壹、沙粒為地球最常見的微觀物質

英國詩人威廉、布萊克（William Blake）曾寫下「一沙一世界，一花一天堂，無限掌中置，剎那即永恆。（徐志摩譯）」的不朽詩句，從一粒沙看世界（To see a world in a grain of sand）其意義為從一粒沙就可體會大千世界的奧妙。

事實上沙粒是我們最常看到的微觀物質，地球上數量最多的沙粒應為石英砂，因石英是大陸地殼數量第二多的礦物，僅次於長石，但石英卻是地球上分布最廣的礦物。主要因素為長石硬度較小，風化後成為黏土，而石英硬度為7，風化碎裂後呈沙粒狀，容易殘留在地表，成為最常見的礦物顆粒。許多海灘的沙粒大部分由石英顆粒所組成，例如東北角海岸的福隆沙灘，由於雙溪川流域多砂岩地層分布，河川攜帶出來的石英砂就堆積在河口的福隆海灘。為大陸地殼花岡岩地質區的金門縣，及連江縣的南竿與北竿，花崗岩風化後的石英粒造就了這兩個離島美麗的石英砂沙灘，例如金門的料羅灣沙灘 ，北竿的塘后、坂里沙灘等。

這些在海灘的細緻的石英砂雖然每天受波浪激盪的搓磨，單由於硬度大而耐蝕，若藉由顯微鏡觀察，可看出許多顆粒仍維持稜角，圓磨度（roundness）不佳。


圖1. 東北角海岸福隆的石英砂沙灘


圖2. 連江縣北竿坂里的石英砂沙灘.


圖3. 金門料羅灣細緻的石英砂沙灘與波痕


圖4. 北竿機場旁海灘石英砂與貝殼


圖5. 由顯微鏡放大觀察可看出許多海灘石英砂顆粒仍維持稜角，圓磨度不佳

在熱帶及亞熱帶有珊瑚礁生長的海域，沿海淺水域的海藻叢中常有又有孔蟲生長，這些有孔蟲常被海水搬運到海灘沉積，致許多灘沙有很高比例的有孔蟲顆粒，在澎湖、墾丁、綠島等地的海岸都可發現，尤其在以綠蠵龜產卵著名的澎湖望安海灘，有孔蟲顆粒比例甚至可達80%以上。


圖6. 澎湖以有孔蟲顆粒為主的沙灘


圖7. 澎湖望安海灘，有孔蟲顆粒比例甚至可達80%以上

在沿海軟體動物生長良好的海岸淺水海域，海灘常有大量的貝殼堆積，貝殼被波浪營力磨碎後，就成為典型的「貝殼沙」，常見於各地海岸。在不同地質區岩石性質也會影響海灘沙粒的組成，在台灣北海岸，沿海多為大屯火山區的安山岩，風化後其所含的磁鐵礦就會出現在沿海的沙灘，著名的老梅海岸石槽（海蝕溝）旁就可看到。夏威夷大島（夏威夷島）為火山噴發的玄武岩島嶼，海岸的黑色沙灘大部分由玄武岩碎屑所組成。日本九州南部的長崎鼻岬角的火成岩含有許多黑曜岩（灰黑色火山玻璃），使附近的海灘大部分由灰黑色的黑曜岩碎屑顆粒所組成。澳洲西南部海岸常有白色石英砂岩，海灘即初先耀眼炫目的白色灘沙。台灣地層複雜多變，河流常貫穿不同地質區，因此西部海岸常出現不同礦物的混合沙粒，以桃園海岸為例，海灘就出現由板岩碎屑、石英砂、貝殼碎屑，及由沿岸流搬運過來的北海岸磁鐵沙等組成的混合灘沙。

由以上舉例可知，各地海岸灘沙組成非常多樣化，不同的地質狀況，生態環境，各種外營力條件等都會造成影響，這也是「一沙一世界」意義的最佳詮釋。


圖8. 日本北海道的貝殼沙及海膽殼（王郁軒攝）


圖9. 桃園新屋海岸貝殼沙及退潮後的巨型波痕


圖10. 老梅海岸的海蝕溝，石英砂與磁鐵沙（黑色部分）混合


圖11. 夏威夷大島海岸的黑色沙灘大部分由玄武岩碎屑所組成


圖12. 日本九州的長崎鼻海灘大部分由灰黑色的黑曜岩碎屑顆粒所組成


圖13. 長崎鼻海灘大部分由灰黑色的黑曜岩碎屑，白色顆粒為浮石


圖14. 澳洲西南部白色石英砂沙灘


圖15. 桃園海岸由板岩碎屑、石英砂、貝殼碎屑，及來自北海岸磁鐵沙等組成的混合灘沙

 貳、沙粒組成的沙丘如何形成

一、風的侵蝕與搬運

在氣候乾燥地區，由於雨量稀少且無規律，白晝日照強烈，晚間溫度驟降，使物理風化盛行。天然植物稀少，對地面缺少保護，岩石遭受晝夜不息的熱脹冷縮，好像脫殼一般，由表及裡，不斷的剝落，產生許多鬆浮的風化物，一陣大風，便把較細的沙石捲去，搬運相當距離後，在另一地方沈積下來。

