沙子竟成稀缺资源？！沙漠里不都是吗？

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2025-01-25 11:54

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看到这个标题你或许会说：“又在这里危言耸听了，沙子不是遍地都是吗？” 的确，从表面上看，沙子仿佛无处不在，无论是在浩瀚的沙漠、广袤的河滩，还是漫长的海岸线上，都可以见到它的踪影。自古以来，人们便对沙子和泥土习以为常，《阿房宫赋》里的名句“奈何取之尽锱铢，用之如泥沙？” 古人用这句话来形容那些挥霍无度的人，认为沙子和泥土是不值钱的，取之无穷，用之无尽。

其实不然，早在2019年，《自然》《科学》等国际顶级期刊纷纷发文，警示全球正面临严峻的“砂子危机”，并将天然砂短缺视为全球可持续发展的重大挑战之一。

之后，2022年环境署发布的题为《砂子与可持续性:避免危机的10项战略建议》的报告指出，全世界每年使用的砂子和砾石的数量高达500亿吨，是仅次于水的第二大资源。这些砂子足以在地球周围建造一堵27米宽、27米高的墙。这到底咋回事？砂子为什么这么重要？又为什么会落到如今短缺的局面的？下面，小编我来颠覆你的认知，为你一一解答。

你真的知道什么是沙子吗？

日常生活中，我们常说的“沙子”和实际上的“砂子”其实是有区别的。“沙子”通常用于描述自然界中的松散颗粒，比如沙漠、沙滩上的细小颗粒，更侧重生活化和自然场景；而“砂子”多用于工业和建筑领域，指经过处理或筛选的颗粒状物质，比如建筑用砂、河砂等，成分更复杂且颗粒较粗。简单来说，“沙子”更偏向自然形态，“砂子”则更偏向专业用途，两者虽常混用，但在实际表达中各有侧重。本文讨论的“sha”子，是指的具有专业用途的“学术”砂。

砂子，也称为砂，是一种由矿物、岩石或有机材料组成的粒状物质，其颗粒直径通常在0.0625毫米到2毫米之间。砂子的最主要成分是二氧化硅（SiO₂），通常以石英的形式存在。石英是一种硬度高、化学性质稳定的矿物，能够抵抗风化作用。

主要成分是二氧化硅的石英

除了二氧化硅，砂子中还可能包含长石、云母、碳酸钙（CaCO₃）、氧化铁（Fe₂O₃）等其他矿物。这些矿物的含量和种类会影响砂子的颜色和物理性质。例如，含有磁铁矿的砂子可能呈现深黑色，而含有绿泥石和海绿石的砂子可能呈现绿色。笔者去年去敦煌鸣沙山的时候见到的五色砂，这种砂子包含红、黄、绿、白、黑五种颜色，晶莹闪亮，不沾一尘，是鸣沙山的“三宝”之一。沙粒的颜色斑斓，其中白色沙粒主要由石英矿物组成，红色沙粒则主要由长石构成，而绿、黄、黑色的沙粒则是因为含有前面所说的不同的碎屑。

鸣沙山五色砂

砂子的物理性质包括粒径大小、比表面积、孔隙度、比重和密度等。砂子的粒径通常在0.0625毫米到2毫米之间。比表面积大，意味着砂子颗粒能够吸附气体和溶液，这使得砂子在过滤和吸附方面具有应用价值。砂子的孔隙度影响其渗透性和含水量，对于土壤改良和水土保持具有重要意义。砂子的比重和密度相对较小，这使得砂子重量轻，易于运输和加工。

砂子从哪里来？

砂子总给人一种遍地都是的错觉，走在马路上还容易被地上细碎的砂子滑一跤。砂子其实通常由岩石风化、侵蚀和沉积作用形成，是地壳中最常见的成分之一。

岩石经过长期的风化作用，会逐渐破碎成小块，最终形成砂子；河流在流动过程中会携带和搬运岩石碎片，这些碎片在河流的下游或河口地区沉积下来，形成砂子；沿海地区，海浪不断冲刷海岸，将岩石破碎成砂子；另外，就算在城市里，人类活动如采矿、建筑施工等，也会产生大量的砂子。换句话说，石头是砂子的前身，石头被磨损了就变成了砂子。石头常见，所以砂子也就不少见。

砂子给人无处不在的错觉也就源于此，地球上海滩和沙漠的广泛分布，这些地区由大量的砂子组成，形成了壮观的沙地景观，这自然让人们觉得砂子随处可见。其次，媒体和旅游业经常展示这些地区的美景，进一步加深了人们对砂子丰富性的印象。

