地質學家的特徵

費雪最近看了幾篇有趣的文章，提到了國內外社會大眾對地質學家的幾個有趣印象，如果一般人要在一群人中，辨認出地質學家，可以根據以下的地質學家特徵來按圖索驥，通常只要符合其中三項，那這個傢伙是從事地質相關行業的工作人員應該錯不了:

特徵1. 地質學家是一群愛喝酒的酒蟲，如果有三個以上的地質學家聚在一起，通常他們的桌上或手上一定會有酒。

 

圖1.成熟的地質學家向年輕的地質學家示範如何在喝酒之前做好準備(感謝張中白教授(上圖)與顏君毅教授(下圖)親自示範)

 

特徵2. 通常地質學家的配偶，或伴侶，或是婚外情的對象，還是地質學家或地質學學生。

 

特徵3. 喜歡拍照，但他們拍人像照的目的多半只是要把人像當成比例尺用。

特徵4. 地質學家多半是是戀物狂，因為他們常常會幫自己的地質槌拍各種不同姿勢的照片。

特徵5. 拍照時習慣會放尺或原子筆或槌子當作比例尺，是地質學家的習慣。所以他們生日蛋糕上通常放的是比例尺，而不是蠟燭。

特徵6. 地質學家上廁所時，通常會盯著牆壁發呆，看看牆壁上嵌的到底是花崗岩，或是石灰岩。如果牆上有S型或Z型的龜裂，會很認真地研究剪力方向。(感謝黃鐘大大的補充!)

特徵7. 在收集石頭的時候會喃喃自語說:這真是個可以做聖誕節禮物的好東西。

特徵8. 地質學家是會幫他的槌子和羅盤配一副專屬皮套的人。

特徵9. 地質學家說:”gneiss cleavage”時通常會是一副認真單純的表情，因為他真的沒有淫蕩的意思。(注:Nice cleveage指發育良好的ㄖㄨˇ溝)。

特徵10. 通常會記得岩石、礦物或是化石的名稱，或是岩層的年代，卻記不住老婆或女友的生日，或是老媽的年紀。

特徵11. 地質學家走路時習慣看腳下，看看會不會踢到化石或稀有的礦石。

特徵12. 爬了兩個小時的山路，只為看被地震錯開5公分的一道裂縫。

特徵13. 會做以下的愛情詩給女朋友，像是: “你是斷層的上盤，我是斷層的下盤。儘管有時候，我們會有短暫的摩擦。但是，我們永遠不會分離！而且，我會一直把你扛在我的肩上”。或是像: ” 我是頑固不化的花崗岩，你是無堅不催的熔岩流。把我捕虜，直到下一個百萬年”之類的歪詩。

特徵14. 知道陽起石沒有壯陽功效，但電氣石會產生電。

 
特徵15. 這點只有台灣及福建的地質學家適用:會用”方鉛礦”(Galena)罵人。

老狗還是新把戲?-再談頁岩氣的開發技術:水力壓裂法

水力壓裂技術Hydraulic Fracturing(又被稱為水裂法Fracking)，催生了從北達科他州的巴肯(Bakken)，到賓州的馬塞勒斯(Marcellus)，以及德州的Barnett頁岩氣生產革命。不只如此，也引起隨之而來的抗議聲浪。曾經主演好萊塢影片心靈勇氣(Promised Land)的男星麥特·戴蒙(Matt Damon)(此片內容即是探討頁岩氣開採狂熱的環保與開發議題)，曾經於今年初(2013)發表了以下關於水力壓裂的看法：

“紐約州長科莫已下令暫停頁岩氣的開發許可，他希望以科學態度來檢視頁岩氣開發的安全行為。這看起來是一個理性的態度。因為冒然狂熱投入一個沒有驗證過的新技術，是一個不理性的作法。特別是我們已經開始聽到許多的抱怨與投訴，且讓我們拭目以待接下來的發展………”這是大家對於開發頁岩氣的水力壓裂技術的普遍印象。費雪聽到媒體很多對頁岩氣開發的疑懼與質疑，幾乎圍繞在幾個問題上，包括水力壓裂是個高級技術、水力壓裂注入地下許多有毒物質、是個沒驗證過的高風險技術………等等。

但，水力壓裂技術是一個沒有驗證過的高級技術嗎?而大家正要貿然投入這個高風險的新技術嗎?

