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高中素材

素材名稱:海洋新能源~天然氣水合物 計畫主持人:姓名 計畫執行單位:

楊燦堯

職稱

教授

國立台灣大學地質科學系

協同主持人:姓名 錢彩雲 單位 八斗國小

職稱

校長

姓名 曹瑞芸

單位 中正國中

職稱

教師

姓名 張正杰

單位 安樂高中

職稱

教師

計畫期程:100 年 8 月 1 日─101 年 7 月 31 日

教育部顧問室海洋教育先導型計畫


目次 (頁碼)

I.

知識單元 第一單元

____ (能源與海洋)___ ……………………….……4 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

第二單元

____ (海洋新能源)___ ……………………….……11 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

第三單元

____ (海洋測量)___ ………………………………20 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

第四單元

____ (深海調查)___ ………………………….……31 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

第五單元

____ (地球物理看海底)___ …………………………43 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

第六單元

____ (地球化學看海底)___ ……………………….…56 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………...


參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

第七單元

____ (海洋開發與環境災害)___ …………………67 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

第八單元

____ (從模擬與實驗瞭解天然氣水合物)___ .……76 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………... 貳、 內文…………………………………………………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 編撰過程之參考資料………………………………..

II. 實驗單元 第一單元

_ (冒泡的海底世界-模擬海底火山噴發)___ ……..91 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………… 貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論……………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 實驗準備工作之步驟、方法………………………… 伍、 編撰過程之參考資料………………………………..

第二單元

_ (烏山頂泥火山實作與考察)___ …………….…..97 壹、 學習目標(即教學目標) ……………………………… 貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論……………... 參、 學習評量,Q&A…………………………………….. 肆、 實驗準備工作之步驟、方法………………………… 伍、 編撰過程之參考資料………………………………..

III. 素材全冊檔案光碟…………………………………...103

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I. 知識單元

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第一單元:_能源與海洋 壹、 學習目標(即教學目標) 1.瞭解海洋可以提供人類社會哪些能源。 2.認識傳統海洋能源及跟陸上能源比較。 3.知道新能源的趨勢。。

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貳、 內文 太空中的地球 從外太空看地球,最顯眼的就是那片廣大的海洋,因為地球的海洋面積佔了 全部的 71%,陸地部分佔了 29%,海洋的面積顯然比陸地大了許多。我們從海 陸分布圖可以發現,陸地大部分集中在北半球,南半球主要是海洋。

圖 1-1:地球的海陸分布 (http://visibleearth.nasa.gov/images/2433/land_shallow_topo_west.tif)

陸地資源 人們大量使用陸上的資源已經一段很長的時間,例如石油、煤炭、石材、礦 產等等資源。礦產可分為金屬資源與非金屬資源,金屬礦產如金、銀、銅、鋁、 鐵等元素,非金屬有矽、硫、磷、砷等元素。人們可以利用這些礦物或元素來進

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行加工、製程、貿易交易等。然而,在工業化時代之後,人們大量的使用化石燃 料,例如:石油、天然氣與煤的用量大增,改善了人們的生活,但相對也消耗了 大量的能源,造成環境很大的衝擊與影響。 能源的介紹 我們使用的能量有太陽能(solar energy)、機械能(heat energy)、化學 能(chemical energy) 、電能(electrical energy)與熱能(heat energy)方 式。不同形式的能量可以互相轉換。隨著經濟發展,對於能源的需求也越高。人 們使用的主要能源主要有三種,化石燃料、核能與水力能源。(一)化石燃料主 要是使用石油、煤與天然氣當作燃料,之後產生的能源,這是目前人類使用最多 也最重要的能源,化石燃料提供了全球 66%的電力與 95%的能源需求。 (二)核能 我們利用核分裂的方式產生的能源,礦產主要利用鈾-235,目前全球 11%的電力 是由核能所供應。 (三)水力能源主要利用水的位能差產生的能源,目前水力發 電佔全球的 20%發電量。由此可知,我們對化石燃料的需求量更高,經濟的波動 也更容易受到化石燃料(fossil fuel)的影響,例如 1973 年與 1979 年的能源危 機,都是石油的供應出現問題。這使得人們開始思考石油還能夠使用幾年。依據 全球最大石油公司(BP)在 2008 年估算,全球石油的儲存量和生產量的比值 (Reserves/Production Ratio, R/P ratio, 或稱可開採年限、儲量/產量比率) , 約為 40 年左右。根據日本能源研究機構統計,煤的全球埋藏量約可再使用 230 年左右。根據世界能源統計年鑑在 2004 年顯示,天然氣可再使用 63 年。陸上的 資源總有一天會被用完,因此,開始很多人想要往海洋找到更多的資原來供應人 6


類使用。未來能源的趨勢也從化石燃料邁入可再生的能源(renewable energy)。 新的能源趨勢包含太陽能、風力能、生質能、海洋能、地熱能與水力能。提到海 洋能,大多數想到的是波浪發電、海流發電、潮汐發電與海洋溫差發電。再生能 源的議題與綠能都是世紀各國正在積極開發的能源。所謂的再生能源就是來自於 大自然的能源,常見的有太陽能、風力、潮汐能、地熱能,取之不盡,用之不竭 的能源。綠能是指清潔的能源,通常是指在能量的轉換當中,不排放污染物,因 此,各國能源的方向,也朝著再生能源與綠能方面發展。

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圖 1-2:1980-2030 年間世界能源消耗量統計(美國能源局 EIA2009 公布)

海洋新能源 近期在海底與高緯地區的永凍土地區發現大量的天然氣水合物(natural gas hydrates)或簡稱氣水合物(gas hydrates) ,這是水和氣體分子在低溫高 7


壓的環境所形成富含氣體分子的冰狀物結晶。在自然界的環境當中天然氣水合物 所含的氣體以甲烷為主,所以常稱為「甲烷水合物」。目前估計全球天然氣水合 物所含的甲烷資源量,在標準溫壓狀態下,至少約10兆公噸,大約是目前所有已 經傳統化石能源所含碳總量的2倍(Kvenvolden,1998;鐘三雄、羅聖宗,2011) 。 自20世紀末開始,美國、日本、印度、中國大陸與韓國都投入鉅額的研發經費, 爭相探勘所屬的經濟海域天然氣水合物的調查工作,確認其儲量,也研發在海洋 開採的技術,以利各國日後資源的利用。人們使用的能源趨勢,從陸上朝向海洋 了。

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參、 學習評量,Q&A ()1.請問傳統的化石能源包含哪一些呢?多選題(A)石油(B)煤(C)天然氣(D) 核能(E)甲烷水合物 ()2.現在人類使用最多的能源為何?(A)化石燃料(B)太陽能(C)水力資源(D) 風力(E)海洋能 ()3.根據全球最大石油(BP)公司估算石油約還可以開採幾年呢?(A)10 年(B)40 年(C)100 年(D)200 年(E)400 年 ()4.未來新的能源趨勢包含哪一些呢?多選題(A)太陽能(B)石油發電(C)風力能 (D)太陽能(E)海洋能(F)地熱 ()5.有關於甲烷水合物的敘述何者錯誤呢?(A)未來的能源之星(B)只有存在海底 (C)儲存量可能為目前已經所有化石燃料含碳的兩倍(D)又稱為可燃冰(E)常 溫下為氣態

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肆、 編撰過程之參考資料 莫蓋里(Leonardo Maugeri)著,甘錫安譯, 〈從地底榨出更多油〉 ,科學人雜誌第 93 期,2009 年 11 月號,第 51 頁。 鐘三雄(2007)我國天然氣水合物未來發展策略之研究。經濟部中央地質調查所 96 年 度研究發展報告,第 96-01 號,共 149 頁。 鐘三雄、劉家瑄(2007)新型態潔淨能源-天然氣水合物。科學發展月刊,第 412 期, 第 6-13 頁。 Kvenvolden, K.A. (1998) A primer on the geological occurrence of gas hydrate. In: Henriet, J.P. and Mienert, J. (eds). Gas Hydrates: Relevance to World Margin Stability and Climate Change. Geol. Soc. London, Special Publications, 137, 9-30. Yang, T.F., Hilton, D.R., Italiano, F. and Heinicke, J. (2010) Applications of fluid and gas Geochemistry on geohazards investigation. Applied Geochemistry, 25, 503-504. Yang, T.F., Marty, B., Hilton, D.R. and Kurz, M.D. (2009) Geochemical applications of noble gases. Chemical Geology, 266, 1-3. Yang, T.F. (2008) Recent progress in the application of gas geochemistry: examples from Taiwan and the 9th International Gas Geochemistry Conference. Geofluids, 8, 219-229.

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第二單元:海洋新能源 壹、 學習目標(即教學目標) 1. 2. 3. 4.

知道天然氣水合物性質。 瞭解天然氣水合物為何是海洋新能源。 認識天然氣水合物在全球分佈與其所蘊藏數量。 瞭解人類在開發海洋新能源之相關歷程。

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貳、 內文 天然氣水合物的性質 自然界中天然氣體分子在低溫高壓的環境下被呈籠狀架構的水分子所包合, 而形成類似冰晶的籠形包合物或籠晶(clathrate)。低溫高壓之下,甲烷氣體被水分 子包圍的樣子,呈現固態狀。

圖 2-1:天然氣水合物分子結構

(圖出處:中央地質調查所)

其中被水分子包圍的氣體可能有甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、氮、二氧 化碳或硫化氫等。在實驗室可以人工合成 200 種以上。在自然界產出的天然氣水 合物,95%以上所包合的氣體分子組成為甲烷,故常稱為「甲烷水合物」 。也稱 「可 燃冰」、 「甲烷冰」 。大部分的天然氣水合物為生物源產生得來,是甲烷菌製造得 來,底下為其化學方程式: 甲醛發酵2CH2O→CH4+CO2 二氧化碳去氧 CO2+4H2→ CH4+2H2O

非化學計量性的結晶化合物的型態 12


當水分子組成的籠狀構造空隙,理論上僅能容納一個氣體分子;另外,這些 籠狀構造空隙不一定會被氣體分子填滿,故天然氣水合物所含的氣體分子數不固 定,而無法以固定的化學式計量表示。通常可用 mM.nH2O 來表示;其中,M 為氣體分子,m 為氣體分子數,n 為 H2O 分子數。一般而言,水分子數約為氣體 分子數的 6 倍。依照 Mao (2007)研究可知,化合物的結晶構造可分成三種,有 體心立方排列、面心立方排列與六方最密堆積排列。

結晶構造 I (sI): 體心立方緊密排列 8M‧46H2O、n/m=5.75 結晶構造 II (sII): 面心立方緊密排列 24M‧136H2O、 n/m=5.67 結晶構造 H (sH): 六方最密堆積排列 6M‧34H2O、 n/m=5.67

Mao et al. (2007) 圖 2-2:天然氣水合物晶體結構 自然界探勘採樣出來的天然氣水合物外觀類似冰晶狀,像白色結晶的樣子,常以 塊狀、條狀或粉狀分散在岩心當中。天然氣水合物有幾個特性,底下分別說明之: 13


Hydrate Ridge 位於美西奧勒岡 州(Oregon State)外海

墨西哥灣(Gulf of Mexico) 位於美國南部外海(呈黃色是因受到 油氣分子混染所致)