沙滩与沙漠

人类采砂的历史可以追溯到数千年前，最早的采砂活动可能起源于古代文明如古埃及和古罗马，当时砂石被用于建筑材料和其他用途。在中国，采砂有着悠久的历史。在古埃及，尼罗河流域的细砂是建造金字塔的重要资源。考古学家发现，工人们将河砂运到工地，用于填充金字塔的基础层，或作为建筑石块间的填充材料。传说中，有一位建筑师因使用细腻的河砂改良了金字塔的结构而受到法老的奖赏。这种技术不仅提升了金字塔的稳定性，还极大地节省了石材的消耗。

建筑工地中的砂子

此外，在中国，早在春秋战国时期，长江流域的河砂就被用来建造城墙和堤坝。根据《墨子》记载，墨家学派的工匠们在修筑城池时，特意挑选颗粒均匀的河砂混合石灰，以增强城墙的牢固性。由此看来，河砂和海砂一直是建筑和基础设施建设的重要材料。早期的采砂活动主要是通过人工方式进行，比如在河流和沿海地区用手工或简单工具采集。机械化采砂的发展加大了砂子的消耗速度，尤其是河砂。

海砂场

河沙场

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河砂短缺，自然界中还有替代品吗？

就像上一节所说的，世界上的砂子好像无处不在，但其实并不是所有的沙子都能为人类所用。人们所说的“砂子短缺”大多指的是“河砂”。河砂是建筑行业的关键材料。河砂的形成需要自然过程，包括河水的冲刷、搬运和沉积。这些过程需要时间，而人类对河砂的开采速度远远超过了其自然再生速度。许多河流的砂子数量已经处于80%的危险等级以下。例如，中国的长江流域由于过度采砂，部分地区河床已下降10米以上，导致航运受阻和生态退化。

根据联合国环境规划署（UNEP）的报告，全球每年对砂子和砾石的需求达到了惊人的400-500亿吨。这一需求量在过去20年中已经增加了三倍之多，突显了对这一资源的日益增长的依赖。具体来说，砂子的使用量是水泥的10倍，仅在建筑工程方面，全球每年就消耗约400亿到500亿吨砂子。联合国环境规划署（UNEP）在2022年的报告中进一步指出，砂子的开采量每年增长约6%，这一速度被普遍认为是不可持续的。、

这时候，许多读者大概会灵光一现：“沙漠化不是很严重吗？把沙漠挖来补缺口啊!既解决了砂子危机，又能解决沙漠化，这不一举两得吗？”事实可能与想象中的区别有些大，沙漠中的砂子通常颗粒较小、形状较圆滑，这些特性使其不适合用于建筑和混凝土生产。建筑用砂需要具有一定的粒径分布和角度，以保证混凝土的强度和稳定性。沙漠砂子由于风化作用较强，颗粒不适合与水泥结合。

另外，海砂同样也不能成为河砂的替代。海砂含有大量的盐分和海洋生物残骸。这些盐分会腐蚀钢筋，导致钢筋承载能力下降。此外，海砂中的盐分会吸收大气中的水分，使建筑物表面变质，不符合建筑用砂的标准。

机械砂能否扭转乾坤？

看到这里大家已经明白，天然砂，尤其是河砂，短缺已成定局，但是基建发展又不能没有砂子，于是很多国家开始了天然砂向机械砂的转型。

与由自然条件作用，岩石风化、水流冲刷等形成的天然砂不同，机制砂是通过机械破碎、筛分制成的，可以由岩石、矿山尾矿或工业废渣等材料加工而成，原料相对丰富且可持续。与天然砂相比，机制砂不会过度依赖河流或海洋资源，因此对生态系统的影响相对较小。机制砂的生产过程可以人工控制，这意味着可以根据具体需求调整粒径、颗粒形状、石粉含量等，优化其物理和化学性质，从而提高混凝土的性能。另外，机制砂可以在靠近建筑工地的地方生产，减少了长途运输天然砂所产生的碳排放和运输成本。基于上述优点，越来越多的国家和地区开始提高机械砂的比例。但是，机械砂虽然有着成本低、来源广的优点，但是也有一些缺点。

其一，机制砂通常由碎石经过破碎机加工而成，其颗粒形状可能较为规则，更多为圆形或尖锐角的颗粒。规则的粒径分布可能导致混凝土中颗粒之间的空隙较多，从而降低了混凝土的密实性和整体强度。

其二，机制砂的石粉含量较高，通常是由于破碎过程中产生的细小颗粒。虽然在某些情况下能改善混凝土的密实性，但过高的石粉含量也可能导致混凝土强度降低、工作性差和增加收缩开裂风险。过多的石粉会增加混凝土中的水泥用量，使混凝土的强度降低，特别是在干燥条件下；混凝土也会变得过于粘稠，影响混凝土的工作性和施工性能，导致混凝土的流动性和可操作性降低；同时，混凝土的收缩率也会增加，从而增加开裂的风险。