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3 Geology Magazine 臺灣的山川土石 UBLISHED 2014 DECEMBER NO Volume 第三十三卷第四期 2014 年 12 月 2008 年 優良政府出版品獎 入圍作品 2006 年 優良政府出版品獎 得獎作品 發行人 : 江崇榮發行所 : 經濟部中央地質調查所地址 :23568 新北市中和區華新街 109 巷 2 號郵箱 : 臺北市第 968 號信箱網址 : 電話 :(02) 傳真 :(02) 經銷處 : 有限責任經濟部中央地質調查所員工消費合作社地址 :23568 新北市中和區華新街 109 巷 2 號劃撥帳號 : 印刷 : 飛燕印刷有限公司定價 : 新臺幣 150 元整 創刊日期 : 1973 年 2 月主編 : 江崇榮編輯委員 : 余炳盛 吳逸民 李春生 李錦發 林明聖 林俊全 林朝宗 林殿順 林銘郎 楊小青 謝凱旋 羅偉 ( 依姓氏筆劃 ) 執行編輯 : 郭麗秋助理編輯 : 江婉綺 陳利貞美術設計 : 儷品實業有限公司 經濟部中央地質調查所社團法人中華民國地質學會 GN : ISSN: X 著作權利管理資訊本刊保留所有權利 欲利用本刊全部或部分內容者, 需徵求本機關同意或書面授權

4 臺灣的山川土石 33 UBLISHED 2014 DECEMBER NO. 4 Volume Central Geological Survey, MOEA. 5 編者的話 6 地質論壇吳明賢臺灣地質能源的過去 現在與未來展望 7 地質新聞經濟部中央地質調查所 103 年 10 至 12 月之地質新聞彙整 地質專題專題企劃 : 林殿順 Geological Energy 專題企劃 : 林殿順 撰文依序 : 吳明賢 蔡龍珆 呂明達 林殿順 沈俊卿 郭泰融地質能源 地質能源的探勘與開發, 一直是地質科學研究重要的推手, 隨著傳統地質能源如煤 石油 天然氣日漸枯竭之際, Oil Coal 起而代之的天然氣水合物 地熱 頁岩氣等低汙染的潔淨能源, 成為最受矚目之新能源 油氣 煤礦 天然氣水合物 il Coal 頁岩氣 地熱 Natural gas Hyd Natural shale gas gas Hydrate Geoth shale gas Geotherm 10Geothermal Geothermal 地質能源 - 油氣 煤礦 天然氣水合物 頁岩氣 地熱 12 吳明賢臺灣陸上油氣探勘與開發 14 蔡龍珆 孫立中臺灣煤礦 18 呂明達非傳統能源 21 林殿順 劉家瑄臺灣西南外海天然氣水合物賦存模式 暨資源潛能 26 沈俊卿 莫慧偵頁岩氣的發展與未來趨勢 32 郭泰融 柳志錫我國地熱資源開發的過去 現在與未來展望 36 地質能源 油氣 煤礦 天然氣水合物 頁岩氣 地熱的其他研究 38

5 CONTENTS 目錄 38 地質教室潘遵友 蘇品如 俞舜文大漢溪河床煤層的前世今生 44 地質教室謝有忠 陳奕中 邱禎龍三維視覺化地圖於構造地形精準呈現 54 地質教室梁勝雄改變世界的地圖 淺談 17 至 19 世紀初歐洲地質圖發展史 63 地質教室陳盈璇大山的國度 尼泊爾地質簡介 知性旅遊林昶成瑞里 探索蝙蝠洞與燕子崖之美 70 知性旅遊李錦發日本島原半島世界地質公園 Unzen Volcanic Area Global Geopark 75 知性旅遊陳柏村海角禮讚東北角地質小旅行 非讚不可的地質景點 讀者回響李春生嘗試讓讀者更一目了然 封底照片摘自地質第 32 卷第 2 期, 第 72 頁 75

6 一 宗旨 : 本刊宗旨在促進地質科學之學術交流及推廣地質教育 二 內容範圍 : 本刊歡迎知識性 趣味性 通俗性及教育性之地質稿件 請針對專欄投稿, 如知性旅遊 大地寫真 地景 地質教室 地質災害 地質時事 人物側寫 資訊服務等 ; 或提供方塊短文, 如名詞釋義 照片與圖鑑 問題解說 書評 新書介紹等, 深度以非地質專業人士能夠瞭解為原則 三 體例規範 1. 標題 : 以簡潔為原則 2. 小標題 : 內文每 字加一小標題為原則 3. 作者 : 以不超過三人為原則, 請述明姓名及服務單位與職位 4. 內容 : 請著重觀念介紹, 不需前言 摘要 注釋, 亦不需敘述繁瑣細節及大量列舉數據, 而是以通俗易懂為原則 5. 語文 : 來稿一律中文 6. 字數 : 如非特約, 以不超過 2,000 字為原則, 並附 字引文, 點明文章之旨趣 7. 單位及數字 : 請用公制, 數字則用阿拉伯數字, 如 3,567 公尺或 0.35 公克 8. 照片 圖 表 : 所附照片 圖 表以彩色繪製者尤佳, 以 15 張為限 ; 解析度 300dpi 以上, 尺寸長或寬 12cm 以上影像清晰, 檔案格式為 TIFF 者尤佳 ; 說明之內容 數字及符號需與內文一致 9. 譯名 : 常用之名詞應使用通行譯名, 不常用之名詞應加註原文 10. 參考文獻 : 請儘量以 延伸閱讀 替代參考文獻, 依序為中文 日文 英文 中文依作者姓氏筆劃排列 英文依作者姓氏字母排列 延伸閱讀 格式例如 : 何春蓀 (2004) 地質學概論, 二版四刷 林啟文等 (2004) 臺東縱谷南段的活動斷層特性研究, 經濟部中央地質調查所特刊, 第 15 號, 第 頁 四 稿件格式 : 以 Microsoft Word 撰寫, 所有文字 ( 含照片 圖的說明文字, 及表的內文 說明文字 ), 中文用新細明體, 英文用 Arial 體 五 刪改權 : 本刊對來稿有刪改權, 如不採用時退還, 且恕不向投稿者申述理由 六 稿酬 : 稿件刊出後, 將致贈稿費及當期一冊 七 文責 : 來稿需自行創作, 並請註明參考資料 ; 若係譯稿或直接引用圖表, 需取得著者同意, 並附原文 來稿如有著作權爭議, 由作者自行負責, 不另提供任何相關說明文件 八 授權 : 一經投稿, 即視同授權刊載, 本刊並將與投稿者簽訂著作權轉讓同意書 九 投稿檢附資料 :(1) 內文 Word 檔一份 (2) 內文 A4 稿件二份 (3) 原始圖檔 ( 必須為可修改之圖檔格式, 以方便美編作業 ) (4) 作者姓名 通訊處 聯絡電話 身分證字號 戶籍地址 服務機關或就讀學校 十 來稿或聯絡 : 請洽 地質編輯委員會 地址 :23568 新北市中和區華新街 109 巷 2 號電話 :(02) 轉 傳真 :(02)

7 EDITORS 編者的話 編者的話 地質號外! 隨著一波波冷空氣到訪, 又到歲末年終時刻, 轉眼 2014 年又將畫下句點了 本刊 地質 創刊於 1973 年 2 月, 即將在 2015 年邁入第 42 個年頭! 本刊原以收錄地球科學有關之原始研究 專題論著 新著述評 科學發展與資源開發等報導, 以及學術團體介紹等文章為主, 而後經歷了數次改版到 2003 年開始以季刊定期出版至今, 且 2005 年開始每期均精心企劃專題與收錄科普性的專欄文章, 如 地質教室 大地寫真 知性旅遊 人物側寫 等, 不知不覺也累積了 45 個精彩的地質專題, 朝表現出地質知識之生活性 教育性及科學性編輯, 相信陪著本刊一路走來的忠實讀者們, 應該都有感受到本刊的成長與轉變吧! 本刊實在非常感謝各界能不吝於投稿, 不 藏私地將所見所聞化為文字與讀者們分享, 好消息! 地質 好文章將要出頭天 還能將難得的照片拿出來與大家共賞, 小 編在這裡除了要說聲 感恩啦 之外, 還要趕緊跟大家報告一個好消息! 大家聽聞此訊, 是否開始躍躍欲 試了呢? 本刊竭誠地歡迎大家能踴 為激勵地質好文章, 地質 將自 2015 年起, 由編輯委員就前一年的 4 期文章中, 選出特優獎 1 名 優等獎 3 名, 得獎者將於當年度 中華民國地質學會會員大會 接受表揚, 並獲頒獎牌及證書 地質科學無遠弗屆, 快將您的所見所聞化為文字與眾分享, 本刊竭誠地歡迎您踴躍投稿! 有關 地質優良文章獎勵要點, 請詳見社團法人中華民國地質學會官網 ( 臺灣地質知識服務網 ( 地質知識網絡 ( 等網站 躍投稿喔! 另外, 也非常感謝讀者們長久以來對於本刊的支持與鼓勵, 有些 認真的讀者還適時地給我們一些寶貴的意見, 讓本刊有持續努力與改進的方向, 為了引起更多讀者們的共鳴, 本刊 讀者回響 單元竭誠歡迎您投稿, 讓我們聽到您的心聲, 並希望大家不吝指教並攜手持續來愛護 地質! 最後, 祝福各位讀者, 新年快樂! 第 33 卷第 4 期 5

8 GEO FORUM 地質論壇 臺灣地質能源的過去 現在與未來展望 文 吳明賢 吳明賢 吳明賢博士 台灣中油股份有限公司探採研究所副所長退休 現任台灣 中油公司探採研究所顧問及國立中央大學地球科學學系兼任助理教授 2010年獲得國立中央大學地球物理研究所博士 專長於石油探勘 震 臺灣傳統地質能源如煤 石 測地層學 過去歷任震測隊長 副組長 組長 副處長 台灣中油公司 油 天然氣等已經投入大規模人 菲律賓分公司主任地質師 加彭分公司主任地球物理師 探勘經理 台 力技術開發與生產 廣泛地利用 於日常生活中 由於臺灣傳統地 灣中油公司探採研究所專案兼組長 副所長 成功發現永光區 八掌溪 區 寶山 永和山區 白沙屯區等探井之油氣 並參與官田1號井 查 德Benoy-1號井之油氣評估 其優異表現得到肯定 在1986年獲得國際青 質能源的產量有限 在沒有大的 商會第24屆中華民國十大傑出青年獎 1999年獲得行政院傑出科技榮譽 油氣田發現情況下 已發現能源 獎 以及2004年獲得台灣中油公司特殊貢獻傑出人員獎 逐漸枯竭 因此 在各國紛紛將 目光投向非傳統能源如油砂 頁 地熱開發 若能研發適用於國內 度增加 造成天然氣價格滑落並 岩氣 頁岩油及天然氣水合物等 中低溫地熱條件的雙循環發電機 持續低迷 而油砂在加拿大稱作 須利用新技術去開發新能源的當 組 將可開啟我國地熱發電之新 礦產 決定油砂可否開發生產的 下 提出未來的想法 頁 大屯山火山地熱區之高度酸 因素 是開採時的生產成本 而 性地質 如何開發耐酸材料進行 以上這些非傳統能源的主戰場在 開發生產 將可加速大屯火山地 國外 如何因應與參與探勘 在 熱發電開發 人 技術與長期投資的資本 臺灣油氣的生產主要來自於 鐵砧山 出磺坑 錦水及青草湖 等4個構造 這些構造的鑽探成功 6 率高 儲集岩以中部中新統的打 非傳統能源源自於傳統能源 一般而言 油價在70至80 鹿層的打鹿砂岩段 下部中新統 的基礎 加上新的鑽採技術形成新 美元以上 非傳統能源才有生存 的木山層及漸新統的五指山層為 的非傳統能源的開發 其中 天 的空間和開採的價值 油價雖 主要的探勘目標層 而上新統的 然氣水合物初步評估 林殿順 持續在下降 歸因於頁岩氣 頁 桂竹林層的藤坪砂岩段則為次要 2010 臺灣西南外海天然氣水合 岩油產量大幅度增加 但這是短 的目標層 同時也培養了相當多 物資源量可達2.7兆立方公尺 包 期的效應 海外石油及投資公司 的地質 地球物理與地球化學的 括增積岩體區之1.9兆立方公尺 OIC Overseas etroleum and 專家 對未來的傳統能源邁向國 臺南陸坡區之0.8兆立方公尺 若 Investment Corporation 簡稱 外探勘或併購工作 提供了相當 能配合國外研發的開採技術 將有 OIC 組織會員國仍會想辦法回 有利的主導力量 機會形成新的能源供應 到100美元以上 過去台灣中油股份有限公 1997年Mitchell能源公司在 我們一定不要忘記 石油能 司成立地熱處 專門負責地熱資 B a r n e t t 盆地頁岩區作業中首次 源是無法再生 節約能源 愛惜 源探勘 找遍了臺灣的溫泉區 使用液裂技術 開啟了頁岩氣的 資源 才是王道 並沒有找到好的地溫梯度可作為 新頁 頁岩氣 頁岩油產量大幅

