一粒沙中的科学世界

　　一沙一世界，一花一天堂
　　把无限放在你手掌，永恒在那里收藏。——威廉·布莱克(Will Jam Blake)《天真的预言》
　　
　　一眼望去，沙子无所不在!它在溪流江河的岸边，它在干燥的地方形成沙丘，沿着海岸形成沙滩。沙子还有许多经济价值，被应用于建筑、陶器、过滤系统和研磨材料。
　　看到沙粒，我们通常认为它们是石英粒的集合体，但实际上它们有很多种成分，并不单一。仔细观察时会发现，各种岩石材料经过风化、侵蚀和地质搬运过程形成了沙子独特的颗粒结构系列。
　　每一份沙子样本都包含着科学奥秘的线索，可以作为探索地球科学、地质学或生物学的基础：
　　什么是沙粒的来源物质?
　　什么样的地壳运动力移动并改变了原始的岩石?
　　经过千百万年，什么使大的岩石变成现在我们采集到的小沙粒?
　　对当地沙粒开展课堂研究将揭示出神奇的地球历史，可以探讨各种跨领域的科学话题，并能提供丰富的探究体验，带领大家从科学课堂进入跨越历史、文化和艺术的天地。本文将详细描述这方面的探究活动。关于沙子的科学
　　沙子多种多样，每一类沙子都可以讲述一段有关当地独特地理和地质构造的风化、搬运和沉积的故事。二氧化硅因其硬度和稳定性成为最常见的沙子成分，尤其是石英质的沙土。除此之外，沙土也含有其他成分，如小粒的岩石或矿物质、生物体残骸，甚至还有小颗粒的人造物质!
　　沙土样本可以告诉我们什么呢?它不仅能展示它们来源的岩石，而且还能揭示其形成沙砾的风化过程。例如，来源于花岗石的沙粒早期含有长石、石英、黑云母等成分，经过化学性气候侵蚀，不稳定的物质就分解成黏土。含有不稳定的长石和石膏成分的沙粒标本可以指示一种较弱的化学风化环境。单个沙粒的形状是另一个指标线索：圆形的代表经历更强的风化过程，有棱角的说明经历的风化和搬运过程较弱。
　　我们常说的“沙子”这个词指的是大小介于较大的颗粒状沙粒和较小的淤泥状沙粒的沉积物(见37页图)。一般沙粒的直径为0.0625～2毫米之间。传统的Wentworth分级(见“互联网资源”)更进一步地把沙粒从“粗糙”到“精细”分为bee5001a3fdc2979fcb2ad46d02eaa3ad578c9885d9427b231b9c0337cb02c1c五个等级。诸如Folk and Shephard分类系统的图解表(见“互联网资源”)，可以帮助研究人员按照泥、细沙、泥沙(介于细沙和黏土之间)和黏土的比例对沉积物进行分类。互联网上提供了一个可供教学使用的沙粒研究资源列表(见“互联网资源”)。
　　对于学生来说，用显微镜观察沙土样本中的个体颗粒是非常有吸引力的一项活动，他们会时常地发出“哇”的惊叹声!
　　
　　当地沙子的历史
　　
　　无论海边、河岸、沙丘，还是冰河石碓，都有天然的沙子可用于大多数课堂学习。关于沙子研究，我们最初一般从对当地的沙子进行调查开始：学生采集当地天然存在的沙子，然后通过矿物学、风化和搬运过程分析，进行一次深入的地区性“地球历程”调查。
　　以往的研究证实，学生能把更多熟悉的地形和特征联系起来，然而奇特的、非基础的内容更能引发他们的兴趣(Clary and Wandersee 2008)。在这项活动中，学生利用风化过程来追溯当地的沙子是如何从它的岩石发源地，到它现在——但不是最终——的地点位置。
　　这项活动需要4～7个50分钟的课时，可通过个人作业或2～4人小组活动的形式进行。
　　
　　第一步　样本定位
　　
　　我们用谷歌地球程序(Google Earth，见“互联网资源”)来定位一些沙子采集点，并标明经度和纬度坐标。然后我们给学生一个沙子采集地点清单，这些采集地点是我们已经探访过和验证过的，如河谷、沙洲、沙堆、冰川冲积地区、湖泊、海滩(我们避免出现建筑工地和商店)。学生必须在家长和监护人的陪同下到这些地点。我们会提醒学生和他们的家长，采集沙子时一定要小心，要保证得到在私人领地采集样本的许可。很少量的沙子就足够好几个课堂实验使用，所以我们的学生只用小塑料袋采集沙子样本。通常我们自己也会准备一两份样本，以备学生采集样本出现问题时使用。
　　
　　
　　第二步　分拣和圆滑度判定
　　
　　沙粒的大小和形状能反映出许多它们的地球历程信息!如果在课堂上准备一些土壤筛，学生小组可以把样本按照其尺寸大小(见37页图)进行分拣。简易的土壤筛可以使用纱窗门或面粉筛的铁丝网以及尼龙袜来替代。学生可以用铁丝网筛出大个的岩石粒，透过尼龙网冲洗样本筛出小粒沙子(把更细的泥沙和泥土冼掉)。
