地質調查新趨向：台灣海域可燃冰調查
105/08/05
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陳松春｜
經濟部中央地質調查所
鐘三雄｜
經濟部中央地質調查所
王詠絢｜
經濟部中央地質調查所
魏正岳｜
經濟部中央地質調查所資源地質組
陳柏淳｜
經濟部中央地質調查所暨臺灣大學地質科學研究所
天然氣需求將大幅成長
石油、煤及天然氣三大化石能源中，天然氣是低碳綠色能源。在地球永續發展的理念下，使用低碳綠能，減少二氧化碳排放，已是全球的共識，可預期天然氣的需求將較其他化石能源逐年大幅成長。
2012年，埃克森美孚（Exxon Mobil）石油公司預估到2040年天然氣的需求將成長約60％，如果在未來10年內沒有找到足量額外的供應源，全球會面臨天然氣供應短缺，引發能源爭奪戰。此外，如未能持續減少碳排放，地球所遭受的環境衝擊可能再度惡化。可燃冰的開發將為全球在即將面臨能源短缺的前刻帶來一道曙光。
什麼是可燃冰
天然氣水合物是甲烷氣和水組成的固態物質，因外觀看起來像冰塊，點火可燃，形成冰水火共存的奇特現象，所以俗稱可燃冰。自然界產出的可燃冰包含的氣體分子以甲烷為主（含量約90％以上），也常稱為甲烷水合物。
因為溫壓條件的關係，天然氣水合物廣泛分布在永凍原及大陸邊緣海域，以細粒點散狀、薄脈狀充填於裂隙中或呈團塊狀形成於沉積物內。天然氣水合物具有儲存巨量天然氣的能力，在標準溫壓下，1單位體積的天然氣水合物可釋放出150～180倍體積的天然氣及0.8單位體積的水，估計全球天然氣水合物所含碳總量約為傳統化石能源所含碳總量的2倍。
甲烷氣是相當潔淨的能源，燃燒後排放的SOx量是零，NOx也很少，CO2的排放量比煤或石油低。由於天然氣水合物具高能量密度、儲量大、潔淨等特性，被譽為21世紀的新興能源。
台灣西南海域調查區域內天然氣水合物賦存指標海底仿擬反射（bottom simulating reflector, BSR）的分布相當密集，極具天然氣水合物賦存潛能。因此，經濟部中央地質調查所自2004年起推動相關的地質調查研究。
調查研究方法
天然氣水合物的調查方法概分為地球物理探測、地球化學分析、海床特殊地貌特徵觀測、深海鑽探等。地球物理探測方法有多頻道反射震測、海底地震儀、地熱量測、聲納探測（包括高解析度底拖式側掃聲納與底質剖面探測、表拖底質剖面、高頻聲納）、海底地電阻探測等。
地球化學分析主要是採取海底沉積物岩心及水體樣品，進行甲烷濃度、硫酸鹽—甲烷界面（sulfate-methane interface, SMI）、氯離子濃度、礦物組成及磁性礦物分析。海床特殊地貌特徵觀測方法有海底數位照相、線控水下無人載具（remotely operated vehicle, ROV）即時觀測等。在國內，除了尚未進行深海鑽探外，其餘各項探測技術都已成熟應用於天然氣水合物的調查研究。
海底仿擬反射分布
天然氣水合物賦存的指標首推BSR，在反射震測剖面上如有辨識出約略平行海床的BSR強反射信號，則顯示海床下的地層中可能有天然氣水合物賦存。BSR位置是天然氣水合物賦存層的下界深度，在BSR上方是天然氣水合物的穩定帶，下方則是甲烷游離氣。
目前在台灣西南及南部海域已收集長度約二萬九千多公里的反射震測線，平均約有41％的震測線可辨識出天然氣水合物賦存指標的BSR訊號，顯示具有相當豐富的天然氣水合物賦存。
穩定基底深度
利用地溫梯度可推估天然氣水合物的穩定基底深度，地溫梯度與天然氣水合物溫壓平衡曲線的交點深度就是天然氣水合物的穩定基底深度，交點深度以上是天然氣水合物穩定帶，以下則只能以甲烷游離氣形態存在，同時可推估天然氣水合物生成時的平衡溫度。
理論上，震測剖面的BSR就是天然氣水合物的穩定基底深度面，但因地層震波速度掌握不易、地溫梯度量測誤差等原因，造成這兩者的推估深度會有不一致的情形。台灣西南海域天然氣水合物的基底深度約在海床下130～600公尺，平均約300～500公尺。