9 地質新聞 103年10至12月之地質新聞彙整 彙 整 地質編輯小組 資料來源 經濟部中央地質調查所 地質敏感區的劃定與 公告 第六屆臺灣地質公園 網絡會議 103 年 度 解 讀 地 質 研習班 經濟部近期已分別於 103 年 第六屆臺灣地質公園網絡會 經濟部中央地質調查所於 月 28 日公告地下水補注地質敏 議於 103 年 10 月 2 日至 4 日在臺東 年 10 月 8 日在野柳地質公園辦理 感區 G0002 屏東平原 103 利吉社區 臺東縣警局富岡綜合 解讀地質研習班 第3場次 因 年 12 月 22 日公告山崩與地滑地質 體技館舉辦 聚集了來自臺灣六 為野柳近年來之國外到訪旅客眾 敏感區 L0003臺中市 103年 個地質公園的成員參加 除了透 多 故主辦單位特別與中華民國 12 月 25 日公告活動斷層地質敏感 過網絡會議讓各地質公園分享推 觀光導遊協會合作 將課程內容 區 F0002 池上斷層 F0003 旗 動地質公園的成果 並建立一個 加入對於當地導遊學員之專業地 山斷層 103 年 12 月 26 日公告 相互觀摩及學習的平台 還進行 質訓練 並於當地的地質景點進 山崩與地滑地質敏感區 L0004 野外實察 參觀臺東小野柳及利 行踏勘 導覽 講說等 也安排 嘉義縣市 L0006 高雄市 及地 吉惡地 瞭解臺東利吉惡地地質 單車部落客Eddie講述有關單車 下水補注地質敏感區 G0003 宜 公園的地質與地形特色 在專家 觀光 地景之串連 來增加導遊 蘭平原 經濟部已公告地質敏 學者解說下 能深入學習到地質 學員之興趣與助益 獲得學員相 感區之劃定計畫書得向各地質敏 地形方面的知識 當熱烈的回響 感區行政區之 轄管地方政府 查閱 或至經 濟部中央地質 調查所全球資 訊網站 (h t t p:// g o v.t w/m a i n. jsp) 地質法 專區 下載查 閱 I 第六屆臺灣地質公園網絡會議之與會人員 於臺東小野柳野外考察時合影留念 第33卷第4期 7

10 NEWS & EVENTS 地質新聞 地震防災大三角 國立自然科學博物館於 2014 年 11 月 18 日至 19 日在國立自然科 學博物館及 921 地震教育園區 舉辦 地震防災大三角 搭建新 知技術與科普傳播的橋樑 國際 研討會 邀請國際間 大陸 美 日 印尼 地震研究 防災 科技與地震科普傳播這三方領域 之專家學者 針對地震 海嘯等 防災與減災研究發表論文 分享 相關經驗與研究成果 希望能 藉此搭建地震地質研究 新知 I 地震防災大三角國際研討會之與會貴賓於921地震教育園區合影留念 識 防災科技 新技術 與博 理中心副主任馬曉燕共同簽署合 深刻的傷痕 經這次會議讓不同 物館 科普傳播 這三方之間的 作意向書 未來將加強地震 防 國家的經驗與教訓能進一步地相 橋樑 會中科博館館長孫維新與 災教育等合作 臺灣在 1999 年 9 互交流 希望未來能整合出一個 大陸 5 12 汶川特大地震紀念館管 月 21 日經歷了一場大地震 留下 面對地震 海嘯防災的世界觀 2014 空載光達測製與 應用研討會 閱讀福爾摩沙 環境資源特展 11 月 21 日至 23 日在華山 1914 文 化創意產業園區舉辦 閱讀福 爾摩沙 經濟部中央地質調查所與財 行政院環境保護署於 103 年 環境資源特展 邀請 國內環境資源相關政府機關共同 團法人成大研究發展基金會於103 年 11 月 13 日在國立自然科學博物 館舉辦 2014 空載光達測製與應 用研討會 經濟部中央地質調 查所於會中分享近年來執行臺灣 空載光達測製所遭遇之問題與解 決方案 以及運用光達資料進行 地質與環境變遷分析之成果 最 後藉由綜合座談吸取與會貴賓 先進所提之建言與研討結論 作 為修正未來臺灣空載光達計畫方 針與政策執行參考 8 I 環境資源特展之舞台現場由地質專家進行 大屯火山 演說吸引很多民眾 提起 大家對於地質議題的興趣

11 地質新聞 展出 現場規劃 蒼穹大氣 繽紛入林 生於斯土 上善若水 及 相扣如環 等 五大展區 期望透過公部門跨域 整合特展呈現更豐富的內容 提 供民眾認識環境資源 氣 水 林 地 元素 能輕鬆地體驗與 瞭解環境資源 經濟部中央地質調查所亦受 邀參展 於現場展示地質調查所 出版品 岩心標本及全面性防災 警戒模擬展示系統等 更於 名 I 環境保護署魏署長國彥及經濟部中央地質調查所江所長崇榮等人 於環境資源特展之地質調查所攤位觀察岩心標本 人說環保 活動推出精采的 騎單車看地質 與 大屯火山 演說 現場透過有獎徵答與民眾互動 民眾反應熱烈且對於 地質知識獲益良多 另外於影片欣賞區播放 中部地質演化 史 守護美麗邁向永續 等地質影片推薦給民眾觀賞 I 參觀環境資源特展民眾對於地質調查所攤位所架設之全面性防災警戒 模擬展示系統很感興趣 潛返地心 地質大探索 2015 年初移展車籠埔 活動斷層保存園區 質時光機 立體劇場 等多 示 讓更多尚未觀展的民眾有機 項豐富的展品將持續在當地展 會前往學習與體驗 經濟部中央地質調查所主 辦的 2014地質與防災特展 已於本 (103) 年 11 月 23 日圓滿閉 幕 深受廣大民眾的喜愛與肯 定 為使展覽效益能持續在中部 地區發酵及擴散 該特展之中部 地區主題內容將於2015年初移 展至南投縣竹山鎮 車籠埔活動 斷層保存園區 包含 全面性 防災警戒模擬展示系統 地 I 潛返地心 地質大探索 展覽於2015年初移展車籠埔活動斷層保存園區 第33卷第4期 9

12 Geological Energy 地質能源的探勘與開發, 一直是地質科學研究重要的推手, 隨著傳統地質能源如煤 石油 天然氣日漸枯竭之際, Oil Co 起而代之的天然氣水合物 地熱 頁岩氣等低汙染的潔淨能源, 成為最受矚目之新能源 Oil Natura Coal Natural shale gag shale gas Geoth Geotherm

13 專題企劃 : 林殿順撰文依序 : 吳明賢 蔡龍珆 呂明達 林殿順 沈俊卿 郭泰融 地質能源 oal 油氣 煤礦 天然氣水合物 頁岩氣 地熱 al gas Hyd gas s Hydrate Geoth Geotherm ermal al

14 GEO TOIC... 地質專題 臺灣陸上油氣探勘與開發 文 吳明賢 石油探勘 對於國家自產油源的開發與穩定油氣供應相當重要 我國石油探勘工作 主要是由陸域開始而逐漸擴大到海域 最後走向國外 臺灣石油早期探勘 待舉 除繼續完成鑽進中的5口井 3 千餘立方公尺 使台探處頗受 之外 並致力修井以維持生產 鼓舞 於是集中人力 物力於該 清朝咸豐末年 (1861) 邱苟先 探井方面 於民國 36 年及 38 年分 區 鑽 探 開 發 自 民 國 43 年 至 48 生在苗栗出磺坑發現石油露頭 別在臺中大肚山及臺南中洲各鑽1 年間先後鑽鑿 9 口井 除 3 口乾井 自此開啟了臺灣石油的探勘史 口井 但均無油氣徵兆 開發井 外 其餘均鑽獲原油及天然氣 光緒 3 年 (1877) 聘請美國技師兩 方面 於民國 37 年起陸續在出磺 可惜數量不大未具經濟價值 故 人採用機器鑽井 日產約 1,500 坑礦場鑽鑿 及 102 號等 3 於 48 年將所有人員及器材撤離竹 斤油 為期僅約 1 年 光緒 13 年 口井 皆只獲少量油氣 政府播 頭崎礦場 (1887) 臺灣巡撫劉銘傳設立礦油 遷來臺 中油公司一方面與臺灣 局 但因產量不多而撤銷 日本 省地質調查所合作進行本省地質 治臺期間派石油地質調查隊到臺 調查 另一方面則積極羅致及訓 灣實地調查 在出磺坑鑽鑿出磺 練地質與地球物理探勘人員 並 直至民國48年利用錦水38 坑第1號井 鑽探成功 直到二次 聘請國外專家協助 以及成立地 號舊井進行加深鑽探成功 為臺 大戰結束 臺灣共發現 35 個適於 球物理測勘隊與設立相關之研究 灣石油探勘史上的一個重要轉捩 儲藏石油的地質構造 除在出磺 室等 以逐步瞭解區域性盆地構 點 證實臺灣深部地層油氣蘊藏 坑礦區獲得原油外 在錦水 竹 造之發展 豐富 也奠定了中油公司往深部 鑽探的信心 民國 50 年至 60 年間 東 六重溪 凍子腳 牛山 竹 在探井方面 於民國40年 除在錦水及出磺坑等舊礦區鑽鑿 至 48 年間先後在臺中車籠埔 新 開發井 以增加油氣產量外 並 竹番婆坑 桃園山子腳 臺北尖 發現鐵砧山 崎頂 寶山 青草 山湖 苗栗通霄等 18 個地區鑽探 湖 白沙屯 永和山等6處新油 30口井 在開發井方面 民國 氣田 其中以鐵砧山氣田的蘊藏 民國35年8月1日設立台灣 41年台探處與臺灣省地質調查 量最為豐富 民國 60 年至 80 年間 中油公司油礦探勘處 簡稱台探 所會同在竹頭崎老礦區以北的構 除在舊有及已發現之油氣田繼續 處 繼續經營臺灣石油探勘業 造高區 勘定竹頭崎 8 號井 該 鑽鑿開發井外 並在全省西部各 務 當時臺灣全省共有礦場7處 井於 42 年 9 月開鑽 至 43 年 1 月 地區進行鑽探 以尋求新的儲油 計生產井 66 口 14 口正在修井 鑽達預定深度停鑽 經試油氣結 氣構造 北部以麓山帶為主 南 另有5口正在鑽進 接收初期百廢 果可日產原油 8.6 公秉 天然氣 部以平原區為主 在南部發現新 頭崎等礦區均獲得天然氣 其他 地區則無生產 光復初期慘澹經營 12 深鑽成功開創新局

