段景颐

在我们的印象中，沙子应该是永远用不完的。但你可能不会相信，沙子是目前市场上最炙手可热的原材料商品之一。世界上每個海滩上的沙子都在讲述着不同的自然历史，还有一些沙子则留下了人类活动的印记。

沙子讲述登陆日战役

位于法国的奥马哈海滩曾是诺曼底登陆战役中交火最激烈、死伤最惨重的一段滩头。盟军在奥马哈滩头遭受了巨大的损失，仅阵亡者就达2500人，因此奥马哈滩又称“血腥奥马哈”。奥马哈沙滩长约8千米，在最高水位标记附近的地面上散落着直径20厘米左右的卵石。往更高处走，能够看见一些小沙丘和背后低矮的山崖，这里的沙子是干净的黄灰色沙。

2012年，地质学家麦克布莱德和皮克德分别用光学显微镜和扫描电镜显微镜对奥马哈海滩的沙粒样本进行观察和分析，以全面了解沙粒颗粒的大小、形状、圆度和构成等信息。结果显示，沙粒的构成（按重量）为石英78%、长石9%、石灰石和贝壳碎片4%、重金属3%和角岩颗粒2%。从沙粒构成来看，侵蚀后的内陆沉积岩被塞纳河搬运至海岸，才形成了奥马哈的沙滩，这是非常典型的沙滩发育过程。不过，沙粒中还有4%的成分显得很不寻常。他们在这部分沙粒样本中发现了大量圆角不透明颗粒，并且都带有磁性。在这些磁性成分中，还存在一些直径更小的浑圆小珠。进一步检测后发现，占沙粒总质量4%的这部分成分实际上是铁屑，其中混有微量的小铁珠和小玻璃珠。

麦克布莱德和皮克德立即意识到，沙粒中那4%的成分很可能是登陆日那十几个小时留下的弹片残渣。1944年6月6日，数万吨炸药和炮弹在诺曼底的五个海滩上爆炸，前一批弹片在后一批炮弹的爆炸中被炸成更小的弹片。奥马哈海滩发现的弹片直径在0.06～1毫米之间，平均直径为0.2毫米。弹片具有金属外观，其上有橙红色圆点和大量腐蚀痕迹。弹片颗粒还保留着一定的形状，但经过了几十年和沙子的不断碰撞，有些颗粒的棱角被磨圆。弹片上的层叠结构显示这些颗粒曾经经受过强烈的冲击负荷。

最引人注意的是，弹片颗粒中出现了圆形铁珠和玻璃珠。麦克布莱德从样本中找到了13颗完整的小铁珠，5颗破损的中空铁珠和12颗玻璃珠。铁珠的直径为0.1～0.3毫米，外观几乎没有腐蚀痕迹。玻璃珠的外表异常光滑，且大小完全相同——直径都为0.5毫米。构成玻璃珠的材料十分通透，含有一些气泡。科学家最初以为这些玻璃珠是二氧化硅玻璃，和沙滩上的沙子成分相同。然而，光谱分析显示，这些玻璃中含有钠、钙、镁元素。

麦克布莱德和皮克德在他们掌握的证据的基础上，推测出了玻璃珠可能的形成过程。二战时炸药爆炸产生的火焰瞬时温度至少在1200℃以上。二氧化硅和海水中大量存在的钠、钙和镁一同被加热。海滩的沙粒在高温下与这三种离子发生离子交换，就形成了包含钠、钙、镁的玻璃珠。不过，1200℃虽然可以融化铸铁炮弹，却无法完全达到二氧化硅的熔点范围（1600～1700°C）。那么，沙子又是如何被熔化形成玻璃的呢？

提高压强能够降低物质的熔点，帮助玻璃珠形成的还有爆炸时形成的冲击波。这就如人穿着冰鞋站立在冰面上。由于冰刀与冰面的接触面积很小，所以对冰面产生了很大的压强。降低了冰的熔点，使冰刀下的冰熔化成薄薄的一层水，正是有了这层流动的水，冰刀才能以非常小的阻力在冰面上滑行。在冲击波和高温的共同作用下，沙滩上的沙子应该能够被加热熔化，这些被热熔后掉落到地面的沙子就形成了两人在显微镜下观察到的小玻璃珠。整个过程和加工轴承滚珠的工艺可以说完全一样。滚珠轴承的加工过程就是将熔化后的铁水喷射到空气中，液体铁珠在空气中迅速冷却，落下时就是一颗颗小铁珠。他们认为，或许再过100多年，侵蚀和磨损会彻底销毁奥马哈海滩上这场血腥战役的痕迹。即便当某个遥远未来的地质学家在这段地层里找到一颗浑圆的小玻璃珠，那时的人们可能无法想象，这个不起眼的小玻璃珠见证过人类历史上最可怕的相互残杀。