圖 2-3:天然氣水合物在岩芯的樣子 (一)儲氣能力大 天然氣水合物在常溫常壓下容易解離成天然氣與水,1 立方公尺的甲烷水合 物,可以解離成 150-180 立方公尺的甲烷氣體,0.8 立方米的水。 (二)具有自保效應(conservative)與奇異保護效應(anomlous preservation) 天然氣水合物在溫度-5~30 ℃,解離速率最緩慢。所謂的自保效應,就是天 然氣水合物在常壓下,只要保持在 00C 左右,解離速度就很慢。所謂的奇 異保護效應是 Stern 等人在 2001 實驗當中發現,甲烷水合物在 242~271K 溫 度範圍當中,解離速度極為緩慢。 (三)結晶作用的分化效應 天然氣水合物在低溫高壓海水當中,水分子會將甲烷包裹起來,其中海 水中的鈉與氯離子並不會包含在裡面,因此,剩餘的海水,鹽度將會增加。 14


這可作為探測的指標之一。 天然氣水合物的分布 在自然界當中,甲烷水合物的生成的控制 因素有幾個,如右圖所示: (1)低溫; (2) 高壓;(3)系統成分(若有其他氣體或物 質成分,將會改變相平衡的溫度範圍) ; (4) 甲烷氣體的供應源。甲烷氣體的供應多寡 主要在於是否有大量的沉積物,有無富含 有機質,還有沉積速率快與慢。

圖 2-4:甲烷水合物的控制因素

21 世紀新型態天然氣能源 根據 kvenvolden(1998)研究指出,全世界含碳量的估算,天然氣水合物佔了 53.6%。 現在我們使用的化石燃料(煤、石油、天然氣)約佔 26.63%。天然氣水合物有三個特性: (一) 分布廣,天然氣水合物分布在全球 27%的陸上永凍層與 90%的陸緣海域的沉積物當中,可能 有天然氣水合物的賦存。(二)儲存量大,天然氣水合物的甲烷含碳量為目前已知傳統化石 燃料的兩倍。 (三)潔淨,甲烷燃燒後產生水與二氧化碳。甲烷燃燒後所排放的 SOx 量為零, 15


NOx 的排放量只有燃煤的 20~37 %或燃油的 33~50 %,CO2 的排放量只有燃煤的 57 %或燃油的 67 %。

圖 2-5:地球上碳儲存量的分布圖 全世界甲烷水合物的分布圖 根據現在已經探明的甲烷水合物可知,絕大部分分布在極區與陸緣的深水海域當中, 圖中可知全世界都有。各國都投入相當大的人力與物力來確認。高緯度的永凍層的天然 氣水合物賦存深度約在地下 150~2000 公尺深左右。但在海洋地區的甲烷水合物,天然 氣形成的深度,通常需要在水深 300-500 公尺以上,其賦存的範圍約在海床以下 1000 公尺深度以內(Kvenvolden and Grantz ,1990;Kvenvolden,1998)。海洋的探測相對 於陸上開採,難度就相對較不容易,探測時常常需要海洋研究船利用地球物理的方法, 16


以及實際的鑽探來印證天然氣水合物的含量。

確認產出區:已採得天然氣水合物岩心標本 推論產出區:各種遠距調查資料顯示有天然氣水合物賦存者 資料來源:Kvenvolden and Lorenson (2001); Kvenvolden and Rogers (2005) 圖 2-6:地球上天然氣水合物分布圖

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參、 學習評量,Q&A ()1.請問甲烷水合物的別稱有哪些呢?多選(A)液態瓦斯(B)可燃冰(C) 甲烷冰(D)乙烷冰(E)霜 ()2.天然氣水合物在哪些溫度時解離速度最慢呢?(A)-10℃(B)0℃(C) 40℃(D)60℃(E)100℃ ()3.天然氣水合物的特性有哪些呢?多選(A)儲氣能力大(B)發熱效果佳(C) 自保效應(conservative)(D)結晶作用的分化效應(E)奇異保護效應 ()4.控制甲烷水合物的生成,有哪些因素呢?多選(A)高溫(B)低溫(C) 高壓(D)低壓(E)甲烷氣的多寡。 ()5.控制甲烷水合物氣體量的多寡,與下列哪些因素有關呢?(A)大量的沉 積物(B)位於火山帶(C)富含有機質(D)沉積速率快(E)富集石油 ()6.根據科學家估算,全球含碳量儲存量最高的物質為何?(A)碎屑有機物 (B)泥煤(C)化石燃料(D)土壤(E)天然氣水合物 ()7.在高緯永凍土當中,甲烷水合物通常賦存的深度在那邊呢?(A)表土(B) 50-100 公尺(C)150~2000 公尺(D)2000~3000 公尺(E)3000 公尺以下 ()8.未來開採海洋底下的天然氣水合物面臨的問題為何?多選(A)經濟效益 (B)開採技術(C)運輸不易(D)甲烷水合物含碳量低(E)全球存量低

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肆、 編撰過程之參考資料 鐘三雄(2007)我國天然氣水合物未來發展策略之研究。經濟部中央地質調查所 96 年 度研究發展報告,第 96-01 號,共 149 頁。 鐘三雄、劉家瑄(2007)新型態潔淨能源-天然氣水合物。科學發展月刊,第 412 期, 第 6-13 頁。 Kvenvolden, K.A. (1998) A primer on the geological occurrence of gas hydrate. In: Henriet, J.P. and Mienert, J. (eds). Gas Hydrates: Relevance to World Margin Stability and Climate Change. Geol. Soc. London, Special Publications, 137, 9-30. Stern L A , Circone S , Kirby S H , et al . Anomalous preservation of pure met hane hydrate at 1 atm . Journal of Physical Chemist ry B , 2001 , 105 , 1756-1762.

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第三單元:海洋測量 壹、 學習目標(即教學目標) 1. 瞭解海洋探測對海洋研究的重要性及相關科學測量方法。 2. 知道海洋研究船的功能與配備。 3. 學習海洋觀察與量測之規劃。

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貳、 內文 利用海洋研究船探測天然氣水合物 海洋研究船主要針對海水的物理、海底、化學以及生物學、大氣與氣候進行研究, 因此常配備可以取得表層海水至深海各種深度的儀器,以及對海底水文探測的設 備,同時船上也配備許多探測海洋環境的感測器。探測天然氣水合物的資源調查 的方法,可分遠距調查與現地(in-situ)調查。其中遠距調查可細分為區域性調 查和細部調查。區域性調查範圍較大些,常利用的方法有 2 維反射震測、地熱量 測、海床近表層沉積物採樣與分析。細部調查可以將探究的區域做較深度探明, 常用的方法有海底地震儀、底拖高解析震測、底拖側掃聲納、深海照相/攝影、海 底地電阻探測、2.5 維或 3 維反射震測、深海無人載具探測(ROV)及採樣分析。 而現地調查就是所謂的實地探查,這是可以直接採集到樣本的方式,常見的方法 有深海鑽探及岩心採集、井測方式。通常我們會先做初步的地球物理方式探測, 然後再進行實際的岩芯採集以及鑽探。

圖 3-1:「寶拉麗絲號」海洋研究船(吊掛 ROV 作業當中) 21


海域反射震測

圖 3-2:常見的天然氣水合物探測方法 Hyndaman (2004) 天然氣水合物賦存指標-海底仿擬反射(BSR) 在海洋研究船上我們常利用地球物理-海底震測的方法來找尋天然氣水合物,研究 得知震測圖上的海底仿擬反射(Bottom Simulating Reflector,簡稱 BSR)通常被認為是 天然氣水合物穩定帶底部分布的界線(Hyndman and Spence,1992;Shipley,1979; McConnell and Kendall,2003;Tinivella et al., 2000) 。由下列圖例可知 BSR 是天然氣水 合物賦存的指標,在震測剖面上可以指示出天然氣水合物穩定帶的基底位置。在反射震 測剖面上如有海底仿擬反射的強反射信號,表示該地可能有天然氣水合物賦存。BSR 是 天然氣水合物生成的最大深度,在 BSR 上方是天然氣水合物固體的穩定帶,下方則是 22


甲烷游離氣。這種在震測圖上可以發現到。在震測圖上 BSR 的辨識有 4 大特徵(陳松 春與王詠絢,2007) : (1)BSR 一般都與海床平行; (2)BSR 上方在震測剖面上會有反 白現象,主要因為是天然氣水合物為均質固體,並無明顯的反射層,反白程度及範圍越 大,顯示天然氣水合物分布的飽和度及範圍越大; (3)BSR 的反射相位和海床的相位相 反,主要是因為 BSR 上方含天然氣水合物地層的震波速度較 BSR 下方的含游離氣地 層之速度為大,而海床的反射面是由低速的海水進入高速的天然氣水合物層;BSR 反射 面則是高速的天然氣水合物層進入低速的含游離氣地層,所以兩者的反射相位相反; (4) BSR 可能與地層斜交。

圖 3-3:海底仿擬反射層的原理與震測剖面圖 在國內外大型海洋研究船上探測海底天然氣水合物,一般是先使用地球物理方法,配備常用 的海洋儀器包括聲納儀器、反射震測、海底地震儀(OBS) 、海底地電阻等,先分析海床下的 地層的性質,辨識賦存天然氣水合物地層的特徵。另一方面,經由量測地熱可推估天然氣水 23


合物穩定存在於海床下的深度,繼而進行海床沉積物及底水樣本的地球化學分析。

圖 3-4:利用聲納探測海床的甲烷氣泡 世界各國對天然氣水合物研究的推動 1990 年代,加拿大地質調查所研究永凍層與調查溫哥華外海的天然氣水合物。印度展開 國家型天然氣水合物研究計劃,投入了 4.2 億美元進行天然氣水合物調查與鑽探。日本於 1995 年成立天然氣水合物開發促進會,展開五年期的研究計劃,並在 1999 年在日本南海海槽 (Nankai Trough)鑽鑿一口研究井。美國能源部於 1999 年開始執行國家型甲烷水合物多年 期研究計劃,預計在 2015 年前開始商業開採。同時期,英國、德國、挪威等國進行天然氣 水合物的研究,足見在 90 年代,世界各國已經開始重視天然氣水合物的相關研究了。2000 年代,日本開始進行三階段 16 年期的研究計畫,此時臺灣、歐盟、韓國、中國大陸開始展 開大型天然氣水合物研發計畫。2007 年時,日本與加拿大合作,在 Mallik 進行開發鑽井實 驗,美國完成了阿拉斯加鑽井調查,中國大陸在南海進行鑽井,取得了天然氣水合物標本。 24


韓國在東海地區發現厚度超過 100 公尺的天然氣水合物地層。這個時候,臺灣完成了第一個 四年期天然氣水合物調查計畫,隔年 2008 開始進行第二期計畫。在 2008 年,日本與加拿大 成功在 Mallik 以降壓方式產生天然氣。2009 年美國完成墨西哥灣天然氣水合物鑽井調查。 2010 年韓國在東海再度進行評估天然氣水合物的開發潛能。2012 年,日本展開海域的天然 氣水合物鑽井開發調查(劉家瑄,2012) 。以上可知道,世界正在緊鑼密鼓進行天然氣水合 物的研究。除了大規模調查外,加拿大已經順利將天然氣取出利用。不久的未來,或許天然 氣水合物已經可以商業運轉,人們也可以開始使用新的能源。