15 ... 地質專題 吳明賢 國立中央大學地球科學學系兼任助理教授 台灣中油股份 有限公司探採研究所前副所長 專長於地球物理探勘 震 測資料解釋 營 八掌溪氣田 並於台西構造 公尺 原油年產量25萬2,000公 為主 油氣來源少 儲油岩砂層 鑽獲油氣 在北部則於嘉盛構造 秉 平均日產量 690 公秉 為 薄 地層封閉不易追蹤 麓山 陸續鑽獲油氣生產 各年之冠 帶原生孔隙不高但具次生裂縫孔 隙 構造小且破碎 斷層封閉不 背 斜 學 說 H u n t, 1861 民國 80 年後開始進入斷層下 易界定 斷層是通路或具阻隔作 與廣義的封閉 Wilson, 1934 盤構造 先中新統構造 地層封 用 封閉性不易判斷 地形 地 成為探勘的主力 這時期是臺灣 閉 老油氣田新生產層 以及老 貌崎嶇震測困難 地下地質構造 油氣探勘的輝煌時期 所有油氣 油氣田新看法等理念應用到陸上 形貌不易探明 的發現都在此階段 值得一提的 的探勘 震測屬性與岩性物理 是 這段期間的中段為台探處油 寬線震測及含油氣盆地 石油系 臺灣陸 海域油氣田的發現 氣生產的全盛期 民國 67 年的天 統 等技術應用於油氣構造的探 至少有 22 個構造 油氣的生產主 然氣年產量 19 億 7 千 6 百 60 萬立方 勘 使得國內陸上的探勘技術已 要來自於鐵砧山 出磺坑 錦水 公尺 平均日產量約 540 萬立方 臻成熟 臺灣南部以平原區為 及青草湖等4個構造 這些構造 主 發現官田 的鑽探成功率高 儲集岩以打鹿 及鳳山構造 層的打鹿砂岩段 木山層及五指 在北部則以麓 山層為主要的探勘目標層 桂竹 山帶為主 於 林層的魚藤坪砂岩段為次要的目 寶 山 白 沙 標層 屯 錦水及出 磺坑構造陸續 鑽 獲 油 氣 生 臺灣油氣探勘震測 設備的演進 產 此時期並 開始接手國外 臺灣油氣探勘震測設備自 油氣田的探勘 50年代的紙記錄進步到類比型 與開發 如查 磁帶記錄 60年代開始引進數 德礦區 字型磁帶記錄及淺海震測設備 到了70年代擴充震測記錄系統 臺灣石油 地質特性 與油氣構 造分布 為 48 波道及增購 120 波道數字型 震盪震源設備 80年代引進輕 型與重型震盪震源及遙傳式震測 紀錄系統 逐漸取代炸藥震源 擴充紀錄頻道進行三維震測 臺灣石油 90 年代以後引進 Sersel 重型震盪 地質的特性 設備 三維震波測勘技術已逐漸 I 臺灣陸 海域油氣田的發現至少有22個構造 其中海域CBK及 生 油 岩 以 產 氣 致昌構造 陸域的官田及鳳山構造未標示於圖上 成熟 第33卷第4期 13

16 GEO TOIC... 地質專題 臺灣煤礦 文 蔡龍珆 孫立中 人類對於能源的使用 在早期是以煤為主要燃料 至工業革命時代隨著蒸汽機的發明 與改良 煤更成為趨動機器運轉的重要推手 讓人類的社會與生活發生巨大的轉變 煤的簡介 煤 是含碳 成層 可燃 燒的有機沉積岩 由植物殘體埋 藏堆積 在溫壓環境下經成煤作 用(coalification)所形成 依變 質度分級為泥煤 褐煤 煙煤而 至無煙煤 元素分析(Elemental A n a l y s i s) 成分以 C H O 為 主 S Fe Si 次之 工業分析 (Industrial Analysis)成分為水 分 揮發分 固定碳以及灰分 無機礦物質 有機質部分是 以由植物根莖木質纖維組成的鏡 煤素為主 次為孢粉角皮組成的 膜煤素與脫水碳化的惰煤素 無 機質部分則以黃鐵礦與黏土礦物 尤以高嶺石 為主 臺灣煤層分布 臺灣煤層主要生產在新生代 第三紀中新世的南莊層 上部含 煤層 石底層 中部含煤層 與木山層 下部含煤層 屬昔 日濱海沼澤或三角洲沉積地層 I 美國材料試驗學會(American Society for Testing Materials, ASTM)煤級分類表 譯自Stach et al.,

17 ... 蔡龍珆 I 地質專題 國立中央大學應用地質研究所副教授, 專長於煤岩學 地 球化學 環境地質學等 I 臺灣煤層岩相圖 ( 重繪自臺 灣的礦業, 林詩婷繪 ) 臺灣北部煤田分布圖 ( 重繪自臺灣的 煤礦, 邱瑜繪 ) 臺灣前 20 名煤礦礦場之累積總產量 ( 根據光復後至結束生產 ) 排行榜 產量排行 年數排行 分區礦名年數 總產量 ( 公噸 ) 煤炭運輸出口站 1 7 基隆區瑞三 45 6,741,118 侯硐 2 8 臺北區海珊建安 44 4,664,634 板橋 3 2 基隆區石底 50 3,781,825 菁桐 4 53 基隆區建基 32 3,537,236 基隆 5 6 臺北區文山 46 2,886,855 景美 6 8 基隆區中台 44 2,456,042 八堵 7 32 基隆區福基 38 2,337,590 七堵 8 10 臺北區海山一坑 43 2,084,441 鶯歌 9 17 竹苗區田美 41 1,938,612 竹南 基隆區瑞芳一坑 36 1,727,712 瑞芳 臺北區友蚋 43 1,695,430 五堵 基隆區瑞和 42 1,598,398 四腳亭 臺北區松山 36 1,587,846 松山 竹苗區復興 36 1,510,572 內灣 15 1 基隆區益隆 52 1,458,465 十分 竹苗區南莊 39 1,358,802 竹南 臺北區烘內 38 1,294,253 五堵 基隆區民德 28 1,291,528 瑞芳 基隆區中宏 40 1,250,433 七堵 臺北區互益 40 1,244,608 鶯歌 資料來源 : 臺灣的煤礦,2006 第 33 卷第 4 期 15

18 GEO TOIC 地質專題 北部煤區分布於西部麓山帶苗栗 第一次世界能源危機 以及1984 至基隆一帶 可劃分為基隆 北 年連續發生海山 煤山與海山一 桃 竹苗地區 何春蓀 1969 坑等3次重大礦坑災變後 逐漸汰 2004 煤帶全長約 120 公里 礦減產 於2001年全面停產 寬約 20 公里 總面積約 2,000 平 煤礦開採方式 煤礦以露天開挖或地下坑道 方式開採 用途為家用燃料 燃 煤發電 焦炭煉鋼或化工原料 方公里 理論儲量近7億噸 朱明 1993年至2013年全國煤 臺煤品級以高揮發分煙煤為主 昭 1987 以用於燃煤發電為 炭總供給量自 2,567 萬公噸增至 少數礦區生產煉焦用之低揮發 主 累計總產量以近侯硐車站的 6,595 萬公噸 年平均成長率達 分煙煤至無煙煤 含硫量低至中 瑞三煤礦稱冠 至於南投一帶的 4.83 總消費量則自 2,353 萬 度 無明顯致病毒性微量元素 中部煤區 僅於山區出現零星露 公噸增至 6,401 萬公噸 年平均 但先天開採條件不良 受構造運 頭 無開採價值 成長率達 5.13 煤及煤產品在 動影響 煤層大多厚度不及 1 公 總能源供給中所占有的比例亦自 尺且不連續 無法以大型機具開 增至 年台 採 大多以捲揚機斜坑地下爆破 灣電力公司等國營企業之燃煤發 開採 故須特別注意爆炸 落 在挖掘八里十三行遺址時 電占總發電量48.06 使用的發 磐 湧水 瓦斯突出 機電與礦 發現煉鐵及煤屑殘留遺跡 顯示 電燃煤均自國外進口 其中印尼 車意外 以及礦工矽肺症等工安 早期先民已開始採掘煤礦 賴克 41.6 澳洲40.2 以及部分來自 要求 陳家榮 1988 礦區包 富 等 2006 而 最 早 的 文 獻 南非 俄羅斯 美加等地區 102 含微粉煤沉澱池 炸藥庫 坑木 記 載 於 明 朝 天 啟 至 崇 禎 (1621- 年能源統計手冊 2013 場 廢石場 選煤場 事務所及 臺灣煤開採史 1644) 年 間 荷 蘭 人 獎 勵 光復以來臺灣各地區煤礦礦場累計產量與年數概況 臺民採掘煤炭 黃嘉謨 1961 正式機械開採 分區 則始自1876年清八斗子 煤礦數 官礦 在1895年清廷簽 總產量 噸 訂馬關條約將臺灣割讓日 本前 荷 西 英 美 法等列強均有意探勘開發 臺灣煤礦作為遠東地區艦 總產量 占全台產量百分比 產 量 概 況 竹苗地區 ,506,123 49,053,011 14,807, ,366, 產量最多礦場產量 噸 6,741,118 4,664,634 1,938,612 產量最少礦場產量 噸 7,503 9,868 9, , ,892 69,615 後 煤礦成為不可缺的穩 煤礦場平均產量 噸 平均數 919, , ,440 煤礦最長生產年數 煤礦最短生產年數 煤礦平均生產年數 中位數 煤礦平均生產年數 平均數 於 1967 年創下史上最大的 5,078,403噸年產量紀錄 然而 自 1968 年起由於燃 油成本下降 1974 年出現 生 產 年 數 概 況 合計 135 煤礦平均產量 噸 中位數 期為1945年至1967年 且 16 臺北地區 隊燃料 自國民政府遷臺 定自產能源 故臺煤盛產 基隆地區 將數據由小而大排列 總個數為奇數者取最中央之值 總個數為偶數者則取中央兩數平均 數 所得之值即為中位數 因此資料中有一半的數大於中位數 而另一半小於中位數 資料來源 臺灣的煤礦 2006

19 地質專題 員工宿舍等設備 以提供安全工 學的研究成果 顯示地下深處無開 準平均再減5.2 臺灣地區使用 作環境與增產之需求 昔日煤礦 採經濟價值的煤層或廢棄礦坑 在 燃煤的火力發電廠與石化廠頓時成 開挖時的空氣污染 酸礦排水 深埋受壓下產生的裂隙與次生孔隙 為眾矢之的 為達到溫室氣體排放 道路汙染等眾所矚目 如今廢棄 率 有助於煤層氣乃至頁岩氣的移 減量的目的 將化石燃料中的煤轉 煤礦仍須注意礦渣堆及礦坑下陷 棲 換句話說 煤層可成為天然氣 移至天然氣 或將化石燃料轉移至 之環境安全問題 魏稽生與嚴治 的油源岩或儲集層 未來可考慮配 其他非傳統或綠色能源已屬勢在必 民 2008 部分地區可考慮土 合 CO 2 地下封存 藉由灌注高壓 行 然而考量市場供需價格與核能 地再利用改建為遊憩區 CO2驅排煤層氣 可同時達到封存 疑慮 此種轉型實非一蹴可幾 維 溫室氣體與增產天然氣的目的 持適量燃煤進口使用 強化煤質要 結語 求與汙染控管 落實溫室氣體地下 1997 年 12 月 第三次締約 封存與創新能源開發 實為當務之 傳統化石燃料中的煤與油氣 國大會(CO3) 在日本京都簽署 無論在材料特性 沉積環境 開採 京都議定書 規範38個國家及 運輸上均有所不同 過去普遍認為 歐盟以個別或共同的方式控制人為 緬懷感念臺煤過去對臺灣經 臺灣煤礦集中於西部麓山帶基隆至 排放之溫室氣體量 以期減少溫室 濟的貢獻 深入瞭解今日臺煤使用 苗栗間 而油氣資源則分布於竹 效應對全球環境所造成的影響 要 的現況與問題 展望未來在尋求兼 苗以南之山區或海域 近年來 在 求必須在2008年至2012年間將該 顧經濟與環保的雙贏局面下開發使 煤岩學 有機地球化學與沉積地層 國溫室氣體排放量降至1990年水 用黑金資源 急 I 新平溪煤礦為臺灣目前保留最完整的煤礦場 歷經停產後轉型成礦業文化體驗園區 陳柏村攝 第33卷第4期 17