在植物較稀少的開闊地區，風是最主要的營力，風對地面的侵蝕，是兩方面的：它一方面進行吹蝕（deflation），把沙石捲去，在海岸沙灘會形成風吹沙；另一方面進行磨蝕（corrasion），用捲去的沙石去撞擊和磨擦受風的岩面。不過，風的磨蝕作用範圍較小，以磨蝕岩面為主；吹蝕作用則可將大範圍的細沙碎石拂捲而去。

風搬運沈積物有兩種主要方式：一是滾動（rolling）及跳動（saltation），以沙粒為主，一是懸浮（suspension），以塵粒或粉沙粒為主（圖16）。


圖16. 風的搬運沈積物方式示意圖

根據估計，約有五分之一到三分之一的沙粒是由滾動方式搬運，其餘則多以跳躍或跳動方式搬運。

較大而較圓的沙粒常受到風吹而沿著地面滾動，向前搬運，其他較小的沙粒因為受到其他顆粒衝擊而上升到空氣之中。當風速到達某一階段的時候，在地面上一個滾動中的沙粒和其他沙粒互撞，結果使第二沙粒衝向空氣中，或使第一沙粒飛躍而起，這就是沙粒的跳動搬運。有時沙粒為風吹起後，經過一段運動距離後再落下，落下來的沙粒再把地面上另一顆沙粒撞擊而跳起，或自己在跳躍上去，或把這地面沙粒推送向前，如此可以使沙粒不斷運送前進。根據估計，約有五分之一到三分之一的沙粒是由滾動方式搬運，其餘則多以跳躍或跳動方式搬運。

塵粒通常是用懸浮的搬運方式，但是塵粒不能完全為風吹送而起，因為貼近地面有一層風的不運動地帶，所以小粒子受此限制不能運動。如果要塵粒飛起，一定要有下降大粒子的衝擊或氣流的突然下降，才可以把塵粒向上舉升到迴旋的氣流中去。塵粒一旦上升後，風的亂流就可以使塵粒懸浮在空氣之中，形成沙塵暴（dust storm）。


圖17. 桃園海岸東北季風強烈，形成風吹沙


圖18. 澳洲西部的波浪岩為風磨蝕造成的凹壁


圖19. 敦煌沙塵暴

二、風的堆積作用形成沙丘

沙粒搬運途中，當遇到障礙物時，氣流就會受到阻滯而發生渦漩減速，沙子便會在此堆積下來，形成沙堆，待沙粒積高，飛越或覆蓋障礙物，向上及向前堆積，形成沙丘；初期沙源較少，可能形成圓錐形的饅頭丘，再互相連結後，視沙源供應的多寡、風向、地表及植被狀況等差異，形成各種形態的沙丘。沙丘最常見於沙漠地區，但也常見於海濱、海岸平原、河岸、冰緣區等地，並做群狀分布。


圖20. 桃園觀音區大潭海岸的饅頭丘


圖21.桃園草漯沙丘地質公園的海岸沙丘


圖22.西藏地區雅魯藏布江旁的河岸沙丘堆積在山麓

 參、沙丘依不同形態可分為數種類型如下：

一、新月丘：沙丘之平面像新月狀者，稱為新月丘。代表沙丘發展初期地形，成孤立小丘，向盛行風向伸展，迎風坡成凸形緩坡，背風坡成凹形急坡，坡面兩端伸展成兩突角形，背風坡超過安定角（一般為28~33度）即崩下。

二、橫沙丘：與盛行風呈垂直方向發展之沙丘，稱橫沙丘。當新月丘數目增加，沙量增加，漸次在盛行風向的直角方向因互相連續而成橫沙丘。為沙丘發展極盛期，由上空看有如大海之風浪。

三、縱沙丘：與盛行風呈一致方向發展之沙丘，稱為縱沙丘。通常遠離沙源地，以致沙分散於廣範圍地區。

四、拋物線狀沙丘：沙層固結，已安定化之舊沙丘，再被吹蝕而成拋物線狀，稱為拋物線狀沙丘。又因其像馬蹄形，故又稱為馬蹄丘。

五、星狀丘:風向不定，沙丘及向各方向延伸的沙丘，較為罕見。

 肆、沙丘的多面貌

除了形態變化，不同的沙礫組成也會使沙丘成為不同面貌，例如美國新墨西哥州白沙沙漠（White sand desert）就有由石膏沙礫組成的雪白色石膏沙丘，遠望如一片白雪，十分罕見。亞利桑那州有由古老的紅色沙岩風化後，紅色沙粒組成的紅色沙丘。近年各國在地球的鄰居火星探勘，也發現多沙塵暴的火星也有許多不同樣貌的沙丘。如此看來，「一沙一世界」更可擴及適用於其他星球上。


圖23. 敦煌的新月丘


圖24. 敦煌的橫沙丘


圖25. 沙漠中的橫沙丘像大海中的波浪，下方白色部分為鹽灘


圖26. 敦煌高大的縱沙丘


圖27. 美國新墨西哥州白沙沙漠（White sand desert）由石膏沙礫組成的沙丘


圖28. 美國亞利桑那州的紅色沙丘


圖29. 火星的新月丘（取材自NASA）