从一粒沙中看人类对自然的影响

沙子可以告诉我们许多信息。当你从沙滩上捡起几粒沙子，你的指尖之间捏住的或许是一段跨度数百年的沙子形成史。从美国加州锯齿山脉裸露出地表的石板或花岗岩上剥落的岩块被萨克拉门托河一路搬运到旧金山的海岸边，这里的沙滩是小型有孔虫门生物的埋骨地。另外，一些沙滩几乎全部由珊瑚的遗骸构成。地质学家通过研究沙子的构成和质地，能够揭示沙子形成的历史。美国地质学家麦凯根和伯纳德对旧金山湾区的沙子进行的一次全面研究，发现了这些沙子中蕴含的大量信息。伯纳德团队拥有从海滩、河流、溪谷和海床收集来的大量沙子样本。研究人员仔细分析了这些样本沙的形状、大小和理化性质。他们发现，每粒沙子都具有特殊的“指纹”。分析显示，湾区的沙子主要来自萨克拉门托河和圣华金河。在湾区的沙子样本中，他们发现了金属焊接板的碎片微粒和小玻璃球等人造材料。这种小玻璃球往往出现在高速公路的反光喷漆中，这说明公路排水系统实际上构成了海陆沙循环的其中一条通路。

麦凯根在对沙子的研究中发现，一些地区突然出现了之前从未在这些地区生活过的有孔虫门动物和硅藻。这两种小型海洋生物对生存环境十分挑剔，它们肯定是通过某个通道来到了新的栖息地，而旧金山湾区的研究则促使她认为，人造排水管道很可能将这些小型生物送至新的栖息地。沙子不仅存在于海滩和沙漠，沙子也不只是出现在建筑工地、体育场和游乐场，沙子出现在人类活动的大部分地区，一捧沙子就能反映出人类对自然的影响。

商业采沙行业对环境具有破坏性影响，在这方面，迪拜就是一个很典型的例子。为了解决土地短缺，迪拜人突發奇想，决定在大海中修建人工棕榈岛，然后在岛上建造豪华度假胜地和购物场所，以风景如画的白色沙滩和一年四季的阳光吸引世界各地的观光客。为此，迪拜修建了朱美拉棕榈岛和世界岛等四个人造群岛，总面积超过200平方千米。创造如此大面积的人工岛需要数以亿吨的沙子。迪拜虽然是个在沙漠中修建的城市，但沙漠沙不能作为建筑材料。承包商想到了从海床上开采沙子。大量疏浚船在5平方千米的范围内将海床表面的沙石挖起1米。不到1小时，8000吨的压载舱被迅速填满。随后疏浚管将沙子抽取出来，将沙子喷洒在人造岛海域。据联合国的一份报告显示，疏浚工程耗尽了迪拜几乎所有的海洋沙资源，并破坏了珊瑚礁和其他海洋动植物的栖息环境，严重影响海底水循环。