20 GEO TOIC... 地質專題 非傳統能源 文 呂明達 前言 因此 非傳統能源是指用傳 尺的天然氣水合物可輕易轉化為 統技術無法獲得商業化產量 需 164立方公尺主要是甲烷的天然氣 傳統能源是已經大規模生 用新技術改善才能獲得經濟開採 和0.8立方公尺的水 產和廣泛利用的一次能源 如 的能源 通常非傳統能源所蘊藏 煤 石油 天然氣等 現今在傳 的量會比傳統能源大很多 在天然氣水合物的開採過 程中 若不能對溫壓條件加以妥 統能源日漸枯竭的時候 各國紛 紛將目光投向非傳統能源 如 謹將地球深處非傳統能源中 善控制 甲烷氣會快速地散發至 太陽能 風能 頁岩氣及天然氣 之 天然氣水合物 頁岩氣及地 大氣中 引起地球暖化問題以及 水合物等需新技術去開發利用的 熱 說明如下 海洋生態改變 海底大規模滑塌 等 因此只有提升開發技術後才 能源 天然氣水合物 能妥善利用 傳統能源和非傳統能源的劃 分是相對的 以核能為例 年 美 國 科 學 家 哈 默 特 美國 俄羅斯 日本 中 年代中期研究用來發電及作為動 (Hammersemidt)在輸送天然氣 國 德國 臺灣等國家正探討與 力使用 當時被認為是一種新能 的管線中發現有水合物堵塞 水 投入經費發展天然氣水合物 但 源 但是現在世界各國普遍設立 合物主要是由天然氣與水組成 因開採困難尚無法商業化 美國 核能發電廠 有些國家已經把核 呈固體狀 外貌很像冰雪或固態 地 質 調 查 所 2005 年 估 計 天 然 氣 能列為傳統能源了 太陽能和風 酒精 點火可燃 因此天然氣水 水合物的儲量約有 能在許多世紀前就已經被利用 合物又稱為可燃冰或甲烷水合 方公尺 由於並未取得足夠的鑽 現在由於新技術的研究 開發 物 井及生產資料 此估計值充滿了 18 立 不 確 定 性 日 本 從 1992 年 開 始 提高利用效率及擴大使用範圍 15 目前都被列入為非傳統能源 再 天然氣水合物大量儲存在海 關注天然氣水合物 為期 5 年 如人類很早以前就開始利用地熱 洋 凍土層等處 其中甲烷占 80 投入研究經費 9 千萬美元 對日 來做溫泉沐浴 醫療及取暖等 至 99.9 可直接點燃 燃燒後 本周邊海域的南海海槽 鄂霍次 當時是傳統能源 但至 20 世紀中 只產生少量的二氧化碳和水 汙 克海進行調查 初估天然氣水合 葉開始真正認識地熱資源 並進 染比傳統能源少很多 天然氣水 物資源量可供日本 1 百年能源消 行較大規模的開發利用 現在則 合物在海底與凍土層低溫高壓的 耗 日 本 並 從 1998 年 開 始 參 加 利用地熱來發電 並開發新技術 共同作用下 甲烷與水結晶形成 在加拿大 M a l l i k 基地天然氣水 提高效率 因此被列入為非傳統 3 種籠狀的結晶體組成固態的冰 合物鑽井 降壓 升溫及生產試 能源 球 如果這種冰球融化 1立方公 驗 2013 年 初 在 日 本 南 海 海 槽

21 ... 地質專題 呂明達 國立中央大學地球科學學系副教授 專長於地球物理探勘 隙 再把相當量的水與支撐劑 (proppants) 注入 利用支撐劑 撐開產生的裂縫 避免其閉合作 為氣體的流動通道 以增加氣體 產量 此技術稱為水平井和液 裂 1997 年 Mitchell 能源公司 在Barnett盆地頁岩區作業中首次 使用液裂技術 從此拉開美國頁 岩氣開發序幕 此頁岩氣革命使 美國天然氣產量大幅度增加 造 成天然氣價格滑落並持續低迷 同時也使原本是進口天然氣的美 I 全球天然氣水合物蘊藏分布 修改自What Types of Green Energy Can we Tap Into Tomorrow? osted by buzzkeeper, 2013 國 因頁岩氣產量的增長 而減 少來自加拿大的管線天然氣和中 東 非洲地區的液化天然氣量 生產試驗 6 天產出 12 萬立方公 頁岩中流動 傳統的天然氣資源 現在美國的水平鑽井及液裂技術 尺天然氣 平均每日 2 萬立方公 是由頁岩層生成天然氣 經過移 是世界第一 也是其他國家很難 尺 對天然氣水合物的開發踏 棲至孔隙率及滲透率大的砂岩層 仿效的 出一大步 中聚積 頁岩氣則在頁岩層中形 成後 基本上並沒有經過移棲 頁岩氣在全世界的資源量大 而是直接聚集在頁岩層中 頁岩 於傳統天然氣資源量 美國頁岩氣 氣以自由氣的形式儲存在頁岩地 生產量占2010年全國天然氣總生 頁岩在自然界中分布廣泛 層的孔隙及自然裂縫中 也以吸 產量約 23 北美頁岩氣大量生 約占沉積岩的 60 而且是大多 附氣的形式吸附在頁岩顆粒表面 產造成全球區域性天然氣價大幅 數傳統油氣的主要生成岩 頁岩 上 若採用傳統鑽鑿垂直井生 震盪 預估於2020年左右美國天 氣是一種生成並儲存在頁岩中的 產油氣的方式開採 產量低而 然氣供給將超過其消費量 由天 天然氣 成分以甲烷為主 是一 不具經濟價值 因此 頁岩氣 然氣淨進口國轉變為淨出口國 種清潔 高效率的能源 生產開發需採用特殊的技術 亞太地區頁岩氣蘊藏量以中國 也就是沿著生產層鑽水平井 再 印度及澳洲較為豐富 唯亞洲地 頁岩的孔隙率低 岩層內 利用高壓幫浦把液裂流體注入生 區頁岩氣的發展仍處萌芽階段 滲透率也很低 因此氣體很難在 產層 使地層擠裂而形成人工裂 對全球天然氣市場影響有限 頁岩氣 第33卷第4期 19

22 GEO TOIC 地質專題 療 利用地下熱水取暖等 近代 有建造農作物溫室 水產養殖及 烘乾穀物等 因此地熱具有多元 化的附加價值 還有利用地表下 約10公尺處的溫度維持在攝氏10 度至 16 度間 就像在洞穴一樣 可用來調整地上大建築物內冬暖 夏涼的地熱熱泵系統(geothermal heat pump system) I 北美頁岩氣大量生產造成全球區域性天然氣價大幅震盪 地熱發電 地熱能儲量比目前人們所 利用的總量多很多倍 如果熱 地熱 的地熱時 則熱能將源源不絕 量提取的速度不超過補充速度 地熱能便是可再生的一種能源 地熱這種能量來自地球內部 一般地熱的儲存方式 約可 的熔岩 以熱力形式存在 是導 分為如下兩種類型 本原理乃是利用地熱水 使其成 致火山爆發及地震的能量 在地 水熱型 熱液資源 為過熱蒸汽後 來推動渦輪機旋 球內部 80 至 100 公里的深度處 地下水在裂隙較多的岩層中 轉發電 這種以蒸汽來旋轉渦輪 溫度約為攝氏650度至1,200度 吸收地熱 其所儲集的熱水及蒸 的方式 和火力發電的原理是相 透過地下水的流動和熔岩湧至離 汽 經適當提引後可為經濟型替代 同的 發電系統末端之冷凝水經 地面1至5公里的地殼 熱力得 能源 為現今最常見之開發方式 適當控溫後排入河川或回注到地 以被轉送至較接近地面的地方 並將附近的地下水加熱 這些加 下 以避免地層下陷 因此比火 乾熱岩型 熱岩資源 熱的水最後會滲出地面形成地熱 淺藏在地殼表層的熔岩或尚 區 運用地熱最有效率的方法就 未冷卻的岩體 以人工方法造成裂 是直接取用這些熱源 並抽取其 隙破碎帶 再鑽孔注入冷水使其加 能量 熱成蒸汽和熱水後將熱量引出 此 開發技術尚在研究試驗中 臺灣位於環太平洋地震帶上 亦即板塊構造邊緣 因此具有發展 20 可以作基載電力 地熱發電的基 力發電更有效率 且過程中不會 因燃燒重油或煤炭而造成污染 結語 地球上的天然氣水合物 頁 岩氣及地熱儲量均非常豐富 能 地熱的利用可分為直接利用 夠妥善利用也都是乾淨能源 值 地熱的良好先天條件 目前的技術 和地熱發電兩大類 得我們用心去開採 使用 但是 只能在部分地質適宜的區域 針對 直接利用 再多的資源也有用完的一天 因 集中在地殼淺部的熱能予以開發利 人類很早以前就開始利用 用 將來若能更進一步開發較深層 地熱能 例如利用溫泉沐浴或醫 此希望 節能減碳 的工作就從 這非傳統能源的運作開始

23 ... 地質專題 林殿順 國立中央大學地球科學學系副教授 專長於沉積學 地層 學 地體動力學 石油地質 地下地質學等 臺灣西南外海天然氣水合物 賦存模式暨資源潛能 文 林殿順 劉家瑄 前言 臺灣西南外海地體 構造 自2004年至今 經濟部中央 營 官田 那菝林等 以上這 些氣田的產狀顯示臺灣西南部及 海域之地層可產生顯著的熱成熟 地質調查所委託學界進行臺灣西 臺灣西南外海屬於增積岩 天然氣及生物氣 臺灣西南部麓 南外海 天然氣水合物資源潛能 體跨騎於南海張裂大陸邊緣之 山帶往西南延伸成為深水區之增 調查計畫 調查成果顯示臺灣 地體構造環境 南海張裂大陸 積岩體 兩者具有相同的成因 西南外海極可能蘊藏大量天然氣 邊緣 在此稱為臺南斜坡 與 合理推測西南外海的增積岩體及 水合物 因此 自2013年開始 增積岩體以變形前緣為界 此 張裂大陸邊緣 臺南斜坡 其 科技部 能源國家型科技計畫 變形前緣往南延伸至馬尼拉海 地下地層應可供應顯著的天然 也開始投入臺灣西南外海重點天 溝 往北則連接臺灣造山帶的 氣 然氣水合物賦存區之探勘及鑽探 變形前緣 變形前緣以東的增 研究 期能探明我國西南海域天 積岩體以壓縮構造為主 變形 震波測勘結果顯示 臺 然氣水合物之蘊藏量 以及評估 前緣以西的臺南斜坡很少有近 灣西南外海水深從800公尺到 未來進行天然氣商業開發生產之 期構造發育 但靠近變形前緣 3,000公尺處有廣布的海底仿 可行性 處 即臺南盆地東側 偶而有 擬反射 (B o t t o m S i m u l a t i n g 更新世至近代的正斷層發育 R e f l e c t o r, B S R) 顯示深水 此海域之增積岩體往臺灣島延 區海床下應有大量的天然氣水合 伸成為臺灣西南部麓山帶 物分布 海床沉積物採樣分析也 關於天然氣水合物的基 本性質及全球資源潛能 有興 發現本區沉積物孔隙水含有極高 趣的讀者可參考鐘三雄 劉家 瑄(2007) 陳松春 王詠絢 在臺灣西南部麓山帶 平 的甲烷濃度以及很淺的硫酸鹽 (2007) 陳松春(2010)及鐘三雄 原區及臺灣海峽已發現多個天然 甲烷界面 (Sulfate Methane 等 (2013) 等文章有詳盡的論述 氣氣田 這些氣田以熱成熟天然 Interface, SMI) 深度 代表本 在此不再贅述 本文探討臺灣天 氣為主 但在靠近變形前緣的麓 區的甲烷通量很高 另外 在數 然氣水合物之地質賦存模式及資 山帶前緣及其相鄰的平原區 則 個海底地形高區 如九龍海脊 源潛能 有數個氣田以生物氣為主 如新 福爾摩沙海脊 永安海脊 好景 第33卷第4期 21

24 I GEO TOIC 地質專題 22 臺灣西南部地質圖及其外海之海底地形 圖中顯示地質構造 深水區海底仿擬反射分布 ( 紅色線段 ) 陸上及大陸棚之天然 氣氣田分布 在臺灣海峽及西南部平原區等厚線代表新生代沉積物厚度 英文字母 U L1 L2 L3 代表增積岩體區構造區塊 ;S1 S2 代表張裂大陸邊緣區 ( 或稱臺南斜坡區 ) 之構造區塊 注意泥貫入體 ( 粉紅色狹長圈閉 ) 主要分布在上部增積岩體, 陸上與海域之泥火山主要分布在增積岩體

25 地質專題 I 臺灣西南外海海底地形 圖中顯示BSR 紅色線段 增積岩體區主要濁流砂體 黃色區塊 水合物探勘好景區的建議鑽 探站位等分布 海脊 枋寮海脊等 皆發現自生 之上部斜坡以逆斷層所造成的 傾斜的背斜 並成為海底地形 碳酸鹽與生物群落 這些海脊上 背斜為主 而此狹長的背斜核 高區 後段下部斜坡有數條逆 也經常有海水中之噴氣柱 如福 心常有泥貫入體分布 下部 斷層已經切穿海床 如永安海 爾摩沙及永安海脊 海床泥火 斜坡也以逆斷層所造成的背斜 脊西側斷層 好景海脊西側斷 山 有些泥火山也觀測到噴氣 為主 但這些背斜乃單純由岩 層 使得斷層上盤的地層常 現象 這些現象顯示臺灣西南外 層褶曲所形成 與泥貫入作用 形成往東傾斜的單斜構造以及 海深水區於局部地區有顯著的甲 無關 若再以逆斷層有無出露 海底地形高區 如永安海脊與 烷氣直接滲漏至海床 暗示此區 海床 可將下部斜坡再細分為 好景海脊 出露逆斷層除了 地下有豐富的甲烷氣或天然氣供 前段下部斜坡及後段下部斜 可由反射震測剖面解釋得知 應 坡 前段下部斜坡之逆斷層為 外 在側掃聲納研究中也顯示 隱伏斷層 大部分斷層沒有切 海床有數條疑似斷層的線型構 穿海床 斷層上盤形成往兩側 造 若斷層出露海床且斷層上 臺灣西南外海增積岩體 第33卷第4期 23

