淺談二氧化碳地質封存

最近因為水果日報的報導，使得大家對於二氧化碳地質封存(Geological Carbon sequestration )有很許多疑問，但是在網路上對於二氧化碳地質封存技術，卻充滿了很多不盡然正確的說法。甚至在網路上，有學生標誌了自己的研究實驗室取信於大眾，卻提供不專業也不正確的語言，造成更多的誤解。二氧化碳地質封存是一個最近熱門的話題，其實只要閱讀一些英文報導文章，也不用什麼高深的專業論文，即可大致可以獲得全貌及初步概念。但費雪卻很驚訝的發現不知是懶還是甚麼原因，現在的學生卻對於這類淺顯易懂的英文文章，沒有大量收集閱讀並進行整理，結果雖然是在專業實驗室，卻很粗糙的用一知半解的態度提供我們很多不正確的訊息。這真的是我們專業的警訊，長久以往，將摧毀民眾對我們的專業尊敬與相信!!!!因此費雪認為有必要來說一下二氧化碳地質封存這件事。澄清一些不準確的認知。

碳捕獲與儲藏(Carbon Capture and Storage, CCS)是將人類燃燒石化燃料產生的二氧化碳，利用生物固定、化學固定、或是注入地下岩層儲藏的方式，讓過多的二氧化碳無法在一定時間內循環回到大氣中，以減緩溫室效應的一個手段。而利用注入地下岩層的方式，由於牽涉地質的條件，因此又被稱為(二氧化碳)地質封存技術。

二氧化碳地質封存所考量的地質條件，整理美國能源部及學者的看法，一般包括以下幾種地質條件:

1. 深層鹹水含水層(Deep Saline Aquifers/Formations)

2. 使用中或已耗竭的油氣儲存層(Active/Depleted Oil(Gas) Reservoirs)

3. 深層煤層(Deep Coal Beds)

4. 多孔隙玄武岩層(Porous Basalt)

 

圖一、幾個不同的地質封存條件(引用自http://thetyee.cachefly.net/News/2012/06/25/carbon-sequestration.jpg)

費雪分別將其想法原理、優缺點簡單說明如下:

1. 深層鹹水含水層:

想法原理:

將壓縮後成大密度液態的二氧化碳注入地下深層的鹹水含水層中。一般深層的受壓含水層以砂岩為主，因為深度大，因此其中多為鹹水為主。(造成原因有很多，因為鹽水密度大下沉，淡水密度小會上浮，另外就是在地層中的地層水經過長期的與礦物反應，變成礦物質含量很高的鹹水等都是可能原因)。受壓含水層上下若有滲透率低的阻水層，如頁岩或泥岩存在，可以對液態的水及二氧化碳形成阻隔層，因此不會滲漏回到地表。另外，鹹水中的礦物質會與溶解的二氧化碳反應，形成碳酸鈣沉澱進一步固定碳在地層中。

優點:

n  深層鹹水含水層的分布廣，體積大，有較多的儲存空間，容易選擇適當場址。

n  如果有少量洩漏，解壓的過程將造成二氧化碳沉澱成碳酸鈣，堵塞滲漏通道，達成自封的效果。

缺點:

n  大面積的地層同時也代表滲漏的機會大，如果附近有沒有調查出來的斷層或裂隙存在，將造成未預期的滲漏通道。

n  注入二氧化碳過多將造成水質酸化，會造成地層中的礦物質被溶解，反而致使阻隔層滲漏。

n  深層的地下受壓含水層，若存在大量裂隙，會因為注入液態二氧化碳而造成裂隙的剪移，進而產生微震。而在應力累積的區域，大量的微震往往增加誘發大地震的機率。

 2. 使用中或已耗竭的油氣儲存層:

想法原理:

是將二氧化碳流體打入過去的油氣儲存層或目前還在生產的油氣儲存層中，利用原來儲存油氣的空間，儲存二氧化碳。由於油氣儲存層上方，被油氣封閉構造(例如低滲透率的斷層等地質構造或地層)阻隔，因此可以做為二氧化碳的阻隔層。

 

圖二、注入二氧化碳增加油氣的生產效率示意圖(引用自http://www.socalcarb.org/images/storage_3.jpg)

優點:

-立即可用，加上過去探勘與生產過程已經清楚了解區域地質結構與工程特性，不需再另外評估，開發成本低。

-生產中的油氣儲存庫適度注入二氧化碳將可增加油氣的產量與生產效率。

-由於已經存在地質條件參數，方便二氧化碳回注的操作管理，可以減低意外以及誘發微震的機率。

 

缺點:

-油氣儲存層存在的區域不多，僅有限的油氣田可供選址。

-可儲存二氧化碳空間一般體積較小。

-一般油氣井深度較深，以耗竭的油氣儲存層而言，因為抽取油氣後，多出來的空間一則因為岩層壓密沉陷而減小，一則因為周圍的鹽水立刻補充填滿空隙。因此要回注到大深度已被壓密及鹽水填滿的油氣儲存層，需要回注較大壓力的液態二氧化碳，較為不經濟。

