天然氣水合物：天然氣水合物的地質研究
96/04/04
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陳汝勤｜
臺灣大學海洋研究所
天然氣水合物是一種非傳統的天然氣，相較於傳統的化石燃料，它是一種較潔淨的能源。據推估全球蘊藏量約有20 × 1015立方公尺／一大氣壓，是現今傳統化石燃料儲量的兩倍以上，若能妥善開發利用，對21世紀全球能源的供應會有很大的助益。
天然氣水合物是天然的碳氫化合物氣體在大於50個大氣壓的高壓，及低於攝氏7度的低溫環境下，被籠狀架構的水分子包合而形成的一種類似冰晶的白色固體。它廣泛分布在極區的永凍層及大陸邊緣的深水海域地層中，我國學者曾在臺灣西南海域發現有天然氣水合物廣泛分布於南海大陸坡及南臺灣增積岩體中的證據。
在海床下，天然氣水合物常出現在較均質的地層中。在天然氣水合物穩定帶的底下，因有氣態物質存在，共震波傳播性質與上下地層差異極大，造成一平行於海底的顯著介面，稱為海底仿擬反射層（bottom simulating reflector, BSR）。科學人員探測海域天然氣水合物時，常以異常的震波與BSR的存在與否做為判釋指標。
經濟部中央地質調查所為了探勘臺灣西南海域天然氣水合物存在的可能性，與學界合作執行了「臺灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究」的四年計畫（2004年至2007年），使用海研一號及法國研究船R／V Marion Dufrense，在目標區採集沉積物及底水進行各項分析工作。
一般而言，岩心沉積物中平均孔隙率與平均甲烷含量之間會有正變的關係，而本調查採集所得的各測站泥質沉積物平均含量是97.8％。泥含量隨岩心深度的變化並不顯著，但含水量介於4～54％的岩心標本，孔隙率隨岩心深度的增加而有明顯的下降，可能由於沉積物的膠結作用隨深度增加而增大，導致孔隙率降低。
江威德教授完成的Ｘ光繞射分析顯示，各測站岩心標本的礦物組成平均百分比是伊萊石61.8～67.3％、綠泥石21.3～34.2％、膨潤石1.0～5.7％、高嶺石0～11.5％，以及伊萊石／膨潤石混層礦物0～1.2％。大多數測站都有以黃鐵礦為主的自生硫化鐵礦物集合體，部分黃鐵礦莓狀體集合體及不規則狀細粒集合體可能是自沉積物的孔隙水中沉澱生成，並在基質、有孔蟲殼體和有機質中呈現不規則狀分布或集合體。部分淺層沉積物中黃鐵礦的顯著蔓生現象，顯示化學及氧化還原條件的改變可能與天然氣水合物的反應有關。
林曉武教授分析在目標區的活動大陸邊緣測站取得的岩心間隙水顯示，硫酸鹽濃度明顯隨深度增加而遞減，部分測站更是在2公尺前就已消耗殆盡。但在被動大陸邊緣的沉積物中，硫酸鹽濃度遞減速率在水淺處明顯較活動大陸邊緣的低，而水深超過1,500公尺後，遞減梯度則較高。Marion Dufresne號在目標區採得3支岩心，其中硫酸鹽濃度明顯呈現隨深度增加而遞減的趨勢，其中消耗殆盡深度最淺的只約5米，且硫化氫濃度高達2,400 μM。
楊燦堯教授在各航次所採得的長岩心樣品中，常可分析到含高濃度甲烷氣的沉積物，且分布地點甚廣，各岩心所含甲烷氣濃度有隨深度加深而逐漸增高的趨勢。分析樣品中氣體的碳同位素成分，發現二氧化碳的碳同位素比值隨深度增加而變高，顯示本地區淺處的氣體以生物來源為主，越往深處則有熱分解來源的氣體加入。在活動大陸邊緣的底水及沉積物間隙水中，甲烷含量較被動大陸邊緣的高。
2005年在國家海洋科學研究中心支持下，由林曉武教授率領國內科學團隊與美國木洞海洋研究所科學人員針對以往調查出現異常的地點，更進一步利用海底攝影系統進行研究。攝影系統利用鋼纜下降至距海底3～5公尺處進行拖曳式攝影，這個系統可同時記錄水深、水溫、鹽度及濁度。測量結果顯示大部分表層沉積物是灰色泥，某些地點確有當地自生的碳酸鹽，也有裂縫、噴氣孔及疑似天然氣水合物存在。
林曉武教授在多處發現有底棲生物出現，可能是貝類、海百合。有時底棲生物殼體排列呈規則性，可能是受海底底流的影響。底層海水的濁度各處不同，在某些地點海水濁度甚高，可能與泥火山的活動有關。
天然氣是一種較潔淨的能源，將來使用量可能大幅提高，如何確保天然氣的供應順暢，是很多國家面臨的問題。資料顯示臺灣西南海域天然氣水合物的蘊藏量相當豐富，將來開發技術成熟後，對我國的經濟發展必有重要貢獻。目前世界上許多國家都已積極進行天然氣水合物的探勘及開發，日本、印度、韓國、美國、加拿大、英國等都已成立國家型研發計畫，積極進行相關的探勘與開發，據估計在2020年就可達成商業化開採的目標。
為因應我國未來面臨的能源問題，對臺灣西南海域天然氣水合物賦存區進行系統性的地質、地球化學與地球物理研究，審慎評估這一地區甲烷水合物的儲存量，實屬必要。一旦開發技術成熟，我國將有希望邁向能源自主的境界。
地質研究團隊
林曉武（臺灣大學海洋研究所），
江威德、黃奇瑜、游鎮烽（成功大學地球科學系），
楊燦堯（臺灣大學地質科學系），
洪崇勝（中央研究院地球科學研究所）。