26 GEO TOIC 地質專題 盤之地層呈單斜構造 深部含 天然氣流體很容易沿著斷層或 天然氣水合物之賦存 型態 海床處 形成滲漏 若為隱伏 初步評估 林殿順 2010 兼具的儲集型態 這些探勘標的 斷層與背斜構造 則深部流體 顯示臺灣西南外海天然氣水合物 分別為活動背斜海脊 出露逆斷 較不易運移至海床淺處 在張 資源量可達2.7兆立方公尺 包括 層單斜構造 隱伏背斜 泥貫入 裂大陸邊緣部分 此部分屬臺 增積岩體區之1.9兆立方公尺 臺 體邊緣封閉 泥貫入體海脊 高 南盆地 其新生代沉積物厚 南斜坡區之0.8兆立方公尺 區水道濁流沉積物 斜坡下伏往 度可達10公里 於更新世以 陸棚傾斜地層 具圈合的斜坡海 後 此盆地只有在其東側有較 天然氣水合物賦存型態可分 明顯的正斷層活動 其西側相 為地層型及滲漏型兩大類 地層 對的正斷層活動較少 在盆地 型儲集型態之天然氣水合物賦存 根據前述天然氣水合物之探 東側 靠近臺南大陸斜坡處 於具廣布 高孔隙率之儲集層 勘好景區之賦存型態 研究團隊 有一大規模 切穿海床地的生 推測水合物主要聚集於水合物穩 選擇最具潛能的探勘好景區共 7 長正斷層 此斷層的活動造成 定帶底部 滲漏型水合物儲集型 處 分別為枋寮峽谷(F L C) 大陸斜坡下方的地層往陸棚方 態則主要富集於裂隙或斷層帶 永 安 海 脊 (Y A R) 四 方 圈 合 海 向傾斜 形成滾動背斜(r o l l- 氣烟囪附近 泥貫入體上方 其 脊 (F W C) 前緣海脊 (F T R) over anticline) 且地層於斜 天然氣水合物賦存範圍較前述的 福 爾 摩 沙 海 脊 (F M R) 指 標 海 坡下方被侵蝕 臺南斜坡東側 地層型範圍小 且可分布於近海 脊 ( R) 以及九龍海脊 (J R) 等 之部分斜坡沉積物已受擠壓 床處或海床上 亦即天然氣水合 於此 7 處共勘定 18 口鑽探井位 形成增積岩體的一部分 臺南 物穩定帶上部 寄望未來於這些站位的鑽探 將 以來 沒有重要的正斷層發 育 脊 斜坡沉積物波等 可進一步量化天然氣水合物賦存 盆地西側的臺南斜坡自更新世 24 斜坡區 有三類 每一類可能單 獨為地層型或滲漏型 或是兩者 傾斜的高孔隙率岩層移棲之近 六類 在張裂大陸邊緣 即臺南 這些天然氣水合物賦存型 的各項條件 期能精確評估臺灣 態可分成九大類探勘標的 (p l a y 西南外海天然氣水合物可採蘊藏 t y p e s) 其中在增積岩體區有 量

27 I 地質專題 解釋的震測剖面顯示臺灣西南外海深水增積岩體區 ( 左側 ) 及張裂大陸邊緣區 ( 右側 ) 之天然氣水合物主要賦存型態 部分建議的鑽探站位 ( 如 FWC-1) 標示於解釋的震測剖面圖中, 實線鑽井線段符號表示此井位正位於此震測剖面上, 虛線表井位不在此震測剖面上, 為示意性的投影 第 33 卷第 4 期 25

28 GEO TOIC... 地質專題 頁岩氣的發展與未來趨勢 文 沈俊卿 莫慧偵 就在5年前 頁岩氣突然呈現爆發性的發展 由於美國的盆地一個接一個順利探勘成 功 因此出現頁岩氣革命一說 當時頁岩氣的氣勢看起來會席捲全球 然而隨著波蘭 的鑽探結果令人大失所望 前言 國銀行業的發達和投資方式的多 回升 未來能源需求勢必如柴添 樣化 讓中小企業取得資金來源 火 因此 至2020年每日的原油 全球最大的頁岩氣蘊藏量 較容易 同時既存的管道設施也 需求可能提高到1億桶 屆時油價 國家 中國 2 年前雖也蔚為風 降低了頁岩氣的輸送成本 相對 可能飆至 150 美元以上 而具替 潮 但隨著美國量化寬鬆政策的 地 其他國家目前並不具備前述 代性的天然氣 供應原本就已緊 結束 游資可能從全球頁岩氣的 幾點優勢 所以頁岩氣和頁岩油 迫 中期而言 產油國基於財政 投機風潮中抽腿 而中國也在面 的生產量只集中在北美 的收支平衡所需賣出的油價亦節 節高升 至 2030 年將達 300 美元 臨資金緊縮的環境下終於冷靜下 來 開始面對中國頁岩氣的不樂 儘管頁岩氣的展望不甚樂 以上 加上2040年產油國原油因 觀 因為其地質條件並不佳 在 觀 但頁岩氣不至於像多年前的 內需高漲 可能無法供應外銷 這樣的氛圍下 頁岩氣泡末化的 葡式蛋塔般 來如一陣風然後煙 雖然最近產油國為了打擊頁岩 說法於是開始浮現 但這終究如 消雲散 原因是自明年起 原油 油 迫使油價急跌 已接近頁岩 頁岩氣革命的說法一樣 失之偏 供應的備產能力開始下滑 但需 油成本 產油國不可能忍受長期 頗 不過北美的成功經驗要在短 求仍然增加 加上短期的展望 財務的紅字 在上述情況下 未 期之內移植至其他地區 取得大 歐美景氣已然開始復甦 中國的 來十幾至二十年內頁岩氣仍會舉 量廉價的頁岩氣供應全球 的確 景氣雖在谷底但隨時可能反轉 足輕重 是短期內難以實現的期待 美國頁岩氣之所以能蓬勃 發展 主要是中小企業先進行頁 岩氣開發 小公司進行技術改良 與創新較靈活 故能降低成本 這正是美國頁岩氣能成功商業化 開採的肇因 其他如 美國土地 屬私有 土地的所有者也同時擁 有地下能源的開採權 對中小企 業而言較易於取得礦權 加上美 26 I 頁岩氣是指頁岩本身既能生成油氣的母岩 同時也兼具儲油氣層(C B M Development Corp, 2012) Asia

29 ... 沈俊卿 台灣中油股份有限公司探採研究所地球化學組組長 地質專題 頁岩氣簡介 何謂頁岩氣? 就是由泥壓密所形成的頁岩, 儲集了部分自產的油氣, 被稱為非傳統能源 所謂的傳統能源是指被保存在頁岩或石灰岩中的有機物於深埋後, 經過長時間地底高溫的熱分解作用產生油與氣, 生成後因母岩當時的孔隙已受重壓而剩餘有限, 體積超過孔隙空間的油與氣逐漸被迫進行排移, 移出後因其比重相對於周邊岩層較低的情況下, 向上移聚至相對孔隙較大且具封閉能力的構造中, 形成傳統能源 而殘留在生油氣母岩中未能排移出的油氣, 當孔隙封閉後若未再進行排移, 則留在母岩當中, 隨埋深的溫度增加而不斷進行裂解, 直至全轉變成氣體, 而形成非傳統能源 由於頁岩氣的特性就是數量相對較少, 且無法自由流動, 因此在過去不被認為是可運用的資源, 但隨著傳統能源的耗竭, 加上 2005 至 2008 年間天然氣價格的飆漲, 此一資源隨著水平鑽井與地層液裂技術之成熟, 終於至 2009 年在美國進行商業化的量產 由於其儲集方式與生產方法迥異於以前 能源 雖然美國被預期 2015 年可 能超越俄國成為全球最大的天然氣 生產國, 至 2017 年超過沙烏地阿 拉伯成為全球最大產油國, 但因開 採公司虧損連連, 頁岩氣革命自 2013 年起即一蹶不振, 終至出現 頁岩氣泡沫一說 頁岩氣所需條件 由於頁岩本身是頁岩油氣的 生油氣母岩, 同時亦兼具了儲集 層的角色, 因此頁岩裡有機物含 量的多寡與類別條件, 除了能影 響油氣的生成數量與時序, 同時 也關係到可儲存油氣的孔隙數量 之多寡 因此, 岩石中有機物的 類型與其富集度, 成為頁岩氣生 成潛能的重要指標 孔隙率通常地層的產氣量大小與孔 隙率呈正相關, 但一般情況下地 層在埋深達 4,000 至 5,000 公尺 時可壓縮之孔隙率已接近零, 此 時地層間連通之孔隙也會消失, 致使其滲透率會低至 10-7 至 d, 因此即便氣體要穿透 10 公尺 的距離, 都需 3 至 300 百萬年的時 間 (Halliberton, 2010) 當地層 深埋至 4,000 公尺時, 有機物已進 的氣窗 ; 隨著埋深增加, 有機物則會繼續生成油氣, 而隨深度增加氣體的吸附也會增加, 但在前述深度以下, 氣體的吸附作用早已達到飽和 非屬吸附性的游離氣通常儲集在有機物轉換成油氣後所遺留的孔隙裡, 但有機物的孔隙體積與其轉化成油氣的比率呈正相關 (Jarvie, 2011; assey, 2010) 通常有機物的孔隙體積為有機碳含量的 2 倍, 故較低的有機物含量僅會產生較低的孔隙率 有機物孔隙體積的增加也會提升甲烷氣的吸附數量 簡單的說, 氣體的飽和率會隨有機碳含量增高而呈現等倍增加, 同時甲烷吸附能力亦隨有機碳含量變高而增大 (assey et al., 2011) 然而實例告訴我們, 地層中的頁岩氣通常並非只含甲烷, 當頁岩處在產濕氣區段裡還會出現乙烷 丙烷 丁烷 戊烷等與二氧化碳 在天然氣的組成當中, 分子越大的吸附能力越高, 其中丙烷及丁烷的吸附能力甚至比二氧化碳高, 因此當頁岩處在產濕氣的階段裡, 甲烷應以游離狀態賦存 由於二氧化碳的吸附能力比甲烷高, 而天然氣的生成過程同時伴產著二氧化碳, 因此當岩層所產氣體出現二氧化碳時, 甲烷也應 所認知的油氣, 因此被稱為非傳統 入可產油的油窗, 但仍未達產氣 以游離狀態賦存 第 33 卷第 4 期 27