海洋底水的甲烷濃度
台灣西南海域的海洋底水及沉積物間隙水的甲烷含量普遍高於海水背景值，顯示有高甲烷通量，這些甲烷部分可能來自天然氣水合物解離出的游離氣。
正常海水的甲烷濃度背景值低於50 nL/L，而台灣西南海域海水的甲烷濃度普遍高於1,000 nL/L，部分測站甚至高於100,000 nL/L，顯示有很高的甲烷通量。
硫酸鹽–甲烷界面深度
沉積物間隙水中的硫酸鹽在無氧環境下會因生物作用使甲烷氧化，產生碳酸氫鹽和硫化氫，稱為甲烷厭氧氧化作用。在有甲烷的地層中，間隙水中的硫酸鹽被甲烷還原，其濃度會隨著深度遞增而減少，到達某一深度硫酸鹽會被還原殆盡，稱為硫酸鹽還原深度。
硫酸鹽還原深度以下，甲烷濃度會隨深度遞增而增加，硫酸鹽濃度是零而甲烷濃度開始增加的界面稱為硫酸鹽—甲烷界面（SMI）。在一般深海，SMI深度約在100公尺以上，如果是在天然氣水合物賦存區，因有大量的甲烷氣可加速硫酸鹽還原反應，使得SMI深度變淺，另在這還原反應過程中會造成碳酸鈣沉澱。因此，如果發現SMI深度淺及海床淺處有碳酸鹽礁形成，則間接顯示地層下部應有天然氣水合物賦存。
台灣西南海域海床表層沉積物的SMI深度僅數公尺，顯示有相當高的甲烷通量，在適當的溫壓條件下就可形成天然氣水合物。
特殊海床地貌特徵
天然氣水合物賦存區的海床上常有與天然氣水合物伴生的貝類、蛤蚌類、菌席等化學自營性生物群落聚集，以及自生碳酸鹽礁。在甲烷逸出海床的環境下，也會有冷泉、噴氣及逸氣構造特徵，或有麻坑構造、泥火山、天然氣水合物隆堆等特殊地貌。在海床上如發現這些特殊地貌，則直接或間接顯示有天然氣水合物的生成。
透過ROV拍攝及海底照相，發現台灣西南海域海床上有相當廣泛的自營性生物群落聚集及自生碳酸鹽礁分布，其成因都與海床有富含甲烷的流體（冷泉）逸出有關，而這些流體可能是天然氣水合物分解的產物。
從高解析的底質剖面及高頻聲納（EK500）可判釋出氣體的逸氣通道及海床的噴氣柱。依據底拖式底質剖面、高頻聲納及精密水深資料，判釋出台灣西南海域有超過100處的逸氣通道、噴氣構造及13座海底泥火山。另利用ROV拍攝到海底泥火山活躍的噴發，約每3～5分鐘噴發一次。經採樣分析，這些噴發的氣體含有濃度高達550 nL/L的甲烷氣，遠高於海水背景值（＜50 nL/L），顯示有相當高的甲烷通量。
天然氣儲量估算
根據地球物理及地球化學調查結果，規劃出11處可燃冰探勘好景區，共有25口鑽探井。
初估台灣西南海域天然氣水合物的天然氣資源儲量約15,000億立方公尺，若其中10％是可開發量，預估可產出1,500億立方公尺的天然氣，以我國天然氣年平均使用量100億立方公尺來估算，足可供應15年以上。
各國爭相調查研究
可燃冰是新興低碳綠能，世界各國都投入巨資進行調查研究，鄰近的日本、韓國、中國大陸、印度等更是積極。
日本於1995年開始進行天然氣水合物的調查研究，2013年完成世界首例的海域生產測試，目前已進入經濟開採測試階段。印度於2006年、中國大陸及韓國於2007年都已陸續進行天然氣水合物深海鑽探調查研究，並成功鑽得地層中的天然氣水合物標本。韓國更規劃於2017年進行海域生產測試，中國大陸也規劃於2017年進行海域開採測試。
可燃冰在海域的賦存水深至少約300～500公尺，具開發潛能區的水深更高達1,000～3,000公尺，相較於一般石油氣開採的水深數十至數百公尺（一般約300公尺內），其開採技術較困難及複雜。然而日本已成功完成世界首例的海域生產測試，以日新月異的科技能力，天然氣水合物經濟開採利用已指日可待。
期望我國能早日進行深海鑽探，與國際調查研究腳步接軌，一旦開發技術成熟，可同步進行海域可燃冰的開發利用，除可促進社會經濟發展外，並可大幅提升國家能源自我供應。
