沙子有多珍貴？

段景頤

在我們的印象中，沙子應(yīng)該是永遠(yuǎn)用不完的。但你可能不會(huì)相信，沙子是目前市場(chǎng)上最炙手可熱的原材料商品之一。世界上每個(gè)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(dòng)的印記。

沙子講述登陸日戰(zhàn)役

位于法國(guó)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(dá)2500人，因此奧馬哈灘又稱“血腥奧馬哈”。奧馬哈沙灘長(zhǎng)約8千米，在最高水位標(biāo)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(jiàn)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(xué)家麥克布萊德和皮克德分別用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡顯微鏡對(duì)奧馬哈海灘的沙粒樣本進(jìn)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(zhǎng)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(lái)看，侵蝕后的內(nèi)陸沉積巖被塞納河搬運(yùn)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(guò)程。不過(guò)，沙粒中還有4%的成分顯得很不尋常。他們?cè)谶@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(jìn)一步檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，占沙?？傎|(zhì)量4%的這部分成分實(shí)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(shí)到，沙粒中那4%的成分很可能是登陸日那十幾個(gè)小時(shí)留下的彈片殘?jiān)?944年6月6日，數(shù)萬(wàn)噸炸藥和炮彈在諾曼底的五個(gè)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(diǎn)和大量腐蝕痕跡。彈片顆粒還保留著一定的形狀，但經(jīng)過(guò)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(guò)強(qiáng)烈的沖擊負(fù)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(méi)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(xué)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(chǔ)上，推測(cè)出了玻璃珠可能的形成過(guò)程。二戰(zhàn)時(shí)炸藥爆炸產(chǎn)生的火焰瞬時(shí)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(guò)，1200℃雖然可以融化鑄鐵炮彈，卻無(wú)法完全達(dá)到二氧化硅的熔點(diǎn)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(qiáng)能夠降低物質(zhì)的熔點(diǎn)，幫助玻璃珠形成的還有爆炸時(shí)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(duì)冰面產(chǎn)生了很大的壓強(qiáng)。降低了冰的熔點(diǎn)，使冰刀下的冰熔化成薄薄的一層水，正是有了這層流動(dòng)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(yīng)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(gè)過(guò)程和加工軸承滾珠的工藝可以說(shuō)完全一樣。滾珠軸承的加工過(guò)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(shí)就是一顆顆小鐵珠。他們認(rèn)為，或許再過(guò)100多年，侵蝕和磨損會(huì)徹底銷毀奧馬哈海灘上這場(chǎng)血腥戰(zhàn)役的痕跡。即便當(dāng)某個(gè)遙遠(yuǎn)未來(lái)的地質(zhì)學(xué)家在這段地層里找到一顆渾圓的小玻璃珠，那時(shí)的人們可能無(wú)法想象，這個(gè)不起眼的小玻璃珠見(jiàn)證過(guò)人類歷史上最可怕的相互殘殺。

從一粒沙中看人類對(duì)自然的影響

沙子可以告訴我們?cè)S多信息。當(dāng)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(guó)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(yùn)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(xué)家通過(guò)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(guó)地質(zhì)學(xué)家麥凱根和伯納德對(duì)舊金山灣區(qū)的沙子進(jìn)行的一次全面研究，發(fā)現(xiàn)了這些沙子中蘊(yùn)含的大量信息。伯納德團(tuán)隊(duì)擁有從海灘、河流、溪谷和海床收集來(lái)的大量沙子樣本。研究人員仔細(xì)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(lái)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(shuō)明公路排水系統(tǒng)實(shí)際上構(gòu)成了海陸沙循環(huán)的其中一條通路。

麥凱根在對(duì)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(guò)的有孔蟲門動(dòng)物和硅藻。這兩種小型海洋生物對(duì)生存環(huán)境十分挑剔，它們肯定是通過(guò)某個(gè)通道來(lái)到了新的棲息地，而舊金山灣區(qū)的研究則促使她認(rèn)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(chǎng)和游樂(lè)場(chǎng)，沙子出現(xiàn)在人類活動(dòng)的大部分地區(qū)，一捧沙子就能反映出人類對(duì)自然的影響。

商業(yè)采沙行業(yè)對(duì)環(huán)境具有破壞性影響，在這方面，迪拜就是一個(gè)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(gòu)物場(chǎng)所，以風(fēng)景如畫的白色沙灘和一年四季的陽(yáng)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(gè)人造群島，總面積超過(guò)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(gè)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(kāi)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(shí)，8000噸的壓載艙被迅速填滿。隨后疏浚管將沙子抽取出來(lái)，將沙子噴灑在人造島海域。據(jù)聯(lián)合國(guó)的一份報(bào)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(dòng)植物的棲息環(huán)境，嚴(yán)重影響海底水循環(huán)。