圖 3-5:加拿大 Mallik 生產試驗井(Council of Canadian Academies,2008) 對於天然氣水合物的研究方式,我們可分為現場觀測、實驗室模擬實驗與理論模式建 立這三方面來進行。現場觀測包含了地球物理觀測技術、地球化學特性分析與代用指標的建 立。並且在現場觀測也需要去瞭解生產技術及測式的科技方式。實驗室研究我們可以合成天 然氣水合物及含天然氣水合物之沉積物物理及化學特性。理論模式的建立,我們可以了解天 25


然氣水合物的儲藏模式以及生產模式。進而建立出地質及沉積模式、瞭解生成與解離模式、 知道天然氣水合物環境變化的模式。藉此類推到其他沉積區域,方便日後開採與生產。

天然氣水合物的研究方式

現場 觀測

圖 3-6:天

理論模 式建立

實驗室 研究

物的研究

然氣水合 方式

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參、 學習評量,Q&A ()1 初步探測天然氣水合物通常會使用哪種方法呢?(A)鑽井(B)使用 CTD (C)震測(D)透地雷達(E)衛星探測 ()2.我們利用地球物理探勘技術來探測時,當震測剖面發現什麼現象,就有可 能有天然氣水合物呢?(A)莫氏不連續面(B)海底仿擬反射(C)古式 不連續面(E)斑氏帶(E)斷層構造 ()3.有關於海底仿擬反射(BSR)的敘述何者錯誤呢?(A)BSR 是找尋天然 氣水合物的好方法(B)BSR 通常會平行於海床(C)BSR 之上在震測剖 面有反白現象主要是天然氣水合物是均質固體(D)BSR 信號的反相位會 與海床信號相位相反(E)BSR 通常與地層平行。 ()4.天然氣水合物已經利用減壓的方式採取到大量甲烷氣體的國家為何呢? (A)臺灣(B)英國(C)韓國(D)加拿大(E)法國 ()5.探測海底天然氣水合物的方法相當多,請問下面哪些是屬於地球物理方法 呢?多選題(A)震測(B)鑽井(C)海底地震儀(D)測量甲烷氣濃度 (E)海底地電阻 ()6.現地探測包含哪些方式呢?多選(A)深海鑽探(B)衛星遙測(C)岩心 採集(D)反射震測(E)井測方式

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()7.下圖是臺灣海底地形圖,請問哪個區域可能富含甲烷水合物呢?A 區 B 區 C區 D區

A C B

D

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肆、 編撰過程之參考資料 劉家瑄(2007)台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究—地球物理調查 (4/4) 。 經濟部中央地質調查所。 王詠絢 (2006) 台灣西南海域天然氣水合物之調查研究現況。中央地質調查所報告。 林殿順 (2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究地球物理調查-含天然 氣水合物地層的構造與沉積特徵研究。經濟部中央地質調查所報告,第 94-25-E 號, 共 77 頁。 劉家瑄 (2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究地球物理調查-反射震 測與海床聲納迴聲剖面調查研究。經濟部中央地質調查所報告,第 94-25-A 號,共 26 頁。 徐春田 (2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究地球物理調查-天然氣 水合物賦存區之地熱調查。經濟部中央地質調查所報告,第 95-25-C 號,共 49 頁。 黃奇瑜(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球化 學探勘-台灣西南海域天然氣水合物潛能區沉積物之地質學特徵。經濟部中央地質調 查所報告,第 95-26-A,共 67 頁 游鎮烽(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球化 學探勘-沈積物間隙水之硼與氯同位素研究。經濟部中央地質調查所報告,第 95-26-C, 共 52 頁。 江威德(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球化 29


學探勘-沈積物之黏土礦物分析。經濟部中央地質調查所報告,第 95-26-D,共 19 頁。 林曉武(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球化 學探勘-硫酸鹽還原在天然氣水合物賦存區之應用與調查。經濟部中央地質調查所報 告,第 95-26-E,共 67 頁。 楊燦堯(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球化 學探勘-台灣西南海域海水與沉積物之氣體化學組成。經濟部中央地質調查所報告, 第 95-26-F,共 38 頁。 洪崇勝(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球 化學探勘-台灣西南海域沈積物之磁學性質。經濟部中央地質調查所報告,第 95-26-G,共 14 頁。 Hamilton, E. L. (1979) Vp/Vs, and Poisson's ratios in marine sediments and rocks:J. Acoust. Soc. Am., 66, 1093-1101. Ecker, C., and Lumley, D. E. (2001) Seismic AVO analysis of methane hydrate structures: Stanford Exploration Project, 80, 1–288. Hyndman, R.D. and Spence, G.D. (1992) A seismic study of methane hydrate marine bottom simulating reflectors: J. Geophys. Res., 97, 6683-6698.

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第四單元:深海調查 壹、 學習目標(即教學目標) 1. 知道海洋研究船常見的儀器。 2. 瞭解水下無人載具(ROV)的功能與配備。 3. 瞭解水下無人載具(ROV)研發的相關歷程。

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貳、 內文 海洋研究船常見的裝備 海洋研究船是探索海洋的重要工具,海洋是一個高壓、深黑、電訊難以通訊的環境。 海洋的平均深度約 3800 公尺深,每往下沈 10 公尺,壓力約增加 1 大氣壓。陽光很難穿 透數百公尺,因此,大部分的海洋都是幽暗無光的地方。陸地上常用的電磁波通訊,也 無法在海洋當中使用,所以在海洋當中聲納成為主要的傳遞與探索資訊的工具。

圖 4-1:研究船利用側掃聲納所掃瞄出的探測沉船的位置與形貌 海洋研究船可稱為走動式的研究室,研究者可以在船上進行海洋物理、海洋化學、 海洋生物與海洋地質的環境資料分析,所以船上需要配備一些海洋探索的儀器。雖說衛 星遙測已經常常應用在大規模的海洋探測,但是實際測定與分析海洋數據資料有其必要 性與重要性,底下介紹幾種常用的海洋儀器。海洋又深又廣,我們如何得知海底地形的 深度呢?主要是依靠船舶上的聲納系統來瞭解。聲波在海底速度約每秒 1500 公尺,我

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們利用回波的往返時間就可以算出海底深度,一般可利用底下公式換算: 1

D= 𝑇 X 1500 T 為往返的時間(秒) 、D 為深度(公尺)、聲速每秒為 1500 公尺 2

隨著時代的進步,聲納系統從早期單波速測深,進步到多波速測深,現今的調頻式 多波束測深系統可得到更快更高解析度的海底地形,使我們能更真實地窺見海底面貌。 (一)單聲速回音探索系統:這是探索海底深度與地形的聲納系統,它利用聲波的反射原理, 得到海底的深度與地形圖,但單聲速回音探索系統一次只能發射一道波束來,測量船 測線的深度與地形。 (二)多波束回音探索系統:這是探索海底深度與地形的聲納系統,它利用聲波的反射原理, 得到海底的深度與地形圖。與單聲速回音探索系統比較,多波束探測儀一次可以發出 多條聲波,同時測量多個資料,可快速獲取海底的樣貌。 (三)多頻道震測系統:利用空氣壓縮機將高壓空氣輸送至高壓空氣槍,經系統擊發後釋放 出聲源,聲波傳遞至海底地層反射之訊號,經由拖曳於船尾之受波器電纜接收資料, 探測出海底地層與構造。

圖 4-2:船上的推進系統 33


(四)音響式都卜勒流剖儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP):利用都卜勒偏移來測 量流速與流���的儀器。 (五)鹽溫深儀(CTD):利用儀器內的探針來瞭解垂直方向上海水層的導電度變化(轉換 成鹽度) 、溫度(位溫)及深度(壓力轉換得知) ,可以得到不同深度的溫鹽資料,提 供海洋研究者的基本海洋水文資料。 (六)浮游生物採集系統:當要採集海洋生物時,就會利用多層次的採集網,抓取不同大小 的海洋生物。 (七)動態定位系統(DPS) :海洋研究船在海洋航行時,會受到風、洋流、風浪或湧浪的 影響,故會偏移測量的位置。利用船上的 GPS 定位系統,以及船舶讓的推進器或螺 旋系統,穩定在測量的位置上。 (八)沉積物採樣系統:要取得海底沉積物的方法,就會利用不同原理的採集器。常見的有 震動式岩心採樣器(Vibra Corer) 、箱形岩心採樣器(Box Core) 、活塞岩心採樣器(Piston Core)、重力岩心採樣器(Gravity Core)、複管式沈積物採樣器(Multiple Cores)與 抓泥器,這些器具主要用來採集海底沉積物,以重建較長時間的氣候變遷資料。 (九)深海鑽井設備:國內的研究船目前並無此大型設備,這些器具主要用來鑽探深海的沉 積物或岩層,獲取深海的沉積物,以重建較長的古海洋環境。

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圖 4-3:寶拉麗絲研究船的水下定位系統 深海探勘的工具 一般深海探勘工具分成兩種,一種為水下無人載具(包含 ROV, AUV, Glider) ,另 一種為有載人的(Submercible) 。所謂的水下無人載具(ROV) ,就是利用母船的電纜線 來對子船操控探索海洋,避免人員在海洋環境當中的危險所研發出來的器具。另外一種 長程巡曳的自主式水下滑翔機(AUV) ,本身具備感測、判斷與行動三要素,可以無線的 遙控。ROV 技術在 1960 年代達到實用化與商業化,而在 1970 年代隨著石油危機所促 進的海底石油開採需求而蓬勃發展,逐漸取代潛水人員成為水下作業的主流,避免潛水 人員在海洋環境當中受到危險。近年來,隨著資訊科技的進步,微電腦的處理能力大大 提升、以及自動控制理論的發展、GPS 衛星定位的發展、以及水下聲學與載具技術的進 步,ROV 配合海洋探勘的目的來設計。ROV 現在可以加裝機械手臂用於採集樣本、燈光 系統、撈網系統、各式探針系統,進行一些深海探測、海底打撈、以及掃除水雷等危險 性工具。

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圖 4-4:寶拉莉絲號 ROV 拍攝到的海底電纜 現今一些功能強大的 ROV,幾乎就等於「水下機器人」 。一些小型的 ROV 可使用船 上的拖吊系統就能施放到海洋當中。中大型以上的 ROV,由於本身重量與體積較大,當 在海面上漂浮時,常會因為海象不佳,碰撞到工作母船,造成子母船的損害,因此必須 有特殊的佈放及回收裝置,才能在各種不同的海況下執行任務。當 ROV 在作業時,工 作母船必須儘量保持不動,以免因為船的運動而拉扯到控制電纜,影響到水下 ROV 的 工作。這時就必須藉由前面所介紹的動態定位系統,把工作母船維持在固定位置(邱逢 琛,2006)。

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圖 4-5:無載人的遙控潛器 Remote Operated Vehichle (ROV) 出處:http://www.uchinome.jp/event/otherevent/event17_2.html

圖 4-6:ShinKai 6500 深海潛艇透視圖 圖出處:http://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2001/00859/contents/00014.htm

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圖 4-7:李昭興教授與 ShinKai 6500 深海潛艇合照