 

3. 深層煤層:

想法原理:

將二氧化碳回注到太深無法經濟開採的煤層中。由於一般煤層孔隙率低，且大多吸附甲烷氣於其中。一般二氧化碳置換甲烷的比例約為1:1到1:3間，因此注入與碳親和力較高的二氧化碳，可以吸附在煤層裏，並置換出甲烷氣(也就是天然氣)。

優點:

-可以儲存二氧化碳，同時生產可利用的煤層天然氣。

 

缺點:

-分布地點有限，可供選擇的地點有限。

-效應與作用類似水力壓裂，會產生微震，在大地應力累積的地區易誘發規模較大的地震。

 

4. 多孔隙玄武岩層

注入由外海的玄武岩層，玄武岩為火山岩的一種，是由裂隙噴發的玄武岩質岩漿凝結形成。因為噴發與流動的過程中常常捕獲許多氣泡於岩漿中，因此玄武岩常常含有很多孔隙。由於玄武岩很容易與溶解二氧化碳或碳酸根離子反應，產生碳酸鈣沉澱於孔隙中，可以進一步將碳固定在地層中。(特別一提:澎湖的文石就是沉澱在玄武岩孔隙中的碳酸鈣沉澱所形成，由於多期沉澱造成沉澱物有一層一層紋理，因此稱之為文石)。

 

圖三、海中的玄武岩層(引用自http://insideclimatenews.org/sites/default/files/imagecache/home_page_slideshow/basalt1-nps.jpg)

優點:

-玄武岩為易化學反應之岩石，可以促進固碳的化學反應。

-海中的玄武岩層上方有海水以及厚的黏土質海相沉積物覆蓋，可以作為阻隔層。

 

缺點:

-海中回注與鑽井作業成本高。

-成效尚待驗證。
 

但是不管哪一種地質條件，都有其風險與地域的不可確定性。所以都要經過調查評估與驗證，確定其可行性才行。費雪昨天聽到一個演講，是國外的學者在談回注造成微震的風險評估，其中談到如何評估風險，發現台灣可能較不重視這些地質風險評估的研究與做法。例如誘發微震風險的計算應該是:”地震加速度”@”發生地震規模一定以上的機率”，乘上”附近一定半徑的人口密度”，乘上”災損的金額期望值”(這個計算是大致是如此的意義，但由於費雪並不是風險評估專家，因此細部可能有誤喔!)。那我們很多開發案都是在人口稠密的地區進行，包括被抨擊的二氧化碳回注試驗，那這個風險計算，雖然可能發生一定規模的地震機率小，但會不會在乘上”人口密度”以及”災損金額”後，這個風險變得很大?也因此國外才會在人口稀少與外海施作二氧化碳回注的封存工程。費雪是覺得台電也好，中油也好，都應該在未來的驗證計畫中，好好的考量並計算風險。特別是公關及教育要做，昨天國外專家一致認為持續與居民溝通、公開透明資訊與教育是在探勘評估階段也好、試驗階段也好、或是營運維護階段也好都要持續努力進行的工作。台電和中油最近被當作全民公敵，費雪個人是覺得這兩個單位應該好好重視科普教育與資訊透明公開的工程啦~長久堅持專業的傲慢不肯接觸科普與居民，是會招致民眾的不信任與偏見啦~~~

更多的資訊，可以見:
http://ccs.tw/
 

 

參考資料:

http://insideclimatenews.org/news/20100105/scientists-suggest-storing-co2-offshore-basalt-formations

http://thetyee.cachefly.net/News/2012/06/25/carbon-sequestration.jpg

http://insideclimatenews.org/sites/default/files/imagecache/home_page_slideshow/basalt1-nps.jpg



 

暗黑的地球物理原力:巫毒地球物理

地球物理學，比起地質學是一門較為年輕的科學。今天費雪要講的，卻是地球物理的黑暗原力那一面，這個黑暗原力在學術圈有個專業名詞，叫”巫毒地球物理”(Voodoo Geophysics)。幾年前國外的地質學界曾經有個笑話: ”對於地球物理探測的結果，通常你只能相信其中的20%，因為另外的80%不是假的，就是無法印證。而那些你認為相信的20%，還有一半是根據鑽井跟地質學家的解釋製造出來的。”。這句話費雪其實不太同意也不太服氣，但是這幾年下來體會一些實際的經驗後，卻不得不承認，其中還是有現在學界及業界正存在的事實。費雪認為，造成這樣錯誤印象的主因，是因為地球物理研究中，混雜了一些”巫毒地球物理”在裡面，才會造成地科研究圈裡有這樣的認知。

 