30 GEO TOIC 地質專題 有機物北美著名頁岩氣蘊藏的平均有機碳含量值為 0.6% 至 4.0% TOC, 但各頁岩氣盆地間的有機碳含量差異極大, 而頁岩氣核心區的總有機碳含量 (TOC) 皆大於 2%(Jarvie, 2011), 但這不是個可用來評估的絕對標準, 因為產油類型的總有機碳含量會隨著成熟度改變, 各盆地的成熟度並不相同 此外不同的有機類型所產生油氣的數量 時序及油氣內容會有甚大的差異, 美加含氣頁岩層的主要有機物類型是以海相沉積的 Type II 型油母質 Type II 油母質在油窗的成熟度範圍內能裂解出大量的油和少量天然氣, 然而在較高有機物熱成熟度時卻僅能產生少量天然氣, 但是已生成的液態原油在高有機物熱成熟度時, 因會被進一步裂解成天然氣, 故其所能形成的天然氣量仍十分可觀 原油通常在達到產油高峰 ( 即約 0.9% Ro) 後即開始發生裂解, 氣體生成量也因此隨之開始大幅增加, 當地層緻密後就隨著所經歷的有機物成熟區段的增長, 故地層得以不斷累積其中之儲集量 ( 沈俊卿與莫慧偵,2011) 雖然北美地區的頁岩氣盆地, 其頁岩大都是海相頁岩中常見的 Type II 與 III 的混合型, 但路易斯安那州之 Haynesville Shale 為 Type III 的類型, 此類型的 有機物以產氣為主帶少量油, 在較高的成熟度時氣體係直接由有機物產生, 也因此 Haynesville Shale 之初始產量是美洲最高 (Chesapeake, 2010) 成熟度在有機物轉化為油氣的過程中有三大影響因素, 除了有機物的含量與類型外, 有機物成熟度也扮演了重要角色 有機物的成熟度就像人的年紀, 有機物大多是在進入油窗 ( 成年期 ) 後才開始產生油氣, 產油高峰則出現在有機物成熟度 0.9%Ro 左右, 產油高峰是油氣的分界點, 過了此點已生成的原油會進行裂解, 開始大量轉化成氣體, 直到有機物成熟度達 3.0%Ro 左右, 油氣就不會再生成 ( 老年期 )(assey et al., 2010); 換言之, 在一般的地溫梯度下, 生油岩在埋深約達 7 公里後就無法再產生油氣 而後氣體生成後會在有機物成熟度達 Ro>1.1% 開始進行排移, 未能排移出而積滯在地層中的氣體, 則是所要尋找的頁岩氣 當地層的埋深大於 5 公里時, 岩石顆粒間的孔隙會因過高的上覆岩層壓力及溫度而消失, 且地層中的殘留孔隙也會缺乏連通性, 致使油氣的滲流困難, 在此情況下油氣卻仍會隨著埋藏所導致溫度的增高而持續增生, 除非油氣生成的數量能克服地層的圍壓 ( 即 壓裂地層 ) 排移出去, 否則只能留在由有機物裂解轉化成油氣後所殘留的孔隙中 因此地層在孔隙消失後, 所經歷的有機物成熟階段愈長, 則相對的其氣體含量也會增加 在美國的頁岩氣盆地因埋深尚未達到有機物產油氣極限, 故有機物成熟以 Ro>2.0% 之部分為頁岩氣生產的主體 在加拿大西部盆地 Horn river 之有機物成熟即稍高於 2.0%Ro, 而其西側造山帶上 Liard 區塊的同地層有機物成熟度高達 3.0% Ro, 雖已達產油氣的極限, 但因累積產生的油氣未經排移, 故氣體含量為其東側有機物成熟較低的 Horn river 盆地的 2 倍 總之隨著成熟度的增高, 地層因埋深增加而負載壓力變大, 致使岩層顆粒間孔隙消失, 接下來由有機物形成的孔隙, 則因物質由固體轉化成氣 液態的較小分子而增多, 而所增加的孔隙也導致氣體吸附的量增加, 在此同時轉化生成的氣體量亦會增多 因氣體密度隨壓力增加, 故地層中所儲集的游離氣也會跟隨增加, 這些變化均受有機物成熟度影響 從生產的角度來看, 在較高有機物成熟度條件下, 油氣之產率是會提高, 但相對地完井成本則會增加 28

31 地質專題 裂隙發育頁岩指的是以黏土礦物為主要組成的岩層, 但一般人較不知道的是有些頁岩具高度脆性 (brittleness), 源自於頁岩中所存在的脆性礦物種類含量較高所造成, 這是形成裂隙的主要條件, 也是決定開發成敗的關鍵 當頁岩組成以石英 長石 方解石等脆性礦物為主時, 很容易受大地應力與人為應力而生成裂隙 ( 天然裂隙與誘導裂隙 ) 而讓頁岩具備較佳儲集或排移能力, 通常頁岩是由黏土礦物所組成, 因此其塑性較強, 在相同的應力下較不易產生一系列的裂隙網絡, 此外裂隙也容易癒合, 但塑性頁岩卻較為普遍, 可作為脆性頁岩氣儲集層上方的良質蓋層, 以防堵氣體的逸失 美國各頁岩氣盆地頁岩之組成與其經驗岩石脆性指標值 (EBI: Empirical Brittleness Index) 顯示, 黏土礦物小於 30 時會具備較高之脆性 (Waters G A et al., 2011; Guo Z Q et al., 2012), 通常石英含量高於 50% 或碳酸岩高於 70%, 頁岩之脆性增加 由於頁岩氣的實例顯示礦物的組成變化甚大, 當進行開發時需配合當地的礦物性質來應用合適的壓裂液, 以獲得理想的氣體採收率, 期能符合經濟效益 頁岩氣通常存在於已緻密的頁岩當中, 因此理想中的頁岩氣是要有裂隙作為儲集空間與自由流動的管道 頁岩氣最早是被發現在天然的裂隙中,1821 年天然頁岩氣第一次出現在美國弗羅里達, 就是在淺層 低壓的裂縫中被開採出來 這是氣體以天然的裂隙作為儲層, 顯示裂隙的出現在頁岩氣生產時也能有效提高頁岩氣產量, 至於裂隙的產生則可經由自然生成或人為誘發而形成 一般而言, 大型的裂縫出現的頻率會較低, 而小型的裂縫出現的頻率則較高 在古老的地層中裂縫通常是經多期產生的, 故充填作用之發生時序與充填比例通常也不盡相同 裂縫的分布方向也不會一致, 因裂縫大小與孔隙多寡的關係為非線性與異向性, 因此它對開發生產的成功與否影響甚大 美國因特殊的天然地質條件之故, 導致地層易存在裂隙, 但並非所有的地方裂隙發育都很好 因此無天然裂隙區域之開發, 一直等到 Barnett 頁岩的液裂成功, 液裂讓低滲透性卻富含天然氣的頁岩可作經濟規模的開採, 之後隨著如水平鑽井 壓裂 多段式壓裂 同時壓裂 (simul-fracs) 微地震裂隙測繪 人工支撐劑及 3-D 震測等新技術的發展, 頁岩氣的開發變成更成熟和具經濟價值 資源潛能與廣泛分布 頁岩主要由粒度小於 1/256 公釐的各種黏土礦物組成, 因此易被水體帶動, 故通常只會在安靜水體下沉積, 所以其分布甚廣且數量多 但頁岩氣通常僅存在於有機物含量豐富的頁岩之孔隙當中, 然而形成此類頁岩所需要的缺氧條件並非海洋中常見的現象, 但相對於漫長的地質史, 全球性缺氧事件就變成非偶發事件, 也因此富含有機物的頁岩能出現在全球大部分的地區 當其經過埋深增加的高溫及高壓所導致的油氣生成及岩石緻密作用, 我們不難理解頁岩氣的分布是廣泛且蘊藏量巨大, 若依據美國能源情報署 (EIA)2013 年對於全球 41 個國家 95 個盆地 137 個頁岩層所作評估結果 : 全球已證實與未證實之天然氣儲量合計估有 22,882 Tcf( 兆立方英尺 ), 包含美國本土的 2,431 Tcf 以及其他國家的 20,451 Tcf 而原油儲量總計有 3,357 Bbl( 十億桶 ), 包含美國境內的 223 Bbl 與其他國家的 3,134 Bbl; 其中, 頁岩氣的技術可採儲量 (Technically Recoverable Resources, TRR), 全球共計有 7,299 Tcf, 約可讓全人類使用 70 年! 前五大頁岩氣技術可採儲量的國家依次為中國 (1,115 Tcf) 阿根廷(802 Tcf) 阿爾 第 33 卷第 4 期 29

32 GEO TOIC 地質專題 I 全球各地頁岩氣分布圖 前20名及數量以藍色圓點表示(Thomson Reuters, 2012) 排名 國家 頁岩氣蘊藏量 兆立方英尺 頁岩油全球技術可採儲量為 345 阿根廷 802 B b l 其中排名前五名的國家則 阿爾及利亞 707 中國 *1 1,161 依 序 為 俄 羅 斯 (75 B b l) 美 國 4 美國 5 加拿大 573 廷 (27 Bbl) 利比亞 (26 Bbl) 6 墨西哥 545 (EIA s report, 2013) 7 澳洲 南非 390 美國頁岩氣之生產量在 9 俄羅斯 年占全國天然氣總生產量之 巴西 E IA 預測在 2040 年頁岩 7,299 氣產量比重將可達 50 除了美 全球總量 註1 本表依美國能源資訊署(EIA)評估資源量作為排序依據 括號 中數字為 ARI(Advanced Resources International)估計量 I 全球各國頁岩氣資源量以中國最高 但真正能開採出來的數量則有待證實(EIA/ ARI, 2013) 30 Tcf) 加拿大 (573 Tcf) 至於 1, 及 利 亞 (707 T c f) 美 國 (665 (58 Bbl) 中國(32 Bbl) 阿根 國之外 其他的國家如中國 阿

33 地質專題 根廷 利比亞 阿爾及利亞 波蘭 南非 德國 英國及澳洲等皆有頁岩氣, 但其開採成本約為美國的 2 至 3 倍 歐洲除北海外油氣蘊藏量不多, 歐盟的能源需求約有 1/3 至 1/2 來自俄羅斯, 此導致俄羅斯成為歐洲最大的石油 煤炭及天然氣供應國 這些進口天然氣 80% 是經由烏克蘭所控制的管線輸送, 而之前的科索沃戰爭 近期約俄羅斯併吞克里米亞, 與俄國拒絕再以優惠價格提供天然氣給烏克蘭, 甚至切斷供氣的俄烏之爭, 對歐洲諸國皆是嚴重警訊 這也是歐洲諸國中天然氣進口比率相對較低的英國, 在北海油氣藏步入耗竭時, 基於 能源獨立 的考量, 毅然排除阻力, 重啟頁岩氣開發的主因 而俄羅斯情報單位著力於歐洲環保團體, 以促成反水力壓裂法運動, 來維持歐盟 (EU) 對於俄羅斯天然氣的依賴性, 自是不言可喻 至於已晉身為全球最大的能源消費國的中國大陸, 雖是世界第二大石油消費國, 卻是全球最大原油進口國, 其煤炭消費也占全球一半之多 中國當然也會進行規劃開採其頁岩氣, 以減低 對進口石油 煤炭和天然氣的依賴, 然而中國開發頁岩氣所需克服的障礙甚多, 如 : 缺乏經驗豐富的技術人員 人為偏低的氣價 缺乏普及的管道設施 缺乏開放競爭的商業環境 土地歸屬國有 管道法規問題及複雜的地質條件, 加上中國多數具開發潛力的頁岩氣盆地因滿足壓裂法所需的水資源有限, 使得開採頁岩氣的成本相對較高, 雖然中石化成功地在四川涪陵開採出頁岩氣, 其成本僅為美國部分地區的頁岩氣井之一半 但從最早與中國大陸簽約在四川富順 永川區域進行頁岩氣勘探 開發與生產的殼牌 (Shell) 油公司, 最近宣稱將縮減在四川的頁岩氣規模 這是 十三五 能源規劃, 到 2020 年頁岩氣和煤層氣產量僅為 300 億立方公尺, 降至 十二五 所規劃的頁岩氣產量之一半的縮影, 藉此也可窺見中國大陸頁岩氣發展的前景 結論 頁岩氣的主要組成為甲烷, 因此成為清潔且高效率的能源, 但開採頁岩氣的過程需要使用水力壓裂技術, 即將水 裂縫支撐物和多種不同用途化學物質的混 合物, 利用高壓將岩石層壓裂, 藉此釋放出天然氣 由於可能會汙染地下水, 故遭環保團體強烈反對, 因此德國雖然廢核仍在未來 7 年停止頁岩氣鑽探, 法國雖有 180 兆立方英尺的頁岩氣儲量為歐洲之首, 仍禁止用水力壓裂技術開採頁岩氣 其實, 若非在淺層和破碎帶上探勘是較不可能產生問題, 另外如美國因氣價低而將甲烷氣釋放於大氣中或燃燒掉所產生的問題也並非無解, 故在可見的未來, 頁岩氣探勘與開採仍會繼續推展 儘管頁岩氣層分布廣泛且資源量巨大, 但太深則開發成本增高, 因此其可開採資源量仍屬有限, 故展望長期的未來能源供應雖有頁岩油氣的助益, 短期可有效舒解全球能源供應的窘迫, 但終究不敷快速的經濟發展與高度膨脹的人口所需 雖然北美有成功的經驗, 但要在短期之內複製至其他地區, 依舊是難以實現的期盼 在北美以外地區, 展望短期未來可能進行規模開採的, 可能只會出現在傳統油氣蘊藏量低或能源進口需求高過產量的國家, 如 : 中國 阿根廷 烏克蘭 土耳其 南非 英國及印尼等 第 33 卷第 4 期 31