圖 4-8:國內寶拉麗絲號配備有 ROV

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圖 4-9:國內寶拉麗絲號正在吊掛 ROV

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參、 學習評量,Q&A ()1.海洋的平均深度約為多少呢?(A)1000 公尺(B)2000 公尺(C)4000 公尺(D)6000 公尺 (E)8000 公尺 ()2.6000 公尺的水深,約承受多少大氣壓力呢?(A)200(B)400(C)600(D)800(E) 1000 大氣壓力 ()3.不同區域的海水的水團並不相同,我們常用哪種儀器來測量呢?(A)ADCP(B)CTD(C) ROV(D)AUV(E) ()4.當海洋研究船測量某地的水深時,聲納測得的時間為 10 秒,請問此處的水深約為多少 呢?(A)400 公尺(B)5500 公尺(C)6000 公尺(D)7500 公尺(E)8500 公尺 ()5.當海洋研究船測量某地的海底構造時,需要使用什麼儀器呢?(A)聲納系統(B)鹽溫 深儀(C)多頻道震測系統(D)沉積物採樣系統(E)動態定位系統 ()6.下圖為海洋研究船測量臺灣東北部外海所得到的圖例,請問是使用什麼儀器測量得到的 呢?(A)聲納系統(B)鹽溫深儀(C)多波束聲納系統(D)沉積物採樣系統(E)動 態定位系統

()7. 下圖為海洋研究船測量臺灣西南海域海底的的圖例,請問是使用什麼儀器測量得到的 呢?(A)聲納系統(B)水下無人載具(C)多頻道震測系統(D)沉積物採樣系統(E)

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動態定位系統

調掛作業的圖

實際拍攝到的圖例 ()8.承上題,請問上圖最有可能是什麼地質構造呢?(A)中洋脊(B)海溝(C)斷層(D) 隱沒帶火山(E)海底泥火山 ()9.承上題,請問圖中冒出來的氣體,最有可能的是什麼呢?(A)氧氣(B)氮氣(C)水 氣(D)甲烷(E)氯氣 ()10.請問何者是 ROV 的優點呢?多選(A)直接採集到樣本(B)線上直播影像(C)可以拍 照(D)需要人員在 ROV 內控制(E)無須電纜控制

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肆、 編撰過程之參考資料 邱逢琛 海洋偵測大隊 《科學發展》2006 年 8 月,404 期,20 ~ 27 頁 http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=8369&ctNode=40&mp=1 http://ntuio.oc.ntu.edu.tw/contact.htm 寶拉麗絲研究船介紹 http://dpsurvey.myweb.hinet.net/polaris.htm 海洋研究船介紹 國研院海洋科技研究中心 http://www.tori.narl.org.tw/ 鐘三雄(2007)我國天然氣水合物未來發展策略之研究。經濟部中央地質調查所 96 年 度研究發展報告,第 96-01 號,共 149 頁。 鐘三雄、劉家瑄(2007)新型態潔淨能源-天然氣水合物。科學發展月刊,第 412 期, 第 6-13 頁。

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第五單元:地球物理看海底 壹、 學習目標(即教學目標) 1.瞭解海洋探測之地球物理原理與相關設備。 2.認識地球物理在海洋研究能發揮之功能與角色。 3.瞭解地球物理在天然氣水合物研究的貢獻。

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貳、 內文 探勘天然氣水合物的地球物理方法 天然氣水合物儲存在高緯凍土帶外,也存在海洋沉積物當中,因此,在進行探勘時,都需要 海洋研究船設備儀器去測量。在進行鑽探與沉積物採樣前,都會進行先地球物理探勘,先評 估天然氣水合物的可能性後,才會進行直接的採集。探勘天然氣水合物的地球物理方法,常 見的有反射震測、海底地震儀探測、重力探勘、磁力探勘、海底電阻探測、地熱測量、井測。

圖 5-1:研究船探測天然氣水合物的方法

(一)反射震測 天然氣水合物在低溫高壓下,呈現固態,其密度比水小。所以在海底地層當中,含有天然氣 水合物與無天然氣水合物的岩層彈性的差異程度較大(Gregory,1976) 。按照彈性反彈理論 (Theory of Elastic Rebound),在彈性的介質當中,縱波(P 波)與橫波(S 波)的速度分別如下: 44


式中 k 為介質的體積係數(bulk modulus) ,μ為介質的剛性係數,r 為介質的密度,Vp 與 Vs 分別為 P 波與 S 波的速度。從這兩個公式中很容易發現地震波速與介質的物理性質有密 切關係(Jacobs,1992)。因此對於同一種海底沉積物,若含有固態水合物時,縱波速度大 於其含水或氣態時的縱波速度,這樣我們可以速度構造瞭解是否含有天然氣水合物的存在。 再者,國內的震測設備是傳統的水上反射震測。船上的接收器將反射的資料紀錄下來後,在 反射震測剖面上如有海底仿擬反射(bottom simulating reflector, BSR)的強反射信號, 表示有天然氣水合物賦存。BSR 是天然氣水 合物生成的最大深度,在 BSR 上方是天然 氣水合物固體的穩定帶,下方則是甲烷游離 氣(如右圖所示)。

圖 5-2: 海底仿擬反射震測剖面圖

45


圖 5-3:震波的 BSR 反射層(李昭興提供) (二)海底地震儀探測 所謂的海底地震儀(ocean bottom seismometer, OBS)可解析地層中震波的速度,彌補震 測支距短對地層中震波速度解析不足的缺失。一般而言利用 BSR 上方是高速層,下方是低 速層的特性,由 OBS 解析出的速度剖面,可判斷出高速的天然氣水合物及低速的游離氣的 分布範圍。此外,利用 OBS 探測技術也可推估地層的孔隙率,這是估算天然氣水合物儲存 量不可或缺的重要參數(引自陳松春與王詠絢,2007)。

圖 5-4:海底地震儀探測 出處:陳松春、王詠絢(2007) 科學發展月刊 412 期 46


(三)地熱測量 溫度、壓力是天然氣水合物形成、穩定與解離的重要因素,因此我們利用這個特徵,地熱學 的方法也成為研究天然氣水合物的方法之一。根據甲烷水合物溫度-壓力平衡圖(下圖)顯 示,量測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 曲線的交點就是天然氣水合物的穩定基底深度,交點以上是天然氣水合物穩定帶,以下則以 甲烷游離氣型態存在,同時可推估得到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,會造成兩者的推估深度有不一致的情形。

圖 5-5:純甲烷水合物溫度-壓力平衡示意圖。 目前國際間對海域天然氣水合物賦存區的海底地熱測量方法,普遍採用李斯特型的海底探針, 47


其海床穿透深度可達 4 ~ 5 公尺,先前臺大海洋研究所自行研發出可穿透 7 公尺深的高解 析度海底地熱探針。但就臺灣西南海域快速的沉積速率而言,李斯特型地熱探針最深只能穿 透海床以下 7 公尺,如此淺層的穿透可能無法反應地層深部的地溫梯度,導致地溫梯度的 低估,而天然氣水合物的基底深度會因此被高估。為改善這項缺點,臺大海研所進一步研發 「附著式微小型熱探針」,這種形式可附著於岩心採樣器上,隨著採樣深度量測地溫。傳統 的活塞岩心採樣深度最大僅達 4 ~ 5 公尺,中央地質調查所於 2005 年購得長岩心取樣設 備(15 ~ 18 公尺),突破了國內海底岩心採樣長度的瓶頸,成功取得 10 公尺左右的長岩 心。未來附著式微小型熱探針將配合長岩心採樣,進行更深的海底地溫梯度量測(引自陳松 春與王詠絢,2007)。

圖 5-6:地熱測量。圖例出處:陳松春、王詠絢(2007) 科學發展月刊 412 期 (四)海底電阻探測與井測方法 天然氣水合物的沉積地層往往具有高電阻係數與高的聲波傳遞速度,並且天然氣水合物自然 電位差幅度低(天然氣水合物會堵塞了孔隙,降低了擴散和滲透作用的強度) 。因此,我們 常會利用這種物理性質來評估天然氣水合物的含量。應用的方法有兩種,一種為海底電阻探 48


測,如下圖,探測地層的天然氣水合物地電阻。另外一種為利用在現地調查的井測當中,在 井測的天然氣水合物,會有高聲速、高電阻、低密度、低熱導率與低滲透率的性質來判別天 然氣的含量。

圖 5-7:井測的介紹 (五)重力及磁力探測分析

重力及磁力探測可提供大尺度地殼構造分析,做為研究天然氣水合物賦存區甲烷氣體生成的 來源、移棲路徑及富集儲存模式的參考。海床如有甲烷氣溢出,會把海底沉積物中高磁性的 磁鐵礦還原成低磁性的硫複鐵礦,或無磁性的黃鐵礦,因此進行磁力探測時可能會發現有磁 力異常低的區域。根據國外研究,加拿大溫哥華外海的天然氣水合物賦存區,經岩心取樣發 現確有天然氣水合物。而且含天然氣水合物的岩心中發現有黃鐵礦增生,岩心磁感率相當低, 不含天然氣水合物的岩心中磁感率則相對較高。可見利用磁力特性確可進行是否有甲烷氣溢 49


出的調查(引自陳松春與王詠絢,2007) 。

圖 5-8:重力及磁力探測分析 圖例出處:陳松春、王詠絢(2007) 科學發展月刊 412 期

臺灣西南海域天然氣水合物賦存區的水深約為 500 ~ 3,000 公尺,傳統磁力探測的解析度 無法解析小區域的甲烷氣溢出。為提高磁力探測的解析度,中央大學於 2005 年採購了高解 析度的底拖式磁力儀,最大壓力顯示是水深 680 公尺,離海床有效探測距離是 100 公尺。 日後在擇定天然氣水合物高潛能區域時,將可進行高解析度的磁力探測。 表 5-1、水、冰、天然氣水合物的物理性質比較表 物理性質

天然氣水合物

壓縮波波速 (㎞/s)

1.47

3.8

3.3-3.8

50


剪力波波速 (㎞/s)

0

2.0

~1.7

熱能傳導率 (W/mK)

0.59-0.56

1.5-2.5

~0.5

密度 (g/cm )

1.035

0.917

~0.92

電阻率 (Ωm)

~0.3

10-1000

~150

3

(六)岩芯紅外線測溫 這主要利用岩芯當中的天然氣水合物在解離時會吸熱,造成其周遭岩芯物質溫度較低的原理。 室溫當中,天然氣水合物會自我保護,解離過程外圍會冰晶化,溫度就相對其他泥質沉積物 溫度更低。在此,用此種方法來看水合物的分布狀況。

圖 5-9:岩心掃瞄紅外線測溫

51


(七)岩心 X-ray 或 X-ray CT 影像分析 利用岩心 X-ray 或 CT 影像分析,可以得到細部的岩心組織影像,主要看岩芯標本中存在的 裂隙以及岩石礦物結構。天然氣水合物多存在於裂隙當中。如下圖所示。

圖 5-10:CT 影像 52


天然氣水合物的探勘當中,利用了地球物理的震測、地熱、重力與磁力方法,進行探測,初 步探測出結果後,再配合地質、地球化學、海底攝影與直接鑽探來更進一步的評估,預估天 然氣水合物的儲量,可見地球物理方法在天然氣水合物研究上扮演著重要的角色。

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參、 學習評量,Q&A 1. 探勘天然氣水合物常見的地球物理方法有哪些呢?請簡要寫出。 反射震測 海底地震儀探測 海底電阻探測 地熱測量 重力及磁力探測分析 岩心 X-ray 或 X-ray CT 影像分析 岩心紅外線測溫 井測 ()2.底下為一地質剖面圖,請問是利用什麼方法得到的圖例呢?(A)磁力(B)地熱(C) 地電(D)震測