費雪要說的是，不僅麥特戴蒙，就連很多媒體或專家也會驚訝，水力壓裂技術，最早可以追溯到美國南北戰爭左右的時間。最早運用於油氣井大規模的商業生產，開始於上世紀1940年代末期。也就是說，它是一個老技術，而且在油氣商業生產上已經被使用了至少超過60年以上。至目前為止，施用或曾經運用水力壓裂法開鑿的油氣井，已經超過百萬口。

所以，如果要說水力壓裂技術的運用是”貿然投入沒有驗證過的新技術”，這句話應該是不正確的。因為這是一個成熟的老技術。它最早起源於西元1866年（也就是147年前），美國內戰的退役上校愛德華·羅伯茨，申請並獲得了美國專利59,936號的發明權利。羅伯茨的發明被簡單地稱為“爆炸魚雷(Exploding Torpedo)”或是”羅伯茨魚雷”，它的發明創意，來自於羅伯茨上校在維吉尼亞州弗雷德里克斯堡戰役中，目睹南方邦聯軍隊發射的砲彈，在鑽入縱橫於戰場上的灌溉堤道後爆炸而來。這個觀察帶給他一個靈感，他稱之為 “上層液體填塞爆破”。 羅伯茨上校的設計，包括一個鐵盒，中間填入15至20磅不等的黑火藥，從注滿水的油井置入到需要爆破的深度，然後透過導線引爆，可以有效的集中爆破產生的震波於附近含油氣的地層，讓地層的裂隙增大。該技術幾乎立刻受到業界的採用。一些油井在爆破後一個星期內，石油產量可以增加超過10倍，羅伯茨石油魚雷公司因此業務蓬勃發展。雖然時至今日，很少有人知道這回事，但羅伯茨“爆炸魚雷”的誕生，卻是現代頁岩水力壓裂技術的濫觴。之後的幾十年來，類似的井下爆炸增產技術一直被廣泛用於油井的生產上，只是並非採用“爆炸魚雷”，而是使用鑽井用硝化甘油引爆來增加井的生產。

圖一、羅伯茨的發明專利“爆炸魚雷(Exploding Torpedo)”

井下硝化甘油引爆增產技術，被一直使用到1989年。但是脫胎於羅伯茨魚雷的水力壓裂技術，在1930年代之後又進入了另一個革命性發展。當時人們開始使用非爆炸性的酸液，運用壓力注入地下，以腐蝕擴增油氣儲存層的裂隙。1940年代，史丹諾林(Stanolind)石油和天然氣公司的弗洛伊德 哈里斯，仔細的研究了注入壓力以及輸出產量之間的關係，建立了水力壓裂技術的工程與科學基礎。史丹諾林公司在1947年，於堪薩斯州格蘭特縣的休格頓天然氣田，首次利用超過1000加侖的膠狀汽油混合砂子作為注入流體，在石灰岩層中進行了接近現在作法的水力壓裂實驗。首次商業生產中使用現代的水力壓裂法，則是由哈里伯頓公司，在1949年於奧克拉荷馬以及德州所進行的。在取得了專利權後，該公司在一年內用水裂法處理了332口油井，平均每口井增加了75%的石油生產量。該專利在1968年到期，因此開啟了水力壓裂的大門，紛紛為其他公司所仿效。

圖二、史丹諾林公司1947年的休格頓天然氣田試驗

今天所使用的水力壓裂技術在1998年開始被用來在泥質頁岩中提取頁岩氣。這種技術有時也被稱為水平黏滑液(slickwater)水力壓裂法，這種方法使用​​各種不同的流體，包括凝膠和泡沫。水力壓裂法也使用支撐劑，例如砂或陶瓷顆粒，以使水力壓裂產生的裂隙能夠保持開放。被稱之為頁岩氣之父的喬治米契，在1952年於德州Fort Worth附近接手別人認為貧瘠的油氣井，由於喬治米契聰明的採用了先前提到的水力壓裂技術，增加了油氣產量因此讓米契能源公司賺了大錢。但是他在後來長達30年的採油經驗中，卻發現鑽井的井測資料顯示，在鑽過很緻密的頁岩層時，卻也顯是有大量天然氣的存在癥候。因此從1982年起，該公司就致力於實驗改良水力壓裂技術，測是各種黏滑液的成分配比，當時雖然他可以壓裂頁岩，但隨後的黏滑液卻堵塞了天然氣溢出的裂隙，使得僅有非常少量的頁岩氣能被產出。到了1998年，喬治米契終於獲得突破，從頁岩中成功產出了可觀的頁岩氣。但是，同時他也耗盡了手上的現金，不得不在1999年將米契能源公司公開在市場出售。當時所有的中大型石油公司均不看好他所發展出來在頁岩中產氣的水力壓裂技術，因此根本沒有人有興趣購買米契能源公司。直到西元2000年，現在的頁岩氣巨擘，德文能源公司(Devon Energy Corp.)的總裁拉瑞尼可，慧眼獨具買下了米契能源公司，從此以後開啟了近十年以來的頁岩氣革命。

