前可用于各種行業(yè)的沙子的儲量還有多少，分布在哪些地區(qū)，以及還能開采多少年？目前針對沙子資源的研究過于分散，研究領(lǐng)域呈現(xiàn)碎片化，尚未達到國際合作和交流的程度，所以我們對全球沙資源的現(xiàn)狀沒有完整的概念。沙子的形成需要很長時間，是一種不可再生資源，我們應該有計劃地使用。否則，我們遲早會面臨無沙可用的窘境。