34 GEO TOIC... 地質專題 我國地熱資源開發的過去 現在與未來展望 文 郭泰融 柳志錫 地熱發電具備潔淨 穩定且可作為基載電力等特性 在非核家園 節能減碳與油價節節 高漲的聲浪中 政府重新啟動地熱相關研究與技術研發 期能開發我國少數可自主且具 備基載電力特性的再生能源 本文將依序回顧我國早期地 熱資源探勘與開發歷程 近年技 早期地熱探勘與開發 民國 55 至 83 年 術與資源開發成果及未來發展趨 勢 以探討地熱資源開發的可行 性 義大利及瑞士等各國地熱專家 在大屯火山區進行地熱資源調查 評估 並以雙重溪 現在硫磺谷 早在民國 55 年 當時的經濟 及龍鳳谷一帶 及馬槽為重點區 部礦業研究服務組 財團法人工 域 進行一連串的地熱探勘井鑽 業技術研究院前身 地熱資源小 鑿與產能試驗 當時曾探得最高 組在美援的經費支援下 邀集來 井底溫度達293 關井壓力達 自美國 日本 紐西蘭 冰島 20 kg/cm2 極具開發潛能 I 民國58年大屯山冷水坑附近E205地熱探勘井產能測試照片 攝於1969年 黃克剛先生提供 32

35 ... 地質專題 郭泰融 財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所資深研究員 民國61年並 召集相關部會討論 考量時間及 委託瑞士Motor 經費因素後 放棄大屯山地熱發 Columbus顧問公 電開發計畫 司進行地熱發電開 I 早期臺東金崙溪上游近黃溫泉地熱因交通不便 探勘器 材採人力搬運方式進入 攝於1983年 黃金鴻先生提 供 發可行性研究 報 民國62年起轉向國內其他 告中估算大屯火山 地熱徵兆區逐步展開基本資料之 群地熱發電潛能最 調查研究 選擇潛能較高之宜蘭 少10萬瓩 最高 清水 土場 廬山 知本 金崙 可達 50 萬瓩以上 等地區為優先詳細調查探勘之場 且可解決酸腐蝕問 址 並由財團法人工業技術研究 題 並提出為期2 院 簡稱工研院 與台灣中油股 年之補充探勘工 份有限公司 簡稱中油公司 進 作 但當時經濟部 行相關的探勘調查與鑽探研究 I 土場地熱280 kwe地熱發電系統 攝於1988年 李清瑞先生提供 第33卷第4期 33

36 GEO TOIC GEO TOIC 地質專題 地質專題 其中 宜蘭清水地熱在國家 科學委員會 簡稱國科會 現改 制為科技部 的支持下 於民國 71年完成3 MW地熱電廠 地熱 田維護管理由中油公司負責 電 廠運轉則由台灣電力公司負責 此電廠在運轉 12 年後終因產能衰 減迅速 不敷成本而停止運轉 此外 民國 74 年在經濟部能源會 能源局之前身 支持下 於宜 蘭土場地區建造一座280 kw地熱 雙循環示範發電系統 此電廠運 轉時間8年 因階段性研發任務結 束 在民國 83 年計畫終止 我國 早期地熱發電研發計畫至此暫告 一段落 I 拖曳式空中磁力調查照片 攝於2007年 I 宜蘭清水地熱50 kwe雙循環地熱發電示範系統 攝於2012年 34

37 地質專題 重啟地熱資源探勘與開發 ( 民國 95 年 ~ 迄今 ) 近年來, 在全球暖化議題 反核及油價節節高升助長下, 世 界各國莫不投入再生能源的發 展, 具備潔淨 基載特性且蘊藏 量大的地熱發電再度受到重視 經濟部能源局自民國 95 年起, 委 託工業技術研究院以宜蘭清水為 目標, 重新啟動地熱資源調查評 估與技術研發工作 本段期間之研究重點 :(1) 與日本 紐西蘭等地熱先進國家 合作, 針對清水地熱發電潛能進 行再評估, 並研發可維持電廠穩 定運轉之關鍵技術 ;(2) 整修舊生 產井使其恢復產能 ;(3) 研發適用 於國內中低溫地熱條件的雙循環 發電機組 經過數年之努力, 於 民國 101 年 12 月建置完成國人自 主開發之清水地熱 50 kw 地熱雙 術 ( 如空中磁力探測 大地電磁探測等技術 ) 進行資源再調查, 並積極參與國際合作 ( 如美國勞倫斯實驗室 菲律賓能源開發公司 EDC(Energy Development Corporation), 地熱電廠總裝置容量約 1,200 MW, 為世界第二大地熱公司 ), 將國外在火山地熱區開發成功的技術與經驗納入合作考量, 以加速大屯火山地熱發電開發 另外, 國科會自民國 100 年起啟動地熱能源國家型計畫, 第一期 3 年計畫以清水地熱及其周圍地區為目標, 進行地表地質 水文地質 大地應力量測及地球物理探勘等, 建立清水及附近地區之熱水儲集層模型 深層地熱探勘和潛能評估等工作, 初步估算宜蘭地區在 1 千公尺深範圍內之地熱蘊藏量約 6.2 GWe, 而整個臺灣地區在 1 千公尺深範圍內之地熱蘊藏更高達 33.6 GWe, 相當 畫已進入第二期 ( 民國 103 至 106 年 ), 以蘭陽平原區之深層地熱探勘為首要目標, 進行 3 千公尺級地熱探勘井鑽鑿研究, 以驗證具備 1 MWe 深層地熱發電潛能為目標, 相關研究計畫持續進行中 未來發展 我國進口能源的依存度高達 97.8% ( 資料來源 : 經濟部能源局 ), 地熱能為我國尚待開發且具備開發潛力的再生能源 增強型地熱 ( 或深層地熱 ) 的龐大能量使世界各先進國家積極投入相關研究, 但目前開發的技術尚未達到商業運轉的規模 國內已具備傳統地熱電廠開發之相關經驗, 短期應以傳統地熱資源再調查與驗證為首要目標, 透過資源再評估與發電潛能驗證工作, 提供民間投入商業電廠建置的評估與參考依據 長期而言, 持續投入深層地熱開發潛能調查與評 循環發電示範系統, 宜蘭縣政府亦在同年與民間公司完成 1 MW 地熱發電 ROT(Rehabilitation- Operation-Transfer, ROT; 修復 運轉 移轉 ) 招商案簽約, 開啟我國地熱發電之新頁 在清水地熱開發進入商業開發階段後, 能源局將目標重新鎖定地熱開發潛能最高的大屯火山地熱區, 除蒐集過去大屯山調查資料以外, 亦以新穎的調查技 龐大 ( 資料來源 : 行政院國科會估, 並適時引進國外技術能量, 2012 計畫 宜蘭清水地熱能源研開發潛能龐大的地熱資源, 降低究 : 探勘技術平台的建立與深層對進口能源的依賴度及確保國家地熱 (3/3)) 目前國家能源型計能源安全 地質小百科 1 GWe: 在滿載發電的情況下可提供 1 百萬度 / 小時的電力 1 GWe=10 3 MWe=10 6 kwe 增強型地熱 (Enhanced Geothermal System): 係指利用工程手段製造熱儲集層裂隙提升地熱產能的技術, 一般而言鑽井深度在 3,000 公尺以上, 故又稱為深層地熱 誌謝 本文承蒙經濟部能源局編號 103-D0102 高效能地熱發電技術研究計畫 支持, 特此致上感謝之意 第 33 卷第 4 期 35

38 GEO TOIC 地質專題 地質能源 油氣 煤礦 天然氣水合物 頁岩氣 地熱的其他研究 圖書 何春蓀 2004 普通地質學 五南文化 二版四刷 共630頁 賴克富 劉英毓 謝嘉榮 2006 臺灣的煤礦 臺灣地理百科 75 遠足文化事業有限公司 共 192 頁 魏稽生與嚴治民 2008 臺灣的礦業 臺灣地理百科 94 遠足文化事業有限公司 共189頁 經濟部能源局 2013 能源統計手冊 AAG (American Association of etroleum Geologists) (2011) Annual Convention, April, Houston, Texas. EIA/ARI (2013) World Shale Gas and Shale Oil Resource Assessment. Guo Z Q, Li X Y and Chapman M (2012) Correlation of brittleness index with fractures and microstructure in the Barnett Shale 74th EAGE Conf. & Exhibition Extended Abstracts F022. assey, Q. R., Bohacs, K. M., Esch, W. L., Klimentidis, R., Sinha, S. (2010) From Oil-rone Source Rock to Gas-roducing Shale Reservoir - Geologic and etrophysical Characterization of Shale-Gas Reservoirs. assey, Q.R., Bohacs, K., Klimentidis, R., Esch, W., Sinha, S. (2011) My Source Rock Is Now My Shale-Gas Reservoir - Characterization of Organic-Rich Rocks. Stach, E., Mackowsky, M.T., Teichumuller, M., Taylor, G.H., Chandra, D., Teichmuller, R. (1982) Stach s textbook of coal petrology. Berlin Stuttgar, Gebruder Borntraeger, 535pp. Waters, G. A., Lewis, R. E. and Bentley, D. C. (2011) The effect of mechanical properties anisotropy in the generation of hydraulic fractures in organic shales SE

39 地質專題 期刊論文 朱明昭 (1987) 臺灣地區煤礦業未來取向之研究 經濟部研發專題報告 何春蓀 (1969) 全省煤田地質構造與煤礦開發之綜合研究 經濟部中央地質調查所研究報告 沈俊卿 莫慧偵 (2011) 頁岩氣開採潛能評估 北美地區 100 年研究報告 林殿順 (2010) 臺灣西南海域新興能源 天然氣水合物資源調查與評估 : 震測及地熱調查 (4/4) 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 F 號, 共 229 頁 翁子偉 羅聖宗 黃瑞賢及李建鋒 (2013) 南海天然氣水合物分布與資源量概況 鑛冶, 第 57 卷, 第 2 期, 第 頁 陳松春 王詠絢 (2007) 天然氣水合物探勘技術 科學發展, 第 412 期, 第 頁 陳松春 (2010) 臺灣海域的新興能源 天然氣水合物 地質, 第 29 卷, 第 1 期, 第 頁 陳家榮 (1988) 臺灣區煤礦場災害資料調查與統計分析 行政院國科會防災科技研究報告 號 黃嘉謨 (1961) 甲午戰前之臺灣煤務 中研院近代史研究所專刊 (2) 盧乙嘉 宋聖榮 (2012) 未來能源之星 地熱 科學發展, 第 475 期, 第 頁 鐘三雄 陳柏淳 劉家瑄 (2013) 天然氣水合物 非傳統能源資源明日之星 經濟部中央地質調查所彙刊, 第 26 號, 第 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, 第 412 期, 第 6-13 頁 網站 經濟部能源局, 能源知識庫 more?id=423( 檢索 ) Chesapeake, An introduction to shale gas: guide%20to%20shale%20gas.pdf( 檢索 ) Jarvie, D. M., Unconventional Oil etroleum Systems: Shales and Shale Hybrids. AAG International Conference and Exhibition, September 12-15, 2010: searchanddiscovery.com/documents/2011/80131jarvie/ndx_jarvie.pdf( 檢索 ) 更多地質能源 油氣 煤礦 天然氣水合物 頁岩氣 地熱的地質文獻目錄請參考 : 臺灣地質知識服務網 第 33 卷第 4 期 37

40 GEO CLASSROOM... 地質教室 大漢溪河床 文 潘遵友 蘇品如 俞舜文 前言 煤層的前世今生 大溪地區的煤礦開採歷史雖 處 達 1 公 尺 側 相 延 展 達 200 公 然悠久 卻從未有文獻記載於大 尺 在煤層的上部岩層也含有許 臺灣煤礦的開採有上百年的 漢 溪 河 床 發 現 煤 礦 而 2012 年 多的煤跡和有機質 足見陸源有 歷史 開採對象集中在中新世的 電子新聞竟報導大漢溪河床出露 機材料的供應豐富 肉眼觀察此 木山層 石底層及南莊層所含煤 厚達 1 公尺的煤層 引起筆者進 煤層 外表黑色 略帶光澤 脆 層 煤田由金山 基隆 貢寮 一步研究的興趣 此煤層究竟於 度高 並有黃鐵礦共生 曬乾後 雙溪一帶向西南延伸經過桃園 何種環境下形成 與中新世其他 確實可以燃燒 依據這些特徵推 約達竹南 苗栗為止 其中 桃 含煤層有何異同呢 論此煤層可能屬於煙煤等級 園縣大溪鎮自日據時代起即是產 煤勝地 礦場集中在美華里 三 煤層產狀及組成 層的煤素質組成以鏡煤素為主 層 頭寮一帶山區 以開採石底 層中之煤層為主 大漢溪河床上的煤層最厚 I 大漢溪河床出露桂竹林層之煤層 最厚可達1公尺 38 由顯微鏡下觀察得知 此煤 屬腐植煤 暗示此煤層的有機質