沙子不够用了

2017年，联合国环境规划署指出：人类对沙子的开采速度已大大超出它的再生速度。全世界2/3的海岸线都在朝陆地方向后退就是最好的证据。

2016年，在多伦多举行的沙滩排球世界巡回赛的最后一场比赛，地点被选定在安大略湖边的一个停车场。虽然在停车场周围就有一个宽阔的海滩，但因为国际排联对比赛场地的沙子有严格要求，主办方还是租赁了35辆运输车辆，从2小时车程外的临时体育馆调运了1360吨比赛标准用沙。普通沙滩的沙子对排球比赛来说过于坚硬，很容易让球员受伤，过浅的颜色也不适合电视转播。一般来说，能够符合国际排联要求的沙子大多分布在芬兰、瑞典和丹麦。在2008年北京奥运会沙滩排球比赛项目所用的沙子全部来自海南东方市八所镇，主办方先用当地的两种沙子按照一定比例搭配成颜色适合转播的混合沙，然后对沙子进行水洗（冲掉草根、泥土等杂质），再用磁选法去除沙中的铁粉和铁钉，然后经过螺旋洗沙（彻底去除其中的泥土），最后将沙子送入圆形水池进行分离（在竖直向上的水流作用下，颗粒小的沙子被抛出水池，只留下体积稍大、符合要求的沙子）。从八所镇运往北京朝阳公园沙滩排球场的1.7万吨比赛标准用沙得到了各国参赛选手们的一致好评。

在建筑界，沙子被称为“集料”，也被称为“骨料”，是世界上仅次于水的第二大开采物。但就很多具体用途而言，合适的材料其实相当稀少，难以得到，因为不同的用途所需要的沙子的成分、粒径不一。建筑用沙占到沙产业需求总量的60%～75%，向混凝土中掺入沙子能提高混凝土的强度。一般来说，修建一栋单层面积为100平方米的三层砖混结构民居需要消耗145吨沙子。页岩气开采行业对沙子的需求量同样很大：在页岩油气开采初期，要压裂一口油气井至少需要沙1800吨，而且单井的用沙量呈逐年增加的趋势。截至2015年末，美国油气行业的单井用沙量平均值已经达到4400吨。建筑行业所使用的沙子多为河沙。在水中，河沙颗粒外层往往包裹着一层水膜，避免了沙子被打磨光滑，足够的断裂面和棱角保证了河沙的材料强度。沙漠中的沙子因为长期被风搬运，强风让沙粒之间猛烈碰撞，沙粒的突起和锋利边缘逐渐脱落。因此沙漠沙颗粒过圆，不适合作为集料。2014年，联合国环境保护署在一份题为《沙子比你想象中更珍稀》的报告中指出：因为经济的快速发展，沙子和砾石的开采正以指数级增长，自然界沙子的生成速度很难再继续满足人类需求。在牙买加和哥伦比亚等国家，利益驱使的非法采沙活动猖獗，政府不得不派出警察守卫采沙场。

沙子在工业领域内的用途更加广泛。建筑用玻璃、玻璃器皿和手机屏都需要熔化沙子制成的玻璃。自来水厂、排污系统和泳池也需要用到包含沙子的过滤系统。牙膏中的硅磨料的原材料也是沙子。在页岩油气采用的水力压裂法技术中，工人们将大量圆形沙子注入裂开的岩石构造中，让裂缝保持开放状态，这样才能让油气被水压上地表。传统的内燃机火车头为了能够在光滑的钢轨上获得足够的制动力，在刹车时需要向车轮前方的铁轨上洒沙子，而这些沙子都是带有棱角的。带棱角的沙子还被用于俗称水刀的“水射流切割技术”。从喷嘴高速喷出的水流中掺入的切割磨料是被称为“石榴石沙子”的铝（钙）硅酸盐，为褐红色砂状均匀小颗粒。虽然碳化硅和金刚石的硬度超过石榴石沙子，但是磨料太过坚硬会影响喷嘴寿命，因此石榴石沙子是最合适的磨料。太阳能发电面板和电子计算机的芯片需要二氧化硅和硅做原料；小到螺栓大到风力发电机的涡轮都需要沙子浇注模具；建筑物和公路的修建更离不开沙子。全世界沙进口量最大的国家是新加坡，除建筑用沙外，新加坡每年从柬埔寨等国家进口大量沙子用于填海造地。在沙进口量排名榜上，电子产业发达的日本和韩国分别排名第二和第三，日韩每年需要从外国进口大量硅含量高的沙子用于电子元件和玻璃制造。

沙子总会有用完的一天，但我们却还不知道目前可用于各种行业的沙子的储量还有多少，分布在哪些地区，以及还能开采多少年？目前针对沙子资源的研究过于分散，研究领域呈现碎片化，尚未达到国际合作和交流的程度，所以我们对全球沙资源的现状没有完整的概念。沙子的形成需要很长时间，是一种不可再生资源，我们应该有计划地使用。否则，我们迟早会面临无沙可用的窘境。