圖1:巫毒界的暗黑原力

所以費雪我想，就先來跟大家介紹甚麼是”巫毒地球物理”。舉個最近親身經歷的例子而言，有外面的工程顧問公司來找費雪問問題，告訴我外面有哪些國內外學者研發的地球物理儀器如何如何神奇，可以多精準直接知道地下物體的濃度與體積。但是說到這些儀器的物理原理以及精確度，大家卻也搞不清楚，只告訴我這些學者正在申請專利中，因為是專業機密，所以連儀器都神神祕秘不讓人仔細檢視，必須要經過他們內部訓練的專業人員方可接觸操作。這種可以說是標準的”巫毒地球物理”的例子。

通常上述例子中的使用人或研發人，都會告訴大家他的儀器有多神多神，現場實際測試也都能大致掌握地下物體分布，可以取信現場觀眾。但是卻很奇怪的拒絕讓人仔細檢視儀器，也拒絕在受別人控制的未知場址盲測試，提不出對於儀器的精確與準確度科學測試報告，也無法告訴人可能誤差來源，更提不出經過可信的同儕審查的論文印證。這種情況，屬於所謂的地球物理黑暗原力中的刻意騙局(Blatant Scams)。不讓其他科學家檢視與驗證的原因，與其說是為了商業機密，不如說是怕被其他專家拆穿識破。相信經過了費雪一番描述，大家開始對於巫毒地球物理的標準現象，開始有一些模模糊糊的認識了。

但是費雪要告訴大家的是，其實”巫毒地球物理”不只包括像上述的未知儀器的例子。有些使用已知成熟儀器或地球物理技術的學者或專家，也會告訴你他的技術有多神多準，測量的深度之大，解析的物體之小，看到的現象之準，已經到了”張目對日，明察秋毫”的地步了。但是提到可信度的驗證，以及儀器的誤差，以及訊號分析、演算方法適用性與參數設定，這些專家學者卻很習慣一筆含糊帶過。這種國外叫做科學誤導(Misguided Science)。科學誤導者，儀器本身用的是成熟且經過科學印證的物理原理，但是使用者或者是不了解技術的物理原理，或是刻意誇大它的用途與功效。最常見的例子就是像透地雷達，使用的是電磁波，也有堅實的理論基礎，但如果有人告訴你他可以用透地雷達看到地下數百公尺深的構造，那絕對是誇大了透地雷達的功效。因為理論上透地雷達功率衰減的快，一般只能穿透到地下10-20公尺深度，在地下水位面很淺的台灣，因為電磁波在飽和含水地層中衰減的快，速度也慢，因此往往只有5-7公尺的穿透深度。所以要用透地雷達看到10-20公尺以上深度，以現在技術而言是做不太到的(除非是在北極冰層或地下水很深的沙漠)。

 

圖2.透地雷達

另外一種常見的地球物理黑暗原力叫做過度推銷/過度解釋(Over-selling)。使用的是科學上正確的物理原理，也是用受到驗證的地球物理技術以及演算方法進行資料分析。但是卻忽略了技術以及儀器的物理解析極限，並低估了環境雜訊的影響。不過，過度推銷/解釋(Over-selling)算是擦到了黑暗”巫毒地球物理”邊邊的一種行為。Over-selling最常發生在學校的學生身上，有時候連備受尊敬的地球物理學者，也會在不經意的情況下犯這種錯誤。舉個很簡單的例子而言，像透地雷達波、地震波都是遵循波動力學，因此就訊號處理的解析度來說，要分離兩個波所代表的反射面，需要波峰與波峰的間距大於1/2波長，也就是說訊號處理技術理論上最小能解析的地層厚度，要在雷達波或地震波長的1/2以上。有時某些研究的地層分層解釋，來自於地震或雷達波探測，但仔細一算就知道該種地球物理技術解析度沒法看到那麼薄的地層，但是解釋者還可以分層，並計算出在該層中的波速側向變化，實在是很神。最常發生的是因為資料都是交由學生處理，而學生就是發揮”黃金左眼與神之右手” 的功力(就是”參考”鑽井資料來畫定分層反射面)，才會產生這種情況。不過Over-selling只能說是很輕微的染到了黑暗原力，雖然如此，但是如果研究的成果是與工業或資源開發的設計相關，將造成國家社會很大的損失，因此也值得我們要特別注意。