圖二、頁岩氣之父喬治米契(引自Rigzone)(died 2013/7/27 at age94)

所以，說完這個故事，不曉得還有沒有人認為”水力壓裂”是個新的未經驗證的技術”呢?很多人反對各種開發，是基於他對環保信念的堅持。但費雪最近讀了東野圭吾的”真夏方程式”(也就是天才伽利略教授的電影版原著)，裏面湯川學副教授對著環保人士這樣說:

“你或許是環保的專家，但對科學是門外漢吧?..........如果你想雙贏，就必須雙方都有相當的知識與經驗，認為只重是一方就夠的想法，是一種傲慢的態度。要尊重對方的工作與想法，才是擴展雙方之道。”費雪我也這麼認為，如果抱著各種先入為主的誤解去討論頁岩氣或各種能源的開發問題，是不會得到任何妥協與雙贏的機會的，希望大家要引以為鑑。

地質粉彩系列之藥物篇: 療癒系礦物:黏土藥不藥?

今天費雪要來續一下老婆大人交代的任務，因為費雪家裡的大人又再度抱怨每次我寫的太硬太艱難，穿插太多無趣的專業名詞，因此外行人很難讀得下去。為顧及廣大女性及非專業的讀者們興趣。費雪要來續一下關於你我食衣住行，生活周遭會遇到的地質粉彩系列。

今天費雪要來談一下一個具有神奇功效的地質礦物。那就是黏土。大家小時候都玩過黏土，也知道黏土經過手捏或拉坯塑形後，經過高溫燒製，可以變成陶瓷器。但是比較少人知道，黏土其實介入了你我生活實在很深，包括我們生病時的用藥，有時候都會有黏土的成分在裏面，只是你我不知道而已。

圖1、藥裏面有時會有黏土成分

黏土礦物可以分為三大族群，包括高嶺土石(Kaolinite)、伊利石(Illite)、蒙脫石(Montmorillonite) 。一般常用在瓷器燒製的是高嶺土，主要成分就是高嶺石。高嶺石是含水的層狀鋁矽酸鹽類礦物，來自於火成岩中的長石或雲母，經過數百萬年與熱水作用風化而成。由於活性低，吸附性高，其中含有矽、鋅、鎂、鋁等礦物質。因此有時也會被當作替代的主食或食物添加劑使用。

高嶺土在大饑荒時期曾被飢民當成食物充飢，吃下暫時解除飢餓感，因此又被叫做觀音土，因為至少能像觀音大士一樣，能暫時解救飢民免於馬上餓死。明朝崇禎三年(西元1630年)陝西大飢，陝西巡按馬懋才在”備陳大飢疏”就提到當時的陝西人民只能吃觀音土填飽肚子。但觀音土含大量氧化鋁，也非有機食物不能被人體消化吸收。因此儘管吃了不會馬上餓肚子，少量吃不會致命，但是由於其毫無營養成份，吃久了人還是會死於營養不良。

另外還有一種常被食用或作為藥物的黏土，叫做膨潤土(Bentonite)，主要成分為黏土礦物的蒙脫石，屬於層狀鋁矽酸鹽類礦物(Phyllosilicates)的一種，由於極易吸水成為糊狀，置於水中時，體積會膨脹數倍至十數倍之多，因而得名膨潤土。又可因含鉀、鈉、鈣等離子成分不同，可分為鉀基、鈉基及鈣基膨潤土黏土礦物。這些粘土礦物是數百萬年前的火山活動中所形成，主要是來自於火山灰。鈣基膨潤土多數均可食用，對人體並無害。鈉基膨潤土則通常用於工業用途，包括像石油鑽井泥漿、貓砂、塑形土、水泥磚、塗料、混凝土、鞋油、蠟筆、清潔劑，甚至炸藥等工業製品。許多鈉基膨潤土也可被作為食用粘土銷售，但食用前需要與含大量鉀的酸性飲料(例如蘋果醋等)加以混合，以抵消高鈉含量，減少被人體吸收，一天的攝取量也不宜過多。另一方面，鈣基膨潤土則沒有這種攝取量的限制。鈣基膨潤土有時又被稱為活的粘土(living clays)，因為它可以促進生物體中酵素酶的產生作用。因此是作為人類、 動物和植物能攝取的食用粘土首選。