()3.請問圖例 BSR 主要是探勘什麼物質呢?(A)石油(B)煤(C)天然氣水合物(D) 金屬礦 ()4. 請問天然氣水合物的甲烷氣主要來源為何呢?(A)大氣溶解至地層當中(B)生物 源(C)石油轉變而來(D)地質成岩作用所得來 ()5.請問水、冰、天然氣水合物的物理性質當中,何者天然氣水合物數值最低呢?(A)P 波速度(B)S 波速度(C)熱能傳導率(D)密度(E)電阻率

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肆、 編撰過程之參考資料 http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=8478&ctNode=40&mp=1 鐘三雄(2007)我國天然氣水合物未來發展策略之研究。經濟部中央地質調查所 96 年 度研究發展報告,第 96-01 號,共 149 頁。 鐘三雄、劉家瑄(2007)新型態潔淨能源-天然氣水合物。科學發展月刊,第 412 期, 第 6-13 頁。 劉家瑄 (2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究地球物理調查-反射震 測與海床聲納迴聲剖面調查研究。經濟部中央地質調查所報告,第 94-25-A 號,共 26 頁。 徐春田 (2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究地球物理調查-天然氣 水合物賦存區���地熱調查。經濟部中央地質調查所報告,第 95-25-C 號,共 49 頁。 黃奇瑜(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球化 學探勘-台灣西南海域天然氣水合物潛能區沉積物之地質學特徵。經濟部中央地質調 查所報告,第 95-26-A,共 67 頁 游鎮烽(2006) 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究海域地質調查與地球化 學探勘-沈積物間隙水之硼與氯同位素研究。經濟部中央地質調查所報告,第 95-26-C, 共 52 頁

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第六單元:_地球化學看海底_ 壹、 學習目標(即教學目標) 1. 知道海洋地球化學的研究範疇。 2. 瞭解海洋探測之地球化學原理。 3. 知道天然氣水合物的開採方法。

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貳、 內文 簡介海洋地球化學 海洋地球化學是研究海洋中的化學元素含量、分布、遷移和通量的科學。海洋地球化學 是地球化學中以海洋為主體的分支。海洋地球化學研究範疇主要在(1)海洋中的溶解元素; (2)海洋中的溶解氣體; (3)海水中的微量元素;(4)海洋中的有機物;(5)海洋中的懸 浮粒子; (6)熱液作用;(7)海底沉積物的孔隙水;(8)海水中的同位素。

天然氣水合物的地球化學特性 科學家從海洋地球化學的原理來探勘天然氣水合物主要有下列幾項原理: (1)海洋底水的甲烷含量高: 天然氣水合物由於地質環境的改變,甲烷氣體會 隨著從海底的裂縫慢慢釋放出來,因此,當利用 甲烷儀器量測海床時,甲烷的濃度會增加(如下 圖示)。

圖 6-1:聲納探測到甲烷氣泡 (2)沉積物孔隙水的氯離子含量低: 海水中的主要成分以離子形式存在, 其中含量大小為 Cl-> Na+ > Mg2+ > SO42-(mg/L)。一般在岩芯中觀測到孔隙水氯 57


離子變化來代表岩芯中有天然氣水合物存在,主要是因天然氣水合物解離放出純水,淡化了 孔隙水的氯離子濃度。 表 6-1:海水的主要成分 成分 濃度 (mg/L)

成分

濃度 (mg/L)

10500

19000

380

硫酸鹽

885

1350

酸式碳酸鹽

140

400

65

8

硼酸

5

圖 6-2:天然氣水合物底水鹽度增高示意圖(此現象是用來證明天然氣水合物正在生成當中, 或才生成不久)

58


(3)沉積物間隙的甲烷含量高、硫酸鹽-甲烷界面深度的異常淺;Borowski(1999)等人 研究指出海床下方如賦存有天然氣水合物,其硫酸鹽-甲烷界面(SMI)深度約在海床 下方 50 公尺深以內。甲烷含量越高,SMI 越淺。

圖 6-3:硫酸鹽-甲烷界面深度的異常淺示意圖 (4)有自生性甲烷源碳酸鹽的出現;底下為形成的化學方程式。這是 Rodriguez 等人(2000) 提出的硫酸鹽還原反應。 2-

3-

-

+

2(CH2O)+SO4 →2HCO +HS +H (成岩作用) 2-

3-

-

CH4+SO4 →HCO +HS +H2O (厭氧甲烷氧化作用) 2+

3-

自生性碳酸鹽形成 Ca + HCO →CaCO3+H

+

這些在海底的攝影可以看見,經由儀器分析可知沉積物的化學性質。在海底地貌的特徵有海 底泥火山或冷泉(圖 A)、天然氣水合物隆堆(圖 B)、化學自營性的生物(圖 B)-管狀蟲、 貝叢以及自生性碳酸鹽礁(Roberts,2001;Hein et al,2006)。

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圖 6-5: 自生性碳酸鹽礁與成因

由以上的現象,也可以知道是否有天然氣 水合物賦存的潛能為何。 天然氣水合物開採方法 (一)熱激發法(thermal stimulation) 直接對天然氣水合物的沉積層進行加熱,讓天然氣水合物的溫度超過平衡的溫度,然後開始 分解為水與天然氣的開採方法。這種方式主要是將熱流體的物質放入,但是這種方法效率低, 只能局部加熱,方法還有改善的空間。

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圖6-6:熱激發法

原出處:Castaldi et al. (2007)

(二)減壓開採法(depressurization) 這個方法是讓天然氣水合物降低壓力,促使天然氣水合物分解的開採方式。如何讓天然氣水 合物降低壓力呢?首先利用低密度的泥漿傳送到鑽井當中,減少天然氣水合物層的壓力。這 種方法適合於溫壓平衡邊界的天然氣水合物層,減壓開採的方法較有經濟效益。

61


圖6-7: 減壓開採法 (三)化學試劑激發法(inhibitor stimulation) 將鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等注入至天然氣水合物的岩層,破壞天然氣水合物的 相平衡,促使天然氣水合物解離,再將甲烷氣體引導至地表上。這個方法可以改善熱激發的 成本,但是確有嚴重的問題,化學試劑成本過高,再者海洋環境可能受到影響。並且大量的 天然氣水合物,需要非常大量的化學試劑。

(四)二氧化碳置換開採法 這種方法是日本學者提出,這是利用天然氣水合物穩定帶的壓力條件,在一定的溫度條件下, 甲烷水合物保持穩定的壓力比二氧化碳水合物更高,因此,在特定的壓力範圍內,天然氣水 62


合物會解離,而二氧化碳水合物更容易形成,且更加穩定。這個方法讓引起大家的注目,除 了可以消除過多的二氧化碳,順便可以採集到甲烷,一舉兩得。

二氧化碳置換開採法

(五)直接固體開採方法 這個方法就是直接開始海底的固態天然氣水合物,將天然氣水合物拖至淺水區,進行控制性 的分解,收集甲烷氣體。具體方法為將天然氣水合物在原地分解為氣液態,採集混有氣態、 液態、固態水合物的泥漿,然後將泥漿導入船隻或者開採平台處理,徹底收集甲烷氣。

以上開採天然氣水合物的方法,科學界仍然在改進當中,每個方式都有其限制與成本過高的 議題,如何有效又不會影響到海域環境的方法,未來仍有很大的發展空間。

63


參、 學習評量,Q&A ()1.下列何者不屬於是海洋地球化學的範疇?(A)海水的微量元素(B)海水中的碳 循環(C)海水中的同位素的含量(D)利用海底地震儀來瞭解海底地質構造 ()2.海水的鹽類主要是以什麼型態在海水當中呢?(A)固態(B)氣態(C)離子(D) 化合物 ()3. 科學家可以應用哪些原理來探勘天然氣水合物呢?(A)海洋底水的甲烷含量低 (B)沉積物孔隙水的氯離子含量高(C)硫酸鹽-甲烷界面深度的異常深(D)有自生 性甲烷源碳酸鹽的出現 ()4.下面哪個開採天然氣水合物的方法,可以減緩全球暖化的速度呢?(A)熱激發法 (B)減壓開採法(C)化學試劑激發法(D)二氧化碳置換開採法(E)直接固體開採方 法 ()5 關於熱激發法的方法,下列何者為非?(A)需要有熱源(B)需要鑽井(C)可 以大區域的加熱(D)成本高.

()6.

請問下圖為何種開採天然氣水合物的方法?(A)熱激發法(B)減壓開採法(C)

化學試劑激發法(D)二氧化碳置換開採法(E)直接固體開採方法

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肆、 編撰過程之參考資料(請按 APA 格式第五版撰寫) 鄧瑞彬(2003) 天然氣水合物採收技術之研究 國立成功大學資源工程研究所碩士論文, 未出版,台北市 鐘三雄 劉家瑄(2007) 。新型態潔淨能源天然氣水合物。科學發展,412。2007 年 4 月, 取自: http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2007_47/06-13.pdf 楊嘉慧(無日期) 。天然氣水合物能替代石油嗎?科學人雜誌網。取自: http://sa.ylib.com/saeasylearn/saeasylearnshow.asp?FDocNo=1239&CL=85 深海二氧化碳封存技術展望-開發可燃冰資源與封存二氧化碳併進(98 年 12 月 18 日)。 經濟部中央地質調查所新聞資料。取自: http://www.moeacgs.gov.tw/upload/info/ATT42100.doc 甲烷水合物的探測及開採

取自:

http://cgsweb.moeacgs.gov.tw/Result/Hydrogeo/ch/%E7%B6%B2%E9%A0%813.htm 認識甲烷水合物 取自: http://cgsweb.moeacgs.gov.tw/Result/Hydrogeo/ch/%E7%B6%B2%E9%A0%813.htm 行政院海洋事務推動小組

取自:

http://www.cmaa.nat.gov.tw/ch/NewsContent.aspx?NewsID=98&CategoryID=6 Collett, T. S. (2007). Geologic controls on the energy resource potential of natural gas hydrates. 2007 International

Conference on Gas Hydrate, Taipei, Taiwan. Retrieved March 6, 2008, from http://140.112.68.2/ghc/2007GasHydrateConference.files/ab01.pdf 65


Kvenvolden, K. A. (1998). A primer on the geological occurrence of gas hydrate. Geological Society, London, Special

Publications, 137, 9-30. Kvenvolden, K. A. (1999). Potential effects of gas hydrate on human welfare. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United

States of America, 96(7),3420-3426.