費雪要說一個有名的巫毒地球物理刻意騙局(Blatant Scams)的例子，就是”空中重力波油氣嗅探儀”的故事，1979年有一位名叫波拿所立的義大利人通過中間人的介紹，接觸了法國石油公司Elf Aquitaine(就是大家聽過的Elf機油的母公司，現在改名叫Total)，宣稱發明了一套通過空中重力波偵測，可以探測油氣的設備。Elf的經理於是把波拿所立的設備(包在厚厚的遮蔽簾幕下)帶上飛機，飛越已知的油氣田。而該儀器在正確的時刻與地點響起了偵測到物體的聲音，並且在螢幕上顯示不明的條紋影像。(不幸的是該測試竟然是在沒有任何該公司科學家的參與，也無法仔細檢視儀器的情況下進行的。)。Elf很快的跟波拿所立簽了一個8千萬美元的初期合約，而且竟然還承諾不需知道任何儀器的原理。更神奇的是，在多次重複測試發現無法正確顯示油氣位置後，波拿所立解釋是因為儀器過於靈敏，Elf還又跟他再簽了一個1 億3千萬美元的後續授權合約。但是最後，Elf開始產生了懷疑，於是要求波拿所立讓他們檢視儀器。波拿所立答應讓Elf技術人員很短的檢視他的儀器外觀並拍照。結果該公司的技術人員檢視後，懷疑他們看到的僅是一個很簡單的訊號產生器而已。最後Elf公司乾脆請來著名的物理學家哈露維茲，哈露維茲要求波拿所立重新展示它儀器的部分功能，也就是穿牆偵測能力，哈露維茲將一隻尺放在牆的一側，結果波拿所立的儀器在偵測後，準確的呈現了一個直方體的形狀---只是哈露維茲在放尺的時候，故意把尺凹折了90度…………..結果當然是騙局被拆穿，波拿所立逃到外國，但Elf也因為草率投資而慘痛損失1億5千萬美金。

圖3 Elf石油公司標誌

那要如何分辨”巫毒地球物理”呢?根據加拿大Furgo空中探測公司的Greg Hodges的整理，屬於”巫毒地球物理”的黑暗原力，往往呈現以下的幾個特徵或其中之一:

1. 由一人或數人公司發明的獨一無二的儀器，市場上無其他類似儀器。

2. 有限的提供服務，並不外租，只能經過有受訓的該公司人員操作。

3. 現地驗證需要經過特別”調校”。

4. 非常簡單的現地試驗(忽略一般環境下會有的雜訊等條件)。

5. 無與倫比的儀器能力，例如極大的探測深度、很高的準確度、很精細的解析度。

6. 令人懷疑的物理理論基礎。

7. 令人懷疑的解釋與解釋方法。

8. 非凡的解釋能力，超出了物理解析能力以外。

9. 非技術專業的行銷手法，沒有適當的技術文件與認證。

10. 所有的量測方法與儀器都視為秘密不公開或半公開。

為了地球物理科學的健康發展，費雪想，大家還是要明辨”巫毒地球物理”，避免染到黑暗原力，造成自己以及國家社會的重大損失!!!

頁岩氣的五大迷思~從很多的專業誤解說起

前面費雪講到頁岩氣是美國總統歐巴馬在2012年國情咨文中明確表態將大力支持發展的新能源之一。認為美國頁岩氣的蘊藏將可供美國約100年的使用無虞，也將因為頁岩氣的開採，十年內可增加約60萬個美國本土的就業機會。也因此，頁岩氣在最近的能源議題裏變的超火紅。然而，費雪最近看了許多新聞以及電視報導，對於頁岩氣有很多的描述，但是其中大約50%以上都是有極大的資訊錯誤，所以今天費雪想好好的來談一下頁岩氣，在科學論證以及經濟報導中的誤解與迷思，以及真實的資訊。

在所有報導裏，最常見的五大迷思，費雪就一一羅列於後並附加解釋供大家參考看看:

迷思一: 頁岩油或是頁岩氣?

費雪解釋: 在部分的報導中，記者對於頁岩油或是頁岩氣?常常敘述混用，傻傻分不清楚。費雪先來解釋一下，石油(oil)是石油，天然氣(Gas)是天然氣，雖然老美常常簡稱Gasoline(汽油)為Gas，但是在地質的儲藏與意義上，兩者是不一樣的。在地層中儲藏的資源，通常石油比較少，而天然氣較多。這是因為石油要形成，所需要的油母質(能夠形成石油的有機泥質物質)的成熟度與種類，要比形成天然氣的條件嚴苛的多。而一般我們依照天然氣形成的地質資源條件，分成”傳統天然氣資源”與”非傳統天然氣資源”兩大類。傳統天然氣資源多半是由在地層中，經過百萬年移棲並且富集在疏鬆儲存地層中的天然氣組成。又可因為是否與石油一起存在，分為”伴生(石油)移棲氣”(Associated gas)，跟”非伴生(石油)移棲氣”(Non-associated gas)。其他非傳統天然氣資源，則是存在產生天然氣的有機泥質地層中或附近，因為孔隙率及滲透率小，來不及移棲的天然氣。根據存在的位置移及有機泥層的組成，又可分成煤層氣(Coal-bed gas)、緊滯砂層氣(Tight sand gas)、以及頁岩氣(Shale gas)。當然若有適當成熟條件，來不及移棲的，不是只有天然氣，還有石油。因此也有所謂的緊滯砂層油(Tight oil)，以及頁岩油(Shale oil)。少數的頁岩氣蘊藏帶，會同時有頁岩油以及頁岩氣的儲藏。但多數的只有天然氣，沒有石油，所以頁岩氣與頁岩油是不一樣的!!!!

