为水力压裂行业提供燃料的美国中西部沙矿

进入露天矿坑几十英尺深处，访客便进入了一个单色的世界，看起来就像《星球大战》中的沙漠行星。四面八方，几乎纯石英砂岩的墙壁耸立着，呈现出未精炼的红糖般闪闪发光的棕褐色，分层着不同的色调。松散的沙子堆放在悬崖底部的小堆中；远处，更大的沙堆正在被装载到巨大的黄色自卸卡车上，这些卡车一次可以运输 70 吨这样的材料。

但他们挖掘的不是埋藏在这堆沙子下面的有价值的矿石或贵金属。这是一个沙矿，在威斯康星州西部有几十个这样的矿。这个州以及中西部其他一些州拥有世界上最好的沙子。

这里的沙子已经开采了一个多世纪。它被用于制造玻璃、铸造厂的铸件，甚至是游乐场和高尔夫球场的沙坑。但在过去 10 到 15 年里，这个行业呈爆炸式增长，因为这种沙子具有特定的特性。它很纯净——几乎完全是石英，也就是二氧化硅——而且颗粒是圆形的。这种组合使得威斯康星的沙子成为另一种采掘业——水力压裂（或称作 frack）——开采天然气和石油的理想材料。

古老海浪和风的塑造

威斯康星大学贝洛伊特学院的地质学副教授、曾任威斯康星地质和自然历史调查局地质学家的 Jay Zambito 表示，塑造这种完美沙子的地质过程可能历时数百万年。

五十亿年前，当这种沙子形成时，威斯康星的地貌与现在大不相同，而且在全球的位置也截然不同。它更靠近赤道，大体上位于一个巨大内陆海的边缘。Zambito 说，当时陆地主要是沙漠，所以海边的沙子在海浪和沙漠风之间来回翻腾。“它一遍又一遍地来回翻腾，直到沙粒最终沉积下来，”他说。

与其他大多数常见矿物相比，石英的化学稳定性更高。因此，当地球表面的岩石被海浪、雨水和风分解成更小的颗粒时，这些矿物大部分都风化掉了，只留下石英砂。Zambito 说，这种持续的运动也有助于沙粒形成球形。（在显微镜下，它们明显是圆形的，但不是完美的球体。然而，在肉眼看来，它们看起来或感觉上与普通的海滩沙子没有太大区别。）

石英的硬度和均匀性使其非常适合用于水力压裂。这个基本过程包括首先垂直钻一个井筒，然后沿着一片页岩水平钻。插入钢管并将其固定在目标位置并穿孔后，通过注入沙子、水和化学物质的混合物来加压井筒。强烈的压力会使周围的页岩破裂；正是通过这些裂缝，石油和天然气才能 along with some of the water and chemicals originally used to pressurize the borehole.（顺带一些最初用于加压井筒的水和化学物质）才能回流到井口。

当导致裂缝产生的初始压力被移除时，沙子可以防止这些裂缝塌陷，基本上将它们撑开。它是众多支撑剂之一，能够承受深处的巨大压力——在破裂前可承受超过 5,000 磅/平方英寸的压力，这对于大多数水力压裂作业来说已经足够了。

水力压裂作业可以使用其他材料作为支撑剂，例如陶瓷颗粒或破碎的核桃壳。但哈里伯顿的技术研究员 Ron Dusterhoft 表示，如今沙子更好，主要是因为它更便宜并且能完成工作，尽管人造支撑剂通常更坚固。

全国各地还有其他沙子供应来源，其中最著名的是德克萨斯州，其沙子通常被称为“德克萨斯棕沙”，与主要来自威斯康星、明尼苏达和伊利诺伊州的“北方白沙”形成对比。德克萨斯州沙子的颜色较深，是由于杂质——除了石英以外的矿物质——导致其强度不如更纯净的沙子。

一些公司使用德克萨斯棕沙，因为它离水力压裂作业点更近，从而节省了运输成本，同时在要求不那么苛刻的矿山中仍能获得足够的结果。但就纯度和抗压强度而言，威斯康星的沙子几乎无与伦比。

并非没有问题

任何形式的开采——从采矿到水力压裂——都会对环境产生影响。在威斯康星州运营沙矿的公司被要求对其开挖的土地进行复垦。在一个这样的矿山，大约有 400 英亩土地正在积极开采，每年有 10 到 40 英亩土地得到复垦。这通常涉及将无法出售的沙子与开采沙子所需的粘土、页岩和表土一起返回，然后种植草和其他本地植物。

Land Stewardship Project 的政策组织者 Johanna Rupprecht 表示，在同样拥有大量优质沙子的邻近明尼苏达州，沙矿开采量要少得多，部分原因是担心采矿对景观和环境的影响。该非营利组织已与明尼苏达州的城镇和县合作，通过了暂停和完全禁止沙矿开采的规定。对许多人来说，这不仅仅是空气和水质量的担忧，“而是土地的固有价值问题，为了石油和天然气行业的利润，将我们的山丘、悬崖和农田这样对待是不对的，”Rupprecht 说。

沙矿开采也可能带来矽肺病的健康风险，这是一种由吸入微小、可吸入的二氧化硅颗粒引起的肺部疾病。Badger Mining Corp.（一家在威斯康星州经营三家矿山的公司）的公共关系经理 Nick Bartol 表示，在矿工接触干燥沙子时，都会遵循严格的安全规程。但威斯康星大学奥克莱尔分校的公共卫生研究人员发现，在沙矿周围发现的某些空气颗粒物（可能包括硅尘）的含量高于 EPA 标准。吸入细颗粒物已与心血管和肺部问题密切相关。

非营利组织 Midwest Environmental Advocates 的律师 Sarah Geers 表示，关于潜在的公共健康影响，尚未进行足够的研究。她谈到居住在沙矿附近的人患矽肺病的风险时说：“我们不确定这是否是一个问题，因为我们只是没有对其进行检测。”

回归大地

回到矿山的单色世界，大型自卸卡车将沙子运往现场的加工设施。在用于水力压裂之前，它仍然需要大量加工：它必须被清洗、按粒径分类、干燥，然后装运，通常通过铁路。

这些坚固的小球体离开地表后不久，就会到达它们的最终归宿——宾夕法尼亚州、北达科他州、德克萨斯州和加拿大等地埋藏在地下的深处。这存在一种奇怪的讽刺：挖掘了数亿年来一直沉睡的沙子，却又将它们送回地下，与近乎同样古老的岩石为伴。

Geoffrey Giller 是一位科学作家和摄影师，他报道野生动物、保护和环境。他的报道得到了新闻与自然资源研究所奖学金的支持。这篇故事最初以印刷版“Mining the Miniscule”的形式出现。