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第七單元:_海洋開發與環境災害__ 壹、 學習目標(即教學目標) 1. 知道海洋環境與保護。 2. 瞭解天然氣水合物開發對海洋環境的可能影響。 3. 瞭解海洋的永續發展方法。

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貳、 內文 海洋資源 海洋有地球上最豐富的資源,隨著近代海洋科學技術的進步,已經發現海洋當中蘊藏 著多種資源,數量遠遠超過陸上的儲量。海洋從水體到海底以及底層都蘊藏著極其豐 富的寶藏。總類繁多的生物資源、礦產資源、化學資源等,還有取之不盡與用之不竭 的再生能源-海洋能。目前在海底發現的重要礦產有下列幾種: (一)化石燃料(石油、天然氣) 根據法國石油研究所的估算,世界石油的最大儲存量可能高達 1 萬億頓,但可開採的 儲存量有 3000 億頓,其中在海洋的部分約有 1350 億噸,佔 45%。世界天然氣的總儲 量約為 140 萬億立方公尺,在海洋天然氣產量超過 1 萬億立方公尺。隨著陸上的石油 天然氣開採日益枯竭,日後往大量向海底開採的石油與天然氣將是一個趨勢。

圖 7-1:深海礦產示意圖 68


(二)金屬錳鈷結核 因海水的化學作用,還有火山的熱液循環作用,使得重金屬礦物得以自深層地殼 產生得來,而得以覆蓋在岩床或岩石之上, 這些都變成今日富錳鎳、鈷和銅的 4

錳岩礦和錳結核。根據目前估算,大洋中的錳結核總儲存量為 5X10 億噸。目前 還沒有達到開採的經濟效益,但當陸上的資源枯竭以後,它們將是明日的主要礦 產資源。富含鈷錳結殼儲藏在 300~4000 米深的海底,容易開採。美國語日本已 經設計了一些開採系統,用來採礦。

圖 7-2:海洋鑽探得到的天然氣水合物 圖出處:(劉家瑄提供) (三)天然氣水合物 天然氣水合物的甲烷總資源量約有 2 萬兆立方公尺,其有機碳含量約有 10 兆公噸, 約為目前已知所有傳統化石燃料能源之有機碳總儲量的 2 倍。其中全球 27 %的陸 域永凍層及 90 %的陸緣海域沉積物中,可能有天然氣水合物的賦存。因此,各國 對於在海底天然氣水合物持續探勘與改善科技,以達可商業運轉的目的。 如何估 69


算天然氣水合物的甲烷資源量呢?底下有公式可以推算之。 V = A × Z × Φ × H × E

(體積法) 11

3

= 4.5~22.5 ×10 m 11

(10 ~10

12

3

m ; 千億~兆 立方公尺) 3

2

V:天然氣水合物甲烷資源量(m )

A:水合物分布面積(1 萬 km 之 50%)

Z:水合物賦存層平均厚度(300 m 之 50%) Φ:沉積物平均有效孔隙度(40 %) H:孔隙中水合物平均飽和度(1~5%)E:水合物中天然氣容積倍率(150)

海洋環境與保護 海洋是地球環境的一環,雖然面積佔地球表面的 71%,在地球環境當中,較少受到 人類直接建設及開發的領域。但是海洋蘊含的資源豐富,不管是海洋生物資源或者礦產、 能源資源,都是相當豐富。海洋也是影響陸地環境與氣候的主要因素,在環流系統或者 氣候系統,都扮演著重要的角色。工業化時代之後,隨著人口暴增,能源需求大增,大 規模的開發陸地上的資源,資源已接近枯竭,未來人類仰賴海洋的程度將會與日增。海 洋雖大,但是如果人類仍恣意滿足眼前的利益而不加以珍惜,海洋仍會因為人類的過度 開發及汚染,而破壞殆盡。 海洋生態系遭受破壞的原因 海洋環境當中,海洋生物多樣性極豐富,這些多樣性極高的海洋生物大多分佈在「海 中熱帶雨林」區域,例如珊瑚礁或是紅樹林、大陸棚地區及河口等沿岸地帶,這些狹窄 的沿岸地區,因距離人類活動範圍最近,故最容易受到人為活動的干擾與破壞,污染區 70


域也相對較為嚴重。全球之漁產量與生物多樣性早已在迅速衰退,近幾年來漁類大量減 少,唯有印度洋區域因開發較遲,數量略為增加,但在太平洋與大西洋區域,在十幾年 前起即每況愈下,造成這個的人為因素如下: (1)過度捕撈;(2) 海洋生物棲地破壞;(3) 海洋污染;(4) 外來種入侵;(5) 全球變遷等。 開發天然氣水合物的對海洋環境的影響 開發天然氣水合物可能的海洋環境衝擊可能會引發海床崩毀或海床滑移,在海底崩 塌的過程當中,可能會有大量的甲烷氣體釋放到大氣當中。這是因為天然氣水合物的賦 存深度淺,大都分布在永凍層以下 200 公尺到 1000 餘公尺深或海床下方 500 公尺深的 範圍。一旦發生海水面下降或海水溫度升高時,受到上方壓力快速減壓或升溫效應,將 使得天然氣水合物穩定帶底部位置向上變淺;此時,位於新的穩定帶底部下方原已生成 的天然氣水合物開始發生分解,所產生富含氣水等高壓流體將儲聚在新穩定帶底部下方 而形成地層弱帶。溫室氣體包含了水氣、二氧化碳、甲烷、氟氯碳化物與氮氧化物等, 這些溫室氣體因化學性質不同,吸熱性質也不同。二氧化碳不是最強的吸熱氣體,但量 最多,約佔温室效應的 75%。甲烷的吸熱能力比二氧化碳高 20 倍,約佔温室效應 20%。 若因為開採而將甲烷大量釋放到空氣當中,會使得溫室效應加劇,全球暖化可能會更嚴 重。這個是大家所關心的議題之一,但是甲烷水合物的本身性質,會有所謂的自保效應。 當甲烷水合物解離過程是吸熱作用,將會在外圍形成白色冰晶狀,不至釋放出氣體。並 且在海床釋放出來的甲烷氣體,在上升的過程當中,多數會溶解在海水當中。故只有特 殊情況甲烷氣體才有機會散到大氣當中,造成我們所擔心的暖化議題。 71


圖 7-3:天然氣水合物解離造成的崩塌

海洋的永續發展 我們只有一個地球,對於海洋的永續發展而言,可以分為三個面向去思考: (1)合理開 發及利用海洋資源; (2)建立永續發展能力; (3)保護海洋生態與周遭環境。海洋是全人類 共同的資產,並非隸屬於周遭海域的國家所擁有。因次,世界各國應該有限制的利用,及合 理地開發海洋環境。這個思考的方向在於海洋資源不能過度開發或利用,須要去確保資源生 生不息,永續發展與利用。具體作法可以歸納以下幾項: 1.建立綜合管理機制:世界各國政府應單位訂定海洋相關法令,有效管理體制和協調機構, 管理有限海洋資源,以及永續經營海洋相關產業。

72


2.加強海洋生態保育措施:世界各國都需要保護海洋的各項資源,設立海洋自然保護區,監 督海洋環境生態系統,以及最高漁撈許可量,嚴格禁止捕撈瀕臨絕種及稀有海洋動植物等。 3.有效控制海洋汙染:海洋科學界需要監測海洋環境,建立諮詢系統,達到防止、減輕、控 制海拋廢棄物和其他海上活動對海洋環境的汙染。陸上及沿海區域,要嚴格控制河川之水質、 淨化港灣,以及提升海洋放流水之除汙水準,都是海洋汙染整治的根本之道,否則很容易讓 海洋污染更加嚴重。 4.嚴格控管海洋資源的開發:海上的油田與船務運輸的過程,常會排放出油污,尤其 一些事故船舶,造成周遭海域的嚴重污然,危及周圍的生態環境,一旦受到污染,短 時間無法恢復,也容易造成食物鏈的崩潰。 人們在開發海洋能源與資源時,需顧及海洋環境的承受能力,過度的開發與利用, 大自然最終將會大反撲,危及生態系統及人類,因此,在面對大自然時,應懂得共存 共利共榮,永續發展。

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參、 學習評量,Q&A 1.()溫室氣體包含哪些呢?多選 (A)水氣(B)氧(C)氮(D)二氧化碳(E)甲 烷 2.()哪一些作用,將會造成海底的天然氣水合物的甲烷釋放到大氣當中呢?多選(A) 海水面上升(B)海水面下降(C)海底地震(D)海底崩移(E)氣溫下降 3.()以下何者為再生資源呢(A)化石燃料(B)天然氣水合物(C)海洋能(D)天 然氣 4.()漁貨量快速減少的主要因素為何呢?(A)過度捕撈(B) 海洋生物棲地破壞(C)海洋污 染(D) 建置人工漁礁(E)全球變遷 5.()海中的熱帶雨林通常是指哪個地方呢?(A)深海平原(B)濕地(C)珊瑚礁(D) 中洋脊(E)熱液環境

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肆、 編撰過程之參考資料 馴服暖化猛獸: CO2 對抗記,瓦勒斯.布羅克(Wallace S. Broecker),羅伯.庫齊格(Robert Kunzig),時報文化出版。 挑戰海洋盡頭行動議程,Linda K. Glover, Sylvia A. Earle, Graeme Kelleher,五南 圖書出版。 是你,製造了天氣:全球暖化危機,提姆.富蘭納瑞(Tim Flannery) ,高寶國際出版。 暖化?別鬧了,隆柏格(Bjorn Lomborg).博雅書屋出版。 發燒地球 200 年,蓋爾.克里斯欽森(Gale E. Christianson),野人文化出版。

范光龍(2006)海洋環境概論─談台灣沿海環境(第二版),台灣西書出版社

史奈德 (2008) 地球實驗室(天下文化出版)

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第八單元:_從模擬與實驗瞭解天然氣水合物_ 壹、 學習目標(即教學目標) 1. 瞭解如何模擬及實驗來研究海洋。 2. 認識如何透過合成模擬來研究天然氣水合物的生成情況。 3. 瞭解臺灣的甲烷水合物調查研究進展

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貳、 內文 天然氣水合物之理論基礎 天然氣水合物是一種新型態的天然氣資源;一般而言,天然氣燃燒時無硫氧化物 產生,其所產生的氮氧化物為煤炭的 20~40 %,二氧化碳產生量為煤炭的 60 %,二 氧化硫排放量幾乎為零,總體來說,其產生的溫室氣體約為煤炭的 1/2、石油的 2/3。 由於天然氣水合物具有分布廣、儲量大及比傳統化石燃料(如煤與石油)還潔淨等優 勢,極可能成為本世紀傳統碳基能源的重要替代能源。天然氣水合物和傳統天然氣的 資源特性比較如表 8-1。

表 8-1、天然氣水合物資源和傳統天然氣資源之特性比較表 型態

天然氣水合物

傳統天然氣

成分

甲烷基(甲烷為主)

甲烷基(甲烷-戊烷)

燃料

潔淨化石燃料

潔淨化石燃料

物質

固態

氣態

外觀

冰狀物

看不見

開發現況

未開發

生產中(預估 60 年後枯竭)

氣體成因

微生物作用為主

熱裂解作用為主

目前國際天然氣水合物的研發趨勢,除了資源探採與生產開發、全球碳循環與 氣候變遷、陸坡海床穩定性及海域地質災害衍生等議題外,對於天然氣水合物應用 科技的研發,也一直方興未艾,其主要研發議題與趨勢大致包括:(1)天然氣水合 77


物的生長劑與抑制劑等配方及其相關應用技術之研發; (2)天然氣水合物儲運系統 鏈等相關技術之研發,例如天然氣水合物的快速生產、天然氣水合物的儲運技術、 天然氣水合物的再氣化等; (3)節能減碳等相關產業應用之研發:例如利用二氧化 碳水合物生成技術作為發電廠或煉鋼廠等產業所需的二氧化碳捕捉技術之研發、海 洋二氧化碳封存技術之研發、水合物型態之相變儲能新材料的研發及其相關的冷凍、 空調及熱泵等系統之節能應用技術研發等;(4)其他項目之研發:例如氫氣儲存技 術、海水除鹽與水質處理技術、油田伴生氣的捕捉與儲運技術、天然氣的淨化技術、 揮發性有機化合物之回收技術及環保滅火材質等研發(陳伯淳與王錦昌,2009)。