 

圖1.各種天然氣的成因與蘊藏

迷思二:頁岩氣開採是使用水力壓裂法，因為注入超過一百種以上化學液體，而有很大的汙染問題!

費雪解釋: 有些頁岩氣開採井存在嚴重的環境汙染問題，但也不是所有頁岩氣開採井都有環境汙染問題。主要是因為地質組成與開採深度各地不同。先來說壓裂液，這些液體90%是水，9.5%是沙，小於0.5%的化學藥劑如酸、樹脂、KCl(抗膨劑)、殺菌劑、以及有機脫附劑..等，很多是我們日常生活會接觸到的東西，其實都需嚴格經過美國相關單位的驗證與准許才可以注入地下。但是真正有毒的是來自於壓裂過程中，不慎因壓裂裂隙連通至上層含水層，而從泥頁岩中滲出的甲烷、有機質與腐植質(易致癌)。所以我們看國外影片，水龍頭打開可以點燃，那是因為地下水層混入了頁岩氣造成的人工"水火同源"。

再者，美國的頁岩氣開採的泥質地層往往較薄，平均厚度在150-200公尺之間。岩層埋藏深度則不一，有的只有一、二百公尺，有的深達4000公尺。所以需要先垂質鑽到泥質地層的深度，再水平沿著泥質地層中鑽鑿水平孔作水力壓裂。深度淺的，只要一施工不慎，往往會造成上述環保問題，可是這並不是技術本身有問題，而是施工的人的安全管理有問題。這就像是有一些人蓋房子偷工減料，造成房屋傾斜，危及到鄰居的安全。但是大家卻因這樣就說:”蓋房子是有很大的危險的，以後所有人通通不准在此蓋房子!”是一樣的道理，應該追究的，應該是施作工程的人有沒有照規範進行工程，監工的人有沒有盡責監督，驗收的人有沒有仔細檢查缺失，而不應該因噎廢食。

 圖2.水力壓裂法添加物以及對應在日常生活上之用品(from USDOE: http://www.americanthinker.com/articles/assets/Fracking%20Farce.png )

迷思三:中國擁有全世界最大的頁岩氣蘊藏，但中國沒有水力壓裂這種高級技術，所以現在無法開採，要像歐美等先進國家購買以及學習經驗，短期內仍跟美國無法匹敵。

 費雪解釋: 中國不是沒有壓裂技術。壓裂技術首先在1940年代即出現。不是甚麼特別高科技的東西，但是控制定向水平鑽的方向需要經驗與微震監測技術。經驗的話，大陸現在比較傾向先開煤層氣(Coal-bed gas)，目前有幾個案子在做，他們打的算盤是利用煤層氣先來練兵學經驗。而微震監測，是用來確定裂隙範圍的，但這對中國也不是難題，老實說，中國現在滿手是$$，監測技術與軟體我一個大陸同學研發的東西早已賣遍了幾個美國頁岩氣公司，現在這個同學被挖回去在大陸任職。中國大陸為什麼不開頁岩氣，費雪跟幾個大陸同行聊過後的認知是:因為他們不是傻瓜，現在頁岩氣開採成本4美元/MMBTU,在美國這些小公司競相開採下，市場價壓到3美元/MMBTU。現在開叫做損人不利己，大陸同胞不是白痴，他們比台灣還資本主義!(按:2012年中國大陸9月已經開放20個頁岩氣礦區探勘權，供國內與國內外合資公司競標。)

 圖3.中國大陸2013年開放競標之頁岩氣探勘礦區

迷思四:根據中油以及工研院的評估，台灣沒有具經濟價值的頁岩氣蘊藏。

費雪解釋: 台灣已證實西南部古亭坑泥岩區域有頁岩氣蘊藏(許多泥火山露頭，泥火山噴氣超過80%是甲烷)，存量未經正式評估，根據費雪以美國類似成熟度條件，較低氣體蘊藏量的頁岩氣田參數所作的非正式初估，台灣西南部陸上泥岩區可能有約4-8Tcf頁岩氣蘊藏,約可供台灣10-15年使用。因多數(80%)是用來發電，若僅供民生使用，約可供使用50-75年。