沙子不夠用了

2017年，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署指出：人類對(duì)沙子的開(kāi)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(chǎng)比賽，地點(diǎn)被選定在安大略湖邊的一個(gè)停車場(chǎng)。雖然在停車場(chǎng)周圍就有一個(gè)寬闊的海灘，但因?yàn)閲?guó)際排聯(lián)對(duì)比賽場(chǎng)地的沙子有嚴(yán)格要求，主辦方還是租賃了35輛運(yùn)輸車輛，從2小時(shí)車程外的臨時(shí)體育館調(diào)運(yùn)了1360噸比賽標(biāo)準(zhǔn)用沙。普通沙灘的沙子對(duì)排球比賽來(lái)說(shuō)過(guò)于堅(jiān)硬，很容易讓球員受傷，過(guò)淺的顏色也不適合電視轉(zhuǎn)播。一般來(lái)說(shuō)，能夠符合國(guó)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(yùn)會(huì)沙灘排球比賽項(xiàng)目所用的沙子全部來(lái)自海南東方市八所鎮(zhèn)，主辦方先用當(dāng)?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(duì)沙子進(jìn)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(guò)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(jìn)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(yùn)往北京朝陽(yáng)公園沙灘排球場(chǎng)的1.7萬(wàn)噸比賽標(biāo)準(zhǔn)用沙得到了各國(guó)參賽選手們的一致好評(píng)。

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(kāi)采物。但就很多具體用途而言，合適的材料其實(shí)相當(dāng)稀少，難以得到，因?yàn)椴煌挠猛舅枰纳匙拥某煞?、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(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，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(yè)巖氣開(kāi)采行業(yè)對(duì)沙子的需求量同樣很大：在頁(yè)巖油氣開(kāi)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(shì)。截至2015年末，美國(guó)油氣行業(yè)的單井用沙量平均值已經(jīng)達(dá)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(qiáng)度。沙漠中的沙子因?yàn)殚L(zhǎng)期被風(fēng)搬運(yùn)，強(qiáng)風(fēng)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(guò)圓，不適合作為集料。2014年，聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)署在一份題為《沙子比你想象中更珍稀》的報(bào)告中指出：因?yàn)榻?jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沙子和礫石的開(kāi)采正以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，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(guó)家，利益驅(qū)使的非法采沙活動(dòng)猖獗，政府不得不派出警察守衛(wèi)采沙場(chǎng)。

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(jī)屏都需要熔化沙子制成的玻璃。自來(lái)水廠、排污系統(tǒng)和泳池也需要用到包含沙子的過(guò)濾系統(tǒng)。牙膏中的硅磨料的原材料也是沙子。在頁(yè)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(kāi)的巖石構(gòu)造中，讓裂縫保持開(kāi)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(jī)火車頭為了能夠在光滑的鋼軌上獲得足夠的制動(dòng)力，在剎車時(shí)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(guò)石榴石沙子，但是磨料太過(guò)堅(jiān)硬會(huì)影響噴嘴壽命，因此石榴石沙子是最合適的磨料。太陽(yáng)能發(fā)電面板和電子計(jì)算機(jī)的芯片需要二氧化硅和硅做原料；小到螺栓大到風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(kāi)沙子。全世界沙進(jìn)口量最大的國(guó)家是新加坡，除建筑用沙外，新加坡每年從柬埔寨等國(guó)家進(jìn)口大量沙子用于填海造地。在沙進(jìn)口量排名榜上，電子產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的日本和韓國(guó)分別排名第二和第三，日韓每年需要從外國(guó)進(jìn)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(huì)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(chǔ)量還有多少，分布在哪些地區(qū)，以及還能開(kāi)采多少年？目前針對(duì)沙子資源的研究過(guò)于分散，研究領(lǐng)域呈現(xiàn)碎片化，尚未達(dá)到國(guó)際合作和交流的程度，所以我們對(duì)全球沙資源的現(xiàn)狀沒(méi)有完整的概念。沙子的形成需要很長(zhǎng)時(shí)間，是一種不可再生資源，我們應(yīng)該有計(jì)劃地使用。否則，我們遲早會(huì)面臨無(wú)沙可用的窘境。