　　学生可分组使用各种放大工具(如珠宝匠使用的放大镜、普通放大镜和显微镜)来研究分拣出的样品。用金属针可帮助在放大镜下分离沙粒，用牙签分离较大的沙粒也不错。学生可以用土壤直径表(表1)来判别沙粒大小。标准的便携式沙粒尺寸卡在科学商店里有售。
　　沙粒大小的均匀性很重要：分拣良好的沙子颗粒大小一致，分拣差的样本就会存在大小不一的沙粒。在Brooklyn大学的地质学网站上有沙粒尺寸均匀度的图表(见“互联网资源”)。
　　学生通过检查沙粒的形状来获得机械性风化和搬运作用的线索。一个最基本的图示(表2)可以帮助他们确定沙粒的圆滑度。更多详细的分类系统请参阅Eastern Illinois大学的沉积岩网页(见“互联网资源”)。
　　
　　第三步　成分分析
　　
　　这是实验中问题最多的一步。学生通常都没有背景知识来辨识成分，除非沙粒样本有相当明显的均一矿物质成分。我们建议学生去研究一下当地的地质情况，确定暴露在地表的岩石类型。一旦确认了沙子潜在的岩石来源，他们就能列出沙子的矿物质成分。微生物化石提供了另一方面的信息——学生可以调查研究这些微小生物的生存环境。
　　有的时候，沙粒矿物学鉴定结果与当地地表岩石成分不符。这种情况我们就让学生考虑搬运作用因素，分析它们是否可能是通过流水或冰川消融从来源地被带到这里。我们也让学生考虑化学性风化过程，在这种作用下原来的岩石分解成黏土——只有其中最稳定的物质保留了下来。
　　
　　第四步　重构沙粒的历史
　　
　　通过采集的沙子样本的颗粒大小、均匀性(或者缺乏均匀性)和形状，学生可以判别沙子样本的基本风化历史。他们可以将沙子样本与当地的地表岩石和其他沙粒进行比较，得出样本的基本矿物成分和可能的微生物成分。然后，学生综合各种信息梳理出他们沙粒样本的地球历程。
　　我们发现，附近的国家公园或一个能反映当地地质基本状况的地点是判断当地地壳构造变迁的最好的便捷方法。“国家公园服务”网站(见“互联网资源”)提供了全美国家公园陆地景观最基本的地质概况。这些资源对于学生重构他们沙子样本的岩石来源、构造应力以及风化和搬运过程非常有帮助。因为这个活动涉及要对现象进行“解读”，所以重构出的历史过程就会有所不同。沙子是一种几千年甚至可能上百万年时间的“历程见证物”。
　　学生用5～10分钟的演讲来与同学们分享沙子的地球历程(互联网上有流程指导，见“互联网资源”)。每个组通过描述风化和搬运过程，来展示他们沙粒的岩石来源和构造应力等历史。展示后，学生们投票推选出最具说服力的沙粒历史，并在下次课上宣布获胜者。
　　
　　通过沙子环游世界
　　
　　学生完成当地沙子的研究后，我们还可以扩大活动范围，进行与其他地区的比较研究。当沙子调查扩展到外埠地区时，沙子样本就会表现出矿物成分、有机物、圆滑度和类型的多样性。对于当地的沙子，学生通过比照互联网上的图片来判断沙子标本的成分，但是现在的任务是要对比地理位置上的差别了。
　　我们先挑战学生，让他们比较相似的沙子样本，乍一看上去很相像，例如：新墨西哥州的白石膏沙与佛罗里达州的白石英沙有相似的外观，然而新墨西哥州的石膏沙只存在于干燥的环境里，湿润的气候会把石膏化学性风化溶解并带走。佛罗里达州的石英沙是从阿巴拉契亚山脉历经百万年的风化而来，大多数矿物成分都已被溶化、分解，结果能保留下来的小部分颗粒物质主要就是石英了。新墨西哥州和佛罗里达州的沙粒虽然有相似的大小，但它们实际上截然不同。
　　沙子也有差异很大的。我们挑战学生，让他们提出沙子颜色和形状不同的原因。例如：华盛顿中北部地区的沙粒基本上都是黑色的，带有狭长的水晶形状；而上纽约的沙粒则颜色更浅并且色彩多样(表3)。
　　加州大学洛杉矶分校海洋科学中心的海洋GLOBE项目介绍了一个学生对比沙粒样本并在世界地图上标注出采集地经度和纬度的活动。教师们可以请亲戚朋友旅游时带回沙子，或者通过国际沙收藏者协会(见“互联网资源”)付费获得沙子样本。教师会议是另一个获取沙子样本的好机会。例如美国科学教师协会(NSTA)的会议中通常组织“分享”环节，老师们带来当地的沙子样本，进行非正式的自由交换。(更多信息参见NSTA会议网页，见“互联网资源”)
　　
　　沙子探究活动的扩展
　　
　　课堂学习还可以关注有关沙子的其他科学问题，例如，对比其他材料研究沙粒的休止角度(沙粒放在斜面上保持静止时斜面最陡的角度)，以及液体化(沙堆无法保持原有形状而像液体一样运动)需要的水量。虽然Clay Robbinson(2005)的沙碉城堡活动是为初中学生设计的，但它同样也适合在高中课堂里开展(见“互联网资源”)。