另外，工研院資料來自中油，中油用穿井(Perforated method)方法的開採傳統石油天然氣評估法，根據幾口開鑿在台南地區的鑽井，評估古亭坑泥岩區域，由於試鑽是乾井(不出有價值的油氣)，所以過去認為沒有蘊藏。但是頁岩氣屬於非傳統能源，開採是水力壓裂(Fracking)方法，是利用壓裂增加表面積，讓不相互連通的孔隙中的游離天然氣逸散出來。打個比方，前者(穿孔方法)像是用吸管喝泡沫紅茶，一吸就上來，後者(水力壓裂)像是用粗吸管喝冰沙，要攪一攪、戳一戳讓一些冰融化，才吸得上來。因此若用細吸管吸冰沙，一吸吸不到甚麼，你就會覺得怎麼沒料，而會把整杯冰沙丟掉!!費雪要說的是，這就是評估方法與觀念不同，導致過去一直認為台灣沒有蘊藏。

 圖4.左:水力壓裂法。右:傳統穿井法

迷思五: 水力壓裂會有引發地震的危險。

費雪解釋:水力壓裂技術就像喝冰砂一樣，凍硬了總要用吸管戳一戳個幾次騰出一些空間來融化，這個戳的過程會產生震動，也就是”微地震”。但一般我們再用力戳，每次的戳鬆的範圍也還是有限，力道也有限，因此產生的震動也有限。所以目前一般水力壓裂所直接產生的地震規模多在3以下。像美國的Barnett shale一般在規模1-2間。規模三以下的地震，通常是屬於震度較小甚或無感的地震。因此是不會直接引起大地震的。

但是大家怕的是"誘發型地震"，是由於很多微震，誘發大地應力釋放產生較大的地震。這道理就如同汽車鈑金凹陷，修車師傅有時會先拿木槌在凹陷邊緣小心輕輕敲，給他一些小的震動力~然後過一陣子會聽到"波"一聲，大面積的凹陷金屬片竟然神奇的彈回來，同時產生很大的回彈力道一樣。但是這有幾個前提:1.金屬要還有彈性，不是永久形變或是已經變成像補土一般的塑性物質。2.要有適當凹陷程度的金屬板金存在，一片平整或只有被冰雹打的一小坑一小坑的金屬片，是沒法用這種方法"誘發"彈性釋放能量的。(當然，費雪這裏講的是科普簡化版，真正的誘發機制要複雜難解是多了)。前面講到台灣西南部古亭坑泥岩區有頁岩氣的蘊藏，那在這種地方用水力壓裂開頁岩氣，會不會誘發地震?多數科學家認為，這地區因為泥岩層厚達4000公尺以上，加上泥岩相對是較塑性的岩石材料，應力很難被累積，因此發生大地震的機率是不高的。從過去的資料也可以看到，從台南到高雄鳳山一帶的古亭坑層地區，過去地震比起台灣其他地區，不管是次數以及規模都要小了許多。

圖5.台灣地震分佈(注意台灣西南部泥岩區域的空白帶, from Hsu.shihhung:http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Taiwan_seismicity.jpg )

風水地質學(二):災兇格局-氣篇

費雪前一個月由於處理了一些教育學生上的麻煩事，因此部落格著實又稍稍荒廢了一陣子。今天再來談談風水吧。上次災兇格局的水篇中提到，在風水最初的寶典:郭樸的《葬經》中提到:「氣乘風則散，借水則止。古人聚之使不散，行之使有止，故謂之風水」。因此我們可以認知到氣乃是風水裏討論的核心根本。中國人很早就認識到大地的蒸散作用、氣流、降雨是有複雜的交互關係。古人提到過：「夫土者氣之體，有土斯有氣；氣者水之母，有氣斯有母。」更由此演生出中國人有土斯有財的觀念。因此費雪可要好好談一下「氣」跟地質有甚麼密切關係。

首先要談的是地質的板塊構造的作用跟氣流或天氣型態的影響，先從大的格局來看，現在的科學家早已經認識板塊構造，是形成我們現在地球上，不同地理區域有各自獨特氣候型態的主要原因。例如，中國的秦嶺-大別山，是一個中國南北方的氣候變遷重要界線。而秦嶺-大別山則同時也是中國的華北古板塊與揚子古板塊碰撞的縫合帶。界由山體的高度，阻擋了多數來自北方西伯利亞南下的寒冷季風，也同時減低了南方北上的暖濕季風中含有的水氣，形成中國北方乾冷，南方暖濕的基本氣候格局。縫合帶的山脈多半高度較高，往往在迎風面形成季風氣流的屏障，因此中國古代，山南水北之地叫做陽，山北水南之地稱為陰。(這是中國城市地名中有”漢陽”、”淮陰”…的由來)。這一點，費雪已經在前面來龍形勢與災兇一篇中詳述，在此就不再贅述了。這裏要再作說明的是，以人體來比喻:板塊構造決定了先天的氣(流)場的強度，但是要注意的是氣(流)過而傷，氣(流)散而需，也因此迎旺盛季風面的要注意有過大的降雨產生災害，背季風面的則要注意常有乾旱的極端氣候，產生經濟上的災厄損失。