圖3、加水變成糊狀的膨潤土

雖然用高嶺土或膨潤土等食用黏土作為療癒藥物，或許對有些人而言是一個無法想像的新觀念。但早在有歷史紀錄之前，人類早就已經內服或外用食用粘土，作為治病，維持生命和保健的用途，例如數千年前的安第斯高山部落、 中非和澳洲原住民，已經懂得使用粘土作為主食，營養補充成分以及治療的藥物了。古代羅馬暴君尼祿的軍醫迪歐斯科里德(Dioscorides)(西元40-70年)，在他的藥物誌中紀錄黏土具有”神明智慧”一般的治療功效。在西元二世紀時著名的希臘哲學家和醫師蓋倫(Galen)(西元129-200)，首先記錄使用粘土治療生病或受傷的動物。後來在他的紀錄中更提及了許多利用粘土作為內服和外用治療的案例。而中世紀波斯的偉大哲學及醫師伊本西納(ابن سينا‎, Avicena)( 西元980-1037年)，也曾經教過許多學生關於粘土的治療方法。

圖2、一幅13世紀的關於伊本西納的畫作

但說到對於黏土療效的深入認知與靈活用法，那就真的非中國人莫屬了。成書於東漢時期的”神農本草經”(又名”本經”)就提到了白石脂，也就是前面說過的高嶺土。說白石脂” 氣味甘平無毒，主治黃疸泄痢，腸澼膿血，陰蝕下血赤白，邪氣癰腫疽痔惡瘡頭瘍疥瘙。久服補髓益氣，肥健不飢，輕身延年” 。(翻成白話就是:乖乖，這簡直快要是治百病還兼有減肥效果了!)。另外，中國唐代開元年間(西元739年)陳藏器的”本草拾遺”中則將膨潤土稱之為甘土，稱”無毒，主草葉諸菌毒。熱湯末和服之”。現代醫學也證明，中國人早就認知到黏土礦物有吸附作用，內服後能吸附腸內氣體和細菌毒素，阻止毒物在胃腸道的吸收，並對發炎粘膜有保護作用。而將黏土礦物用於治療痢疾和食物中毒。另外。將黏土礦物塗敷外用，有保護皮膚作用，能吸收創面滲出物，也有防止細菌侵入的效果。

到了二十世紀初期，著名的柏林醫師朱利斯(Julius Stump)，用粘土礦物製成的藥物，在亞洲霍亂大流行期間治療病人，得到良好的治療效果。同時期的坎柏格醫生(Meyer Camberg)，則用綠泥黏土來治療砷中毒。第一次世界大戰期間，德國醫師利用粘土礦物，作為食物中毒、 痢疾、 腹瀉、 和傷口感染的解決方案，大大降低士兵的死亡率。而當時的俄國士兵則每人配發 200 克的粘土，作為抵抗痢疾的隨身藥品，部分法國部隊也將黏土礦物添加到食用的芥末醬中，以免於受到痢疾肆虐。

直至近期，醫學界也開始重視這些黏土礦物對於各種疾病療癒的功效及其他防護等功用。例如俄羅斯科學家，與核材料工作時用粘土來保護他們的身體免受輻射傷害。因為黏土被發現有很好的輻射屏蔽功能，也可以吸附含放射性的游離離子。事實上，在車諾比爾核災事件發生後，膨潤土是被用來投放到熔毀的反應爐附近，吸收輻射汙染的材料。一些替代醫療及醫美專業人員，也大量採用膨潤土作為舒緩運動傷害與排毒的材料。在藥劑學裏，黏土礦物則被大量用來作為藥劑的賦形劑(用來增加藥物的均勻性、穩定性與減少藥物的刺激性、不良氣味的添加品)與反應劑成分。這是由於黏土礦物同時具有會與藥劑中離子反應的離子基部分以及不反應的矽酸鹽聚合物部分。許多科學家正在研究利用黏土礦物的這個特點，將黏土礦物當作藥劑的載體，可以定時、定量將需要的藥劑，投放到人體組織及器官的特定位置，也就是所謂的標靶治療。看到這裏，相信大家對於一個小小的黏土礦物，竟然在我們醫療的世界中，扮演了許多可貴的角色而感到驚訝吧!也因此，我們可以說醫藥的學問在很多面向上，其實也跟地質有著密不可分的關係呢!

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 )