　　沙子的研究也不仅仅止于科学研究。我们的学生还调研了当地沙子的经济用途和在历史中发挥的作用。还有一些有趣的法医侦破案例也涉及到沙子。Osborn(1984)曾讲述过第二次世界大战中沙子的作用：在1944至1945年问，日本给几千个气球安装了点火装置，打算发到美国的森林里放火。他们使用沙子作为控制气球高度的压舱物，但是最后不是所有的气球都成功地点起了火。美国分析了沙子的成分，推断它们只可能来源于日本的5个地区。通过对这些地区进行勘测，美方锁定了气球发射地点并摧毁了它。
　　沙子也曾经用来作吸墨水的物质，它能从文件表面吸附多余的墨汁，加速晾干过程(Hopen，D’Errico，and Milke 2008)。沙子还可以用在禅宗花园、沙碉竞赛和沙画中。上百万种颜色的沙粒被小心地按照设计图布绘成沙坛城(印度教和佛教密宗中的修法场——译者注)或西藏沙画。根据设计的复杂程度，整个制作过程需要几天到几个星期。完成后，收集制作用的沙子被放到河流溪水中，用来象征万物的无常(Drepmlg Loseling Monastery 2011)。
　　
　　讨论
　　
　　沙子是美丽的，涉及学科广泛，廉价而令人着迷。虽然学生会怀疑他们采集的沙子样本都相同，但活动会揭示出沙子是相当复杂的矿物质和岩石碎屑的混合物。一个丰富的科学信息世界蕴含在沙粒之中——它们拥有本地区岩石来源的线索，见证了风化和侵蚀的过程，以及地壳构造事件。而且，得到沙子的样本一般来说是无须花钱的!
　　跨地区的沙子研究可以从小规模研究中展现难以想象的多样性。关于沙子的研究甚至能扩展到众多的跨学科领域，如历史、文化和艺术。我们的学生对于课堂开展的沙子研究表现出非常积极的反应，特别本地沙子样本所提供的信息线索，以及世界各地的沙子样本所展示出来的难以想象的多样性。我们推荐同行们通过课堂上的沙子调查来探索地球世界!
　　
　　互联网资源
　　
　　地球历程活动资源：www.nsta.org／highschool／connections.aspx
　　BrooMyn学院地质学网站：http：／／academic.brooklyn.cuny.edu／geology／leveson／core／topics／rocks／rock_texture／rock_texture.html
　　Clay Robinson沙雕城堡活动：www.wtamu.edu／~crobinson／DrDirt／sndcstl.html
　　Folk分类系统：http：／／pubs.usgs.gov／of／2003／of03-001／htmldocs／images／folk.gif
　　Glendale社区学院沙土实验室：http：／／gccweb.gccaz.edu／earthsci／imagearchive／sandsl.htm
　　Google地球搜索：www.google.com／earth／index.html
　　国际沙收藏者协会：www.sandcollectors.org／Picture——Gallex.html
　　国家公园服务：www.nps.gov／index.htm
　　美国科学教师协会(NSTA)会议：www.nsta.org／conferences
　　海洋GLOBE项目：www.msc.uda.edu／oceanglobe／pdf／sandybeachesestuary／sandy_Sand.pdf
　　沙子的科学：www.scienceofsand.info／sand／sandintro.htm
　　沉积岩：www.uxl.eiu.edu／~cfjps／1300／seclrxs.html
　　Shepard分类系统：http：／／pubs.usgs.gov／of／2003／of03-001／htmldocs／images／shephard.gif
　　Wentworth分类系统：http：／／pubs.usgs.gov／of／2003／of03-001／htmldocs／images／chart.Ddf
　　作者：Renee Clary(rclary@geosei.msstate.edu)，密西西比州立大学Dunn-Seiler博物馆馆长，地质学副教授；
　　James Wandersee(jwander@lsu.edu)路易斯安那州立大学生物学教育客座教授。
　　译者：姜景一，中国科协青少年科技中心。
　　
　　参考文献
　　
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