另外就是小的地質構造，例如斷層、節理跟「氣」的關係。費雪曾經在前面的風水地質學章節提到，斷層節理就像是人體的經脈與血脈一樣，是地下水跟大地應變傳遞的通道或是節點，決定了(水)氣的循環程度。節理或是斷層在自然狀況並非單獨出現，而是成對(兩或三對)出現，學術上有個專業名詞叫作共軛節理或是共軛斷層。地震產生的斷面，會有一組是主要錯動的斷層面，另外的則為共軛的破裂面。所以，往往這種斷層或節理延伸就會形成像魚骨狀的結構。在主要節理或是斷層發育密集的的沿線一定範圍內，會存在發達的共軛「魚骨」結構，所以會有一個範圍的「斷層帶」。

 

圖一、共軛的破裂面與主要斷層形成魚骨狀構造的發育過程

 

較古老的斷層帶，水氣沿著斷層帶入滲，經過日積月累風化，讓斷層帶範圍內變成厚層細質(粘土質)的土壤。這種細質的土壤排水通常不良，水氣淺而容易蒸散或甚至形成地表溢流，這類地區先天上較潮濕，濕氣重且多為淺根性的植物分佈。若處於前面所說的迎季風氣流的坡面，往往因過多的降雨，導致排水不良，很容易在坡邊形成淺層的弧型滑動。例如政治大學後山，在前幾年發生的貓空纜車塔柱下方滑坡的事件，或是在更早年的荖泉里滑坡事件，其實就是新店斷層帶的風化厚土層中發生之淺層弧型滑坡事件，就風水地質觀點，是屬於「氣」流通不良，所引起的災厄。

 

 

圖二、政大後山貓空纜車塔柱下方，新店斷層擾動帶的淺層弧型滑動

人們看不到，默默的在節理裂隙帶中傳遞的水「氣」，還會用另一種方式產生居住的極大危機，那就是順向坡的滑動，不同於前面斷層帶厚土的淺層弧型滑動破壞，這種破壞是發生於岩石坡的深層的破壞。如果只是順向坡，沒有發達的節理存在，常常還未必能發生順向坡滑動，通常這類順向坡滑動，都屬於共軛節理面切割出來的契型體的滑動，水氣沿著節理面下深至深層，減弱了底層的摩擦力，加上兩側節理已經切穿削弱了岩層的凝聚強度，本來已經岌岌可危。如果人為的切斷坡腳，噴漿加上擋土牆。等於是截斷了水「氣」流通管道，往往產生極大的滑動破壞，像是台北汐止的林肯大郡災變，以及國道三號基隆七堵段的滑坡，都是屬於這一類截斷「氣」流通管道所產生的災厄。

 

圖三、國道三號基隆七堵段因砍斷坡腳引起的順層滑動

所以說，地質災害，常常是與地氣(水氣)的盈虛與循環有關係，板塊構造的形態決定先天氣盈與氣虛，氣太旺或太少，決定了居住地域的乾濕與溫度變化，也因此決定了災害發生的頻率，要注意迎旺盛季風面「氣過而傷」，背季風面地域「氣散而虛」。而地質構造的分佈與形態，決定了氣的循環是否順暢，「氣滯則礙」，因此要注意細質(粘土質)風化土壤中發生的淺層滑坡災害；而「氣斷則亡」，要注意節理發達的岩層地域，因為人為開發切斷水氣循環，從而造成重大的傷亡與財產損失啊!!所以費雪要做個文言文的小結:「地者氣之本，地脈氣所依，氣過而傷，氣散而虛，氣滯乃礙，氣斷則亡」!

台灣地質聊齋:被忽略了的本土頁岩氣?!!!!!

最近日本成功成為開採深海的天然氣水合物(可燃冰)的第一個國家，使得新能源的開發又成為目前的一個熱門議題。但事實上，最近最為成功的新能源開發，並不是可燃冰，而是頁岩氣(Shale Gas)。其中尤其以美國、澳洲等國家，已經成功用水力壓裂法(Hydro-fracturing，或又被稱為Fracking技術)，商業生產頁岩氣，每百萬BTU的頁岩氣價格因此降至約3美元。根據美國能源資訊協會的估計，美國在2011年的頁岩氣生產，已經占全國天然氣生產量約23%，預估在2020年之前，美國由於頁岩氣的生產，將從能源進口國變為能源出口國，因此這波頁岩氣的開採發展，又被稱之為頁岩氣革命。