冰晶法模擬合成天然氣水合物 甲烷氣水合物(Methane Hydrate)是指在高壓及低溫條件下,甲烷氣體分子被水分 子所組成的籠狀結構包裹後所形成外觀與雪團相似的白色結晶固體。國外目前多以人工合成 方式製作天然氣水合物標本,再進行其物理化學特性的探討研究。國內中央地質調查所利用 冰晶法模擬合成天然氣水合物的實驗設備(陳伯淳與王錦昌,2009)。當我們知道了天然氣 水合物在不同環境之溫度、壓力下的解離速率,才能選出最符合經濟成本的方法,還有在輸 送時,實驗時模擬最緩慢的溫壓條件來輸送,以達商業運用。當研究船在進行海洋地球物理 調查時,先瞭解實驗室的模擬狀況,我們可以使用不同的參數與模型,估計同一地點天然氣 水合物的蘊藏量可能有相當大的差異性。在得知天然氣水合物在不同的蘊藏條件下,例如: 沉積物種類、溫度、壓力、孔隙水含量等,知道沉積層中天然氣水合物的參數,藉以估計海

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底水合物的儲量,就成為相當重要的研究課題。因此,實驗室的模擬合成可以讓我們可以知 道不同環境參數下,可能天然氣水合物的狀況。 實驗室模擬實驗的因素 依目前的科技術而言,天然氣水合物離大規模商業化的開發利用,還有一段距離要努力。 這主要是對於天然氣水合物在地質環境中的生成機制、賦存產狀等還未有全面性的瞭解,實 際的狀況並不容易掌握,世界各地的儲藏情況也不盡相同,再者許多開採技術瓶頸也都尚待 突破,很多都是理論上的狀況,應用在多變的海象、氣候與地質情況,就需要一一去克服。 再者,天然氣水合物在高壓低溫的環境下才能穩定存在,否則就解離出天然氣與水,目前就 需要去研發更經濟安全的方式加以儲存、運送、利用,甚至是經由置換的方式,將水合物中 的甲烷以溫室氣體二氧化碳加以取代,都是仍待研究的課題,都需要實驗室前置的研究,再 來應用到實際的狀況當中。 各國摸擬合成進展 美國、加拿大、俄國等早已設有低溫高壓實驗室以合成天然氣水合物。早期的實驗室架構比 較簡單,僅能做基礎合成,無法目視觀察在高壓釜內部天然氣水合物生成的過程。後來針對 各種研究需求,進一步發展出能直接觀測錄影的設備。日本在這一方面的研究也不遺餘力, 第一個天然氣水合物低溫高壓實驗室於 1993 年於日本地質調查所建成,隨後在 1995 年加 以改進,1998 年針對模擬地層實驗又新建了一個實驗室。底下為美國與中國大陸模擬合成 的概況。

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表8-2、天然氣水合物美國與中國大陸的合成進展 國別 美國地質調查所

研究者

合成進展

溫特斯

1.天然氣水合物和沉積物試驗裝置(Gas Hydrate

(W.J.

GHASTLI是目前天然氣水合物地球物理模擬實驗的

Winters) 史騰 (L,Stern)

最尖端設備。 2.岩心試驗時,能重現自然界的壓力和溫度,模擬 天然氣水合物在岩心強度和聲波速度的定量變 化,岩心滲透率和電阻隨天然氣水合物含量變化。 3.模擬天然氣水合物岩心的三維強度測試。比較自 然界和實驗室形成的天然氣水合物-沉積物混合 物的物理性質,並可以直接於儀器內量測各項性 質,減少誤差。

中國大陸

業渝光

1.沉積物中天然氣水合物相平衡狀態的模擬實驗。 2.判定天然氣水合物中氣體含量的技術。 3.聲波衰減譜的應用方面居國際領先地位。

近年來由於瞭解到天然氣水合物可能有更多的應用面向(除氣體的儲存、運送外,尚有 冷凍、二氧化碳封存、氣體分離等技術研發),因此有愈來愈多的研究改投注於促進水合物 的形成。Zhong and Roger(2000)與Gangi et al.(2007)的研究皆發現在天然氣(甲烷 90%、乙烷6%、丙烷4%)+水的系統下,當加入的介面活性劑SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)

80


超過臨界微胞濃度時,所生成的水合物會沾附在釜壁邊緣,而非形成薄膜阻礙水與氣體的接 觸,因此在靜止不攪拌的系統中水合物生成的速率與水合物中的氣體飽和度得以大幅增加。 但以此方式要大量地生成且取出水合物,仍有其困難處(陳伯淳與王錦昌,2009)。

臺灣的甲烷水合物調查研究進展 我國的調查研究從 1990 年代開始,當時學界地球物理的研究,主要利用震測的方法瞭 解西南海域海底反擬反射分布(Chi et al., 1998)。1999 年時,中國石油公司與工研院能 源資源所合作,辦理海域新資源探勘開發專題研討會。2001 年中央地質調查所與工研院能 源資源所開始進行台灣週邊海域甲烷水合物調查研究先期規劃。2002 年中油公司進行 OR1-647 航次地球物理的調查研究案。隨後 2002 與 2003 之間,中央地質調查所開始進行海 底仿擬反射資料庫及回聲剖面資料庫建置,並在進行兩航次 OR1-681 航次地物調查,以及 OR1-697 航次岩心試採。2004 年國家型計畫開始,由中央地質調查所與臺灣學界開始進行兩 期八年的科技計畫,第一期為 2004 年至 2007 年,第二期為 2008 年至 2011 年。

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圖 8-1:2004 年至 2007 年臺灣的甲烷水合物調查研究進展 研究成果豐碩,可知道臺灣西南沿海天然氣水合物的分布區域與背景資料(楊燦堯與劉家瑄, 2007)。

圖 8-1: 臺灣西南沿海天然氣水合物的分布區域與背景資料 在台灣海域的研究方面,Chi et al. (1998)繪製出台灣西南海域 BSR 分布位置 圖,顯示在台灣西南海域的增積岩體中,具有 BSR 徵兆的面積廣達 20,000 km2 以上。 劉家瑄等人(1999)及 Schnurle et al. (1999, 2000)則利用西南海域過去收集來的多 頻道反射震測資料,以震波特性分析、振幅-支距分析與飽和度分析等,來推導地層 中天然氣水合物之物理特性及游離天然氣之含量。Chiu et al.(2006)利用海底聲納 回聲剖面探測結果觀察到,無論在被動陸緣的大陸斜坡區或活動陸緣的增積岩體區, 82


均發現有泥貫入體、海底泥火山或流體擾動等現象的分布,而這些特殊地質現象常與 天然氣水合物的產出有關。另外,一些文章指出調查區域內普遍有甲烷含量高及硫酸 鹽-甲烷界面深度淺等異常現象(Chuang et al., 2006;Lin et al., 2006;楊燦堯, 2007;林曉武,2007)

圖 8-2:台灣西南海域海底仿擬反射圈合分布圖(Liu et al., 2006) 。紅色圈合 區域代表確實有海底仿擬反射信號出現的分布區域,代表該區域一定有天然氣水合物 賦存。 第一期的結果可知道臺灣海域天然氣水合物的豐富藏量,隨後第二期的計畫開始進行研 究,主要研究方向有四個, (一)評估天然氣水合物好景區所含的甲烷資源量; (二)天然氣 水合物鑽探調查井位之規劃與評估; (三)探討天然氣水合物之形成與分解機制,作為未來 探採、開發與輸儲等工程設計之應用; (四)採得天然氣水合物標本或觀測到海床有天然 83


氣水合物隆堆或露頭。 未來規劃與展望 兩期八年的科技計畫瞭解的臺灣西南海域的天然氣水合物概況,現階段的目標與任務有底下 五點:第一點:瞭解恆春南部外海之天然氣水合物的分布與資源的潛能。第二點:強化西南 海域實施鑽探調查的前置調查。第三點:建立南部海域地質基礎資料。第四點:探討天然氣 水合物的熱力學與動力學特性。第五點:配合「天然氣水合物主軸計畫」先導計畫及主軸計 畫之籌劃與推動(鐘三雄,2012)。底下為未來調查的重點區域。

圖 8-3: 台灣地區天然氣水合物未來調查的重點區域圖

出處:中央地質調查所

未來能源國家型科技計畫-天然氣水合物主軸計畫,由國科會主辦。以下為規劃的藍圖。 84


圖 8-3:天然氣水合物資源科技研發期程 希望未來探勘後可以提供未來台灣能源的使用,臺灣現階段的能源依賴程度高達 97%,常會 因為國際市場的能源波動,造成價格起伏波動大,如未來台灣西南沿海的天然氣水合物可以 商業運轉,將可提供台灣更多的能源,仰賴進口的比例也會減少。

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參、 學習評量,Q&A ()1.中央地質調查所使用冰晶法來模擬天然氣水合物,其中何者催化劑將可使合成速 度加快,更加純化?(A)水(B)甲醇(C)乙醇(D)丙醇(E)丙酮 ()2.實驗室模擬天然氣水合物的主要原因為何呢?(A)利用實驗室單純的環境來模 擬在野外的情況,調整變因,可更瞭解天然氣水合物的環境(B)可以在實驗室 大量製作天然氣水合物(C)實驗室可以模擬出跟野外一模一樣的環境(D)實地 探勘前一定要先做實驗室模擬結果才會一致。 ()3.臺灣地區海域,哪個地方將可能蘊藏天然氣水合物呢?(A)北部海域(B)東北 部海域(C)東部海域(D)西北部海域(E)西南海域 ()4.要探勘天然氣水合物的儲存狀況,通常會先進行何者調查呢?(A)地球物理探 勘(B)鑽探(C)雷達回波(D)衛星遙測(E)進行商業開採 ()5.開採天然氣水合物後,運輸將是一個大問題,請問穩定的天然氣水合物的環境為 何呢?多選(A)高溫(B)低溫(C)高壓(D)低壓 ()6.未來的能源趨勢為何呢?多選(A)潔淨(B)可再生能源(C)節約能源科技(D) 海洋能的發展(E)溫室氣體的快速增加 ( )7.請問開採天然氣水合物要注意那些事情呢?多選(A)甲烷氣體的大量釋放(B)海水面 的下降(C)海底崩塌(D)運輸管線的安全(E)二氧化碳大量釋放出來