圖一、頁岩氣的生產，抵銷了傳統天然氣生產下降的趨勢

既然頁岩氣的經濟效益看來並不低，那台灣有沒有頁岩氣的蘊藏可能呢?這個答案是肯定的，也就是說台灣有頁岩氣的蘊藏潛能，只可惜過去被忽略了。在中油的估計裏，台灣的頁岩氣儲量一直被認為並不多，因此官方對於頁岩氣的討論多半集中於後續的進口與國外頁岩氣田的掌握。但是，所謂的頁岩氣革命，與其說是水力壓裂等技術上的革新，毋寧說是觀念上的革新，因為相關開發技術在上世紀80年代後就已存在。過去開採油氣，探勘與開採的重點是要有良好封閉的儲存層，通常是組成較為疏鬆的砂岩或是石灰岩層。油氣從含有油母質(有機泥質)的地層中生成，然後慢慢的移棲到儲存層中，這個過程可能要花上數萬甚至數百萬年，也因此存有大量油氣的儲存層是較為稀少珍貴的。

圖二、傳統石油及天然氣的開採觀念-找儲存層以及封閉構造

而頁岩氣的觀念革命，就是利用水力壓裂技術，直接開採含有機泥質地層中的油氣，由於含有機泥質地層中，因為滲透性差，往往存在有大量尚未移棲的天然氣，所以可以利用水力壓裂法開採，提供更多的天然氣來源。但是頁岩氣這個名詞，很容易讓人直覺的以為指的是存在頁岩中的天然氣體。但是其實並不然，可以產頁岩氣的岩層，可以包括含有機泥質成分的頁岩、泥岩、甚至泥質的粉砂岩等岩層。岩層中的有機泥質成分與分解/成熟程度，才是產生頁岩氣的關鍵。不含大量泥質成分的頁岩，也很難有價值開採的頁岩氣蘊藏。

圖三、頁岩氣開採的觀念以及技術示意圖

過去中油對於頁岩氣的探勘，多半還是依循傳統的探勘觀念，尋找台灣疏鬆的岩層中可能的封閉構造與儲存層。也因此在99年度中油研發計畫「台灣竹苗地區頁岩氣潛能評估-資料整合及頁岩氣評估技術建立」中，對於頁岩氣的潛能結論是：臺灣地區最具油氣探勘潛能的西北地區之木山層(疏鬆砂岩為主地層)與五指山層(石英砂岩為主地層)產氣潛能佳。但卻忽略了台灣分佈範圍很廣的泥質地層之頁岩氣可能性。

圖四、美國地質調查所所繪製地區煤(或天然氣)的可能蘊藏沉積盆地
 

台灣在西南部、恆春以及東部各個區域，都有泥岩分佈，其中分佈最廣的是西南部泥岩地區，分佈範圍北自新營附近的龜重溪，南到高雄壽山與旗楠公路附近的丘陵，涵蓋面積超過一千平方公里，厚度在數千公尺以上。其中有多處地區，有噴發大量氣體的泥火山的分佈，過去的研究顯示這些氣體主要為甲烷（80%以上）、空氣（氮、氧等氣體，約1~10%）與二氧化碳（約1~5％），估計臺灣地區陸上泥火山噴口每年排放可達約2000公噸甲烷氣體。另外，過去中油曾在南部泥岩地區鑽鑿5000公尺深井，取出的樣本發現粘土礦物多數為伊利石，總有機碳含量在0.5%~1%。均大致與國外產頁岩氣之泥質地層相當。雖然在過去資料中，發現台灣西南部泥岩的天然氣來源有機物成熟度較低(約在0.5~1.2%Ro間)，但最近美國在東北部泥盆紀頁岩盆地的研究，發現在過去認為的低成熟度地層(約在0.6%Ro以上)也有大量頁岩氣的蘊藏。由於近年來地球科學界對於資源評估的觀念與認知的革命，也讓我們重新檢視台灣的泥岩，應該有極佳潛力作為頁岩氣的開發目標層。

圖五、台灣南部泥火山以及經由地球物理探測的泥火山底下連通的淺層裂隙
 

其實台灣現在也已經有小規模的開發頁岩氣作為家庭使用的實際例子，利如在上述的泥岩區域，有部分人家也會開鑿淺井，然後收集井中自然溢出的天然氣，作為泡茶煮水，或是燒熱水洗浴之用。因此在台灣西南部泥岩區域，適當的選擇場址，用水力壓裂法開發頁岩氣應該是極有潛力的。雖然我們可以拼湊過去零星學者的研究，大致顯示泥岩區域是有頁岩氣的蘊藏，可惜官方並未有系統的針對以頁岩氣開發為目的，進行相關探勘與試產技術研究。雖然國外的案例，對於頁岩氣直接、間接造成的環保問題也有很多討論。不過在台灣泥岩層的很多地方，泥火山的頻繁氣體噴發甚至自燃，已經造成地區居民的很多不便以及危險。與其讓這些地區的天然氣白白溢散到大氣中，造成空氣汙染以及加劇溫室效應，那為何不將泥岩的頁岩氣視為大自然的恩賜，作適當的利用並回饋居民呢?

圖六、泥火山突然噴發造成災害