二、填充題:請完成下列天然氣水合物與液化天然氣的比較表。 輸儲物

天然氣水合物

液化天然氣

天然氣的輸儲型態

固態

液態

保存溫度

-20 度

-162 度

比重

0.85-0.95

042-0.47

單位容積 1 立方公尺

天然氣:約 170 立方公尺

天然氣:600 立方公尺

天然氣之含量

水:0.8 立方公尺

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肆、 編撰過程之參考資料 業渝光(2003)地質測年與天然氣水合物實驗技術研究及應用,第 206-244 頁。海洋 出版社。 鐘三雄(2005)國際天然氣水合物的調查研究與應用,經濟部中央地質調查所 94 年度 研究發展報告,共 129 頁。 陳柏淳(2006)天然氣水合物的合成模擬。科學發展第 412 期,第 32 頁-37 頁。 鐘三雄(2006)天然氣水合物探勘技術。科學發展第 412 期,第 26 頁-31 頁。 陳汝勤(2006)天然氣水合物的地質研究。科學發展第 412 期,第 14 頁-17 頁。 陳柏淳(2006)以冰晶合成天然氣水合物之技術。經濟部中央地質調查所出國報告, 共 12 頁。 海域天然氣水合物調查研究(2006)95 年度台日技術合作計畫專家來華指導成效報告 書,共 26 頁。 Anderson, R.; Llamedo, M.; Tohidi, B.; Burgass, R.W. Experimental measurement of methane and carbon dioxide clathrate equilibria in mesoporous silica. Physical Chemistry B. 2003, 107, 3507-3514. Afzal, W.; Mohammadi, A.H.; Richon, D. Experimental measurements and predictions of dissociation conditions for methane, ethane, propane, and carbon dioxide simple hydrates in the presence of diethelene glyco aqueous solutions. Chemical and Engineering Data. 2008, 53(3), 663-666. Boswell, R. Resource potential of methane hydrate coming into focus. Petroleum Science and Engineering. 2007, 56, 9-13. Bourry, C.; Chazallon, B.; Charlou, J.L. Free gas and gas hydrates from the Sea of Marmara, Turkey Chemical and structural characterization. Chemical Geology. 2009, 264, 87


197-206. Chen, D.F. Cathles III, L.M.; Roberts, H.H. The geochemical signatures of variable gas venting at gas hydrate sites. Marine and Petroleum Geology. 2004, 21, 317-326. Circone, S.; Kirby, S.; Stern, L.A. Measurement of gas yields and flow rates using a custom flowmeter. Review of Scientific Instruments. 2001, 72(6), 2709-2716. Circone, S.; Stern, L.A.; Kirby, S.H. The effect of elevated methane pressure on methane hydrate dissociation. American Mineralogist. 2004, 89, no. 8-9; 1192-1201. Circone, S.; Kirby, S.; Stern, L.A. Thermal regulation of methane hydrate dissociation: Implications for gas production models. Energy & Fuels. 2005a, 19, 2357-2363. Circone, S.; Kirby, S.H; Stern, L.A. Direct measurement of methane hydrate composition along the hydrate equilibrium boundary. Physical Chemistry B. 2005b, 109, 9468-9475. Circone, S.; Kirby, S.H; Stern, L.A. Thermodynamic calculations in the system CH4-H2O and methane hydrate phase equilibria. Physical Chemistry B. 2006, 110, 8232-8239. Collet, T.S. Gas hydrates as a future energy resource. Geotimes. 2004, 49(11), 24–27. Cranganu, C. In-situ thermal stimulation of gas hydrates. Petroleum Science and Engineering. 2009, 65, 76- 80. Stern, L.A.; Kirby, S.H. Polycrystalline methane hydrate: synthesis from superheated ice, and low-temperature mechanical properties. Energy & Fuels. 1998, 12 (2), 201–211. Stern, L. A. Laboratory synthesis of pure methane hydrate suitable for measurement of physical properties and decomposition behavior, in Natural Gas Hydrate in Oceanic and Permafrost Environments, edited by M. D. Max. 2000, pp. 323– 348, Kluwer Academic Publishers, Netherlands.

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II.實驗單元

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第 一單元:_冒泡的海底世界-模擬海底火山噴發 壹、 學習目標(即教學目標) 一、知道化石燃料的使用過渡。 二、知道新能源-甲烷水合物。 三、知道海底的泥火山噴發出來甲烷氣。 四、模擬海底火山的噴發。 五、知道溫度升高甲烷氣釋放越多。 六、瞭解開發甲烷冰的困難點。

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貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論 一、 實驗目的 藉由發泡碇模擬海底泥火山冒泡,讓學生可以瞭解海底泥火山噴發氣 體的樣子。 二、 實驗材料 1.透明塑膠杯一個 2.發泡碇一片 3.水族飾品(貝殼) 4.珊瑚砂或其他有顏色砂 三、 實驗方法 1.把發泡碇包裝刺幾個洞或剪角,放入塑膠杯底。 2.取適量珊瑚砂覆蓋發泡碇。 3.選一個水族裝飾品及其他材料,依個人特色布置成小水族箱。 4.加水到杯子半滿,蓋上杯蓋。 5.觀察冒泡泡的情況。 6.回家後可將材料重複利用,並增加小飾品於玻璃杯中,重新布置。 7.可利用不同水溫來觀察冒泡泡的樣子。

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四、 實驗結果與討論 一、請觀察冒泡泡的樣子,是否與實際的影片(海底泥火山噴發)的樣 子是否相同呢? 二、若更換不同水溫,請問冒泡泡的變化會是如何呢? 三、請問甲烷水合物實際摸起的感覺如何呢? 四、請問臺灣地區那邊可能藏有豐富的甲烷水合物呢?

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參、 學習評量,Q&A 1.甲烷水合物岩層當中,是什麼顏色呢?白色冰晶狀。 2.影片當中,我們利用什麼器材直接觀察到海底泥火山的噴發呢? 寶拉麗斯號研究船的無人潛艇(ROV) 3.若全球暖化速度加快,那在海床的產生的甲烷氣體會如何呢? 將會快速釋放出甲烷氣體。 4.台灣西南部沿海海底富含有什麼能源呢?甲烷水合物。 5.天然氣水合物不當的開發會造成氣候哪些問題呢? 大量的甲烷釋放到大氣當中,將會增強溫室效應,全球暖化會增強。

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肆、 實驗準備工作之步驟、方法 一、 步驟 準備實驗器材、投影機、單槍、電腦(筆記型電腦等) 二、 方法 依序播放 PPS 檔案。 1.說明日常生活當中需要使用能源,引起學生學習動機。 2.當陸上能源逐漸用完後,將要去海洋探勘新的能源,導入 甲烷火合物的內容。 3.介紹甲烷水合物。 4.介紹台灣西南沿海有很多甲烷水合物。 5.播放臺灣西南海域海底泥火山的噴發的樣子。 6.說明以實做 DIY 模擬真實的噴氣樣子。 7.進入實驗展示。

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伍、 編撰過程之參考資料 教育部教育研究委員會 (2007) :海洋政策白皮書。台北:教育部。 高雄市政府海洋局(2009) :海洋新世紀-21 世紀藍色革命新時代。高雄:高雄市 政府。 王執明、劉聰桂、陳培源、吳清吉、施學銘、陳明德、蔡文祥、馬麟驤、曾世彬、 吳育雅、謝莉芬(2003):高級中學基礎地球科學全冊。台北:龍騰。 陳鎮東(1994):海洋化學。台北:國立編譯館。 陳汝勤、林斐然(1995):台灣附近之海洋地質。台北:經濟部中央地質調查所。 劉康克、劉家瑄、方力行等(2002) :二十一世界海洋台灣。台北:國家海洋科學 研究中心。

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第二單元:____烏山頂泥火山實作與考察______ 壹、 學習目標(即教學目標) 一、知道泥火山的成因。 二、知道泥火山噴發出來的氣體。 三、瞭解測量泥火山的方法。 四、知道烏山頂泥火山的自然環境特性。 五、瞭解天然氣水合物與泥火山的關聯。

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貳、 實驗目的、材料、方法、結果與討論 一、 實驗目的 海底是陸地的延伸,因為海水限制,所以藉陸上觀察代替海下觀測。 此實做主要觀察高雄地區陸上泥火山冒氣現象,並對泥火山中所含氣 體進行採樣分析(例如:同位素分析),以瞭解如何進行天然氣水合 物在生成機制的研究。 二、 實驗材料 1.甲烷與二氧化碳偵測器 2.溫度計。 3.中空鐵桿。 4.氣體蒐集包。 5.手提式抽氣機。 6.捲尺。 7.GPS 定位器、照相機、地圖。

甲烷與二氧化碳偵測器

溫度計 97


三、 實驗方法 1. 首先測量泥火山大小與範圍。 2. 利用溫度計測量泥火山口溫度。 3. 使用甲烷與二氧化碳偵測器測量泥火山口的甲烷氣體,偵測器需要 壓入土中,避免周圍空氣干擾數值,約等待 10 分鐘左右。 4. 利用鐵桿打入泥土當中,約一米深左右。 5. 利用氣體收集袋與抽氣機收集。 6. 等待 5-10 分鐘後,測量甲烷與二氧化碳的氣體含量。 四、 實驗結果與討論 1. 請問你烏山頭泥火山的大小為何呢? 2. 請問烏山頭泥火山的溫度為何? 3.請問烏山頭泥火山噴發出來的主要氣體為何呢?氣體濃度為何? 4.請問泥火山的成因為何呢?

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參、 學習評量,Q&A 1.請問泥火山噴發出來的主要氣體為何呢?甲烷。 2.請比較隱沒帶火山與泥火山的差異。 項目 隱沒帶火山 溫度 高 主要氣體 水氣 成因 板塊隱沒 火山範圍 大 3.請在圖上標示出泥火山的位置(請圈起來)。

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泥火山 低 甲烷 斷層裂隙 小


肆、 實驗準備工作之步驟、方法 一、 步驟 考察前的準備泥火山議題,事前閱讀的背景資料,考察時解釋(如附 註資料)。 二、 方法 1.先瞭解烏山頂泥火山的背景資料,如 PPT 資料。 2.標示烏山頭泥火山位置(如 GPS 定位) 3.測量泥火山範圍。 4.使用溫度計測量泥火山溫度。 5.使用甲烷與二氧化碳偵測器,瞭解泥火山噴發出來的氣體。 6.利用鐵桿收集單點資料,量測裂隙噴發出來的甲烷與二氧化碳濃 度。

備註:無法實地野外考察時,建議如下: 1. 教師先介紹烏山頂泥火山 PPT 資料。 2. 教師使用 GOOGLE EARTH 軟體介紹泥火山 地點。 3. 由實驗的數據當中,比較分析泥火山的含 量。 4. 比較一般火山與泥火山的差異。

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伍、 編撰過程之參考資料 趙鴻椿(2003)臺灣地區泥火山氣體成分分析及其對全球甲烷來源的 可能影響,國立成功大學地球科學研究所碩士論文。 農委會林務局網頁 http://conservation.forest.gov.tw/ct.asp?xItem=3243&ctNode=174&mp= 10

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III. 素材全冊檔案光碟 光碟內容須含下述四個資料夾,統一名稱如下:  資料夾一 名稱:素材內容 內容:素材全冊內容 WORD 檔。  資料夾二 名稱:知識單元照片/圖片原檔 內容:知識單元所使用之照片或圖片電子原檔,並請 註記對應之章節與頁碼。 圖片規定以下三項條件至少需達到其一: 解析度 300dpi 以上、容量 3M 以上、 像素其中一邊達 2048 以上。  資料夾三 名稱:實驗操作 PPS 檔(PPS=PowerPoint 播放檔) 內容:各級素材之實驗單元(請依序個別存檔)實驗操作 毋須錄影,請依各步驟拍攝數張照片製成 PPS 檔

 資料夾四 名稱:實驗單元照片原檔 內容:實驗單元之實驗操作 PPS 檔所使用之照片原檔, 並請註記對應實驗單元名稱。

※ 注意事項 本頁文字部份請勿刪除;在燒錄光碟時,請選擇較低的速率燒製, 避免造成燒錄不完全無法讀取之狀況,謝謝您。

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[附檔三]100海洋素材成果(高中定稿要印new)2007