41 ... 地質教室 潘遵友 國立中央大學地球物理研究所畢業 來源以植物本體為主 而鏡煤素 群中又以胞鏡煤素為主 胞鏡煤 素係保存良好的植物細胞組織 此可說明在煤層的成煤過程中 沒有受到強烈的搬運或生物分解 作用 此外 本煤層中的黃鐵礦 (F e S) 含量較臺灣其他煤層高出 許多 乃由於海水中含有大量硫 酸鹽受到細菌作用轉變為硫離 子 而與金屬離子結合 沉澱 以無機形式保存在煤層中 I 煤層的上部岩層可見許多煤跡和碳質物夾於砂岩間 顯示陸源有機質供應豐富 I 大漢溪河床出露厚達1公尺的煤層 外表呈黑色 略帶光澤 成熟度可能達煙煤等級 第33卷第4期 39

42 I I GEO CLASSROOM 地質教室 大漢溪河床出露煤層之煤素質群含量及黃鐵礦百分比 煤素質群 * 鏡煤素膜煤素惰煤素黃鐵礦 含量 (%) 70.9% 14.1% 煤素質胞鏡煤素膠鏡煤素角煤素脂煤素孢煤素屑膜煤素 2.3% 12.3% 含量 (%) 54.9% 16% 4.6% 1.3% 0.6% 7.6% 註 : 煤層有機質可分為三大煤素質群 : 鏡煤素 (vitrinite) 膜煤素 (exinite) 惰煤素 (inertinite), 而每種煤素質群包含數種煤素質 1. 鏡煤素 : 來源為陸上植物之木質部和細胞壁的纖維組織 2. 膜煤素 : 來源為藻類植物或植物中的花粉 孢子 樹脂 角皮等 3. 惰煤素 : 來源為受氧化作用的植物組織體 煤層中常含黃鐵礦, 可見含硫量豐富, 成煤時期受海水的影響甚鉅 40 偏光顯微鏡下看本區的煤樣, 以鏡煤素為主要煤素質群, 鏡煤素中又含大量胞鏡煤素 (Te) 及部分膠鏡煤素 (Co), 膜煤素中以角煤素 (Cu) 為多, 另含有許多黃鐵礦 (y)

43 I 地質教室 煤層的沉積環境 大漢溪河床出露地層, 厚度約 147 公尺, 以厚層砂岩夾泥岩為主, 薄層的砂頁岩互層也很常見, 富含碳質碎屑與貝類化石, 以及淺海相的生痕化石 根據岩性觀察此地層屬於桂竹林層, 且可推斷此處的古環境應為距離陸地不遠的淺海, 或是海陸交界的濱海環境 此處砂岩常見的沉積構造有平板狀交錯層 魚骨狀交錯層 槽狀交錯層 潮汐束以及波狀紋理 潮汐束的出現, 以及魚骨狀交錯層指示雙向水流, 皆表示此處曾受潮汐作用影響 ; 砂頁互層內常見的波狀紋理, 表示曾受波浪的影響 根據以上的岩性特徵 沉積構造及生痕化石, 可得知此處的古環境以潮汐及波浪為主要的營力 沉積環境以陸海交界的濱海環境為主, 包括潮坪 潮汐水道 潮汐沙洲 潮汐三角洲 外洗扇 潟湖等次環境 ; 有時會變深至淺海大陸棚環境, 包括遠濱 地質小百科 煤的形成與分類 本區桂竹林層的地層柱狀圖, 總厚度約 147 公尺 柱狀圖寬度越寬, 表示岩層內的主要沉積物粒徑越大 (cl 為粒徑最小的泥岩,vc 為最粗的粗砂岩 ) 環境的演化 : 海陸交界處的濱海環境變深至淺海大陸棚環境, 再變淺回到濱海環境 煤的形成除了需要大量的植物供應外, 亦需適當的成煤環境配合才能促成, 例如氣候條件 環境的氧化還原狀態以及沉積速率等 良好的成煤環境是淺水覆蓋 低沉積速率的封閉水域, 使植物體死亡後才得以被保存, 並需要細菌活動促使有機質分解, 以利成煤作用進行 成煤過程中, 煤的物理性質 ( 如硬度 光澤等 ) 及化學性質 ( 如元素組成等 ) 會不斷改變, 隨著成熟度提高, 含碳量和燃燒可發出的熱值也隨之提高, 因此, 依煤的成熟度可分為最初級的泥碳 褐煤 半煙煤 煙煤以至最高級的無煙煤 第 33 卷第 4 期 41

44 GEO CLASSROOM 地質教室 I 貝類化石富集層 本圖以牡蠣為主 為沉積於濱海相環境的特 I 管壁平滑 具分岔的生痕化石Thalassinoides 常見於下濱面 徵之一 環境 I 潮汐束 潮汐的高能量時期堆積砂子 形成交錯層理 潮汐的靜水時期於交 錯層理上堆積波浪狀的泥紋 I 交錯層 箭頭指向為水流方向 指示雙向水流 內含襯壁較厚並垂直層面的生痕化石 及下濱面等次環境 而其所夾煤 化石 煤層發育在濱海相環境如 層 推斷應是堆積於水流能量不 三角洲 潟湖 沼澤等 並非純 高 較平靜的潟湖次環境中 陸 相 環 境 洪 奕 星 1988 游 然而 桃園地區以北的鼻頭 能 悌 與 鄧 屬 予 1996 大 溪 角及以南的苗栗地區 其桂竹林 地區桂竹林層的沉積環境也以濱 層沉積環境皆以淺海大陸棚環境 海相環境為主 偶爾進入比濱海 為主 並未淺化至濱海環境 換 臺灣中新世三大含煤地層以 相深的淺海大陸棚環境 其煤層 句話說 在桂竹林層堆積時期 濱海相的碎屑沉積物為主 以石 含有大量黃鐵礦 其中硫離子應 桃園大溪地區的沉積環境比北臺 底層為例 前人描述地層中富含 係來自於海水 顯示環境受海水 灣其他區域還淺 出現了濱海環 植物化石 也有半鹹水的腹足類 影響 應係沉積於濱海的潟湖或 境 使得煤層有機會形成 海相地層也可產煤 42 I 砂岩層面上可觀察到波痕 安靜海灣中

45 地質教室 I 本區古沉積環境示意圖 修改自Reinson, 1992 濱海環境位於海陸交界 包括潮坪 潮 汐水道 潮汐沙洲 潮汐三角洲 外洗扇及潟湖等次環境 淺海大陸棚環境則離岸較遠 包括下濱面及遠濱等次環境 結語 的沉積構造 實體化石及生痕化 位於濱海環境或陸相環境 就有 石等線索 推斷此地層過去曾經 可能找到 由煤層的成分分析加上沉積 環境的解釋 我們得知煤層原為 延伸閱讀 陸地上的木本植物 其殘骸堆積 林啟文 張育仁 2014 五萬分之一臺灣地質圖幅暨說明書 桃 在較封閉 不受水流干擾的潟湖 園 第8號 經濟部中央地質調查所 共89頁 海水中 經過長時間的成煤作用 洪奕星 1988 臺灣西北部麓山帶中新統至下部上新統岩相和生痕 形成今天看到的煤層 北臺灣其 化石相分析以及沉積環境 國立臺灣大學地質學研究所博士論文 他區域 桂竹林層皆無厚層煤層 共114頁 出露的紀錄 所以能在野外露頭 看到厚達 1 公尺 保存良好的煤 層 實屬相當難得 游能悌 鄧屬予 1996 臺灣北部大寮層與石底層之沉積環境 經 濟部中央地質調查所彙刊 第12號 第99-131頁 Reinson, R. W. (1992) Transgressive barrier island and estuarine systems, in Walker, R. G. & James, N.. (eds.), 煤層的產狀為透鏡狀出露 厚度變化大 大溪地區的煤層最 Facies Models: Response to Sea Level Change, 3rd edition. Geological Association of Canada, p 厚 可 達 1 公 尺 側 向 延 伸 200 公 尺處則厚度只剩 10 公分 因此很 難確認是否會在其他地方出露 誌謝 感謝中央地質調查所林啟文組長對本文之指導 並感謝林志成博 士 黃于倫先生協助野外調查工作 若想找到煤層 利用岩石上留下 第33卷第4期 43

46 GEO CLASSROOM... 地質教室 三維視覺化地圖於 文 謝有忠 陳奕中 邱禎龍 臺灣為世界上天然地質災 害頻繁的國家之一 其災害類型 構造地形精準呈現 包括坡向 等高線 曲率 日照 描述 可以應用在地形 地質 水 陰影 坡度等 文 生態等環境科學的分析研究 包括地震 山崩 火山等 相關 的複合式災害案例更是逐年遽 目前國內外文獻上 日照 以往以地圖方式來進行量度 增 嚴重危害到人民生命與財產 陰影法為主要表示地形變化的計 工作 而隨著現代測量技術演進 安全 為有效透過災前災後的相 測方法 許多案例皆指出日照陰 已可取得較高解析度及較高精度 關資訊以達到防救災的目的 地 影對於各種地形特徵紋理有相當 的數值地形資料 加上各種不同 形資訊的掌握占有相當重要的角 好的呈現效果 但受制於有地形 地形計測方法 也更能方便這些 色 陰影覆蓋 往往可能造成判釋 複雜地形的研究 解決過去無法 出現盲點 為了克服此問題 判釋或解讀的資訊 使得地質科 航空或衛星影像 數值地形 近幾年有學者提出地形開闊度 學研究有很大的助益 等成果 是過去於各類型地質災 (Topographic openness)的概 害應用的重要資料 其中空載光 念 利用分析方法能更快速且精 達 (Airborne LiDAR) 技術利 確找出各種地形型態的分布 1.坡度(Slope) 坡度主要表示地表面上某位 置最陡峭之傾斜程度 簡而言之 用雷射掃描原理直接且快速量測 出高精度 高密度的地面三維坐 本文說明不同的地形計測方 坡度為水平距離內高程值的平均變 標 目前該技術於臺灣已被廣泛 法所凸顯的地形特徵 並以草嶺 化量 坡度值越小 地形越平緩 使用 且獲取之高解析度數值地 山崩為例 表現地形計測方法所 反之則越陡峭 表示方式有度和百 形資料能藉由不同的地形計測計 凸顯之地形特徵 算得到不同地形參數 進而說明 各種地形的特性 44 地形計測 地形計測(Geomorphome- 地形計測方 try) 是以計量指標描述地表幾何 法 是將地表地形 形貌的一種科學方法 結合數學 量化分析的科學方 統計與影像分析技術應用於各領 法 利用計量 統 域 數值地形模型為分析的基 計或影像分析等技 礎 使用的分析工具為地理資訊 術將地表地形特徵 系統 (G IS) 其常用的分析方法 以各類量化指標來 I 車心崙地區光達數值地形1米網格解析度坡度圖

47 ... 地質教室 謝有忠 任職於經濟部中央地質調查所 分比 以高程變化除以水平距離的 2.坡向(Aspect) 利用地理資訊系統的計算 正切函數值即為坡度( ) 以高程 坡向是指坡面的朝向 主 後 可以得到空間某個面其所面 變化除以水平距離再乘以100即為 要呈現地表某處最陡峭的傾斜方 向的方位角度 數值結果經由圖 坡度百分比( ) 向 坡向計算也如同坡度計算是 像化後 有助於在地形研究上的 以移動網格的方法 基本運算亦 分析 對於坡地災害的研究上 在地理資訊系統 (GIS) 中 為 3 3 網格大小 將每個網格與 也是一個重要參考因素 坡度計算基本上以 3 3 網格大小 鄰近8個網格的最大高程變化差值 為基礎 計算各網格單元於相鄰 而得 坡向計算方程式 以 X 方 8 個網格最大高程變化率值統計 向和 Y 方向高程統計變化之差值 地形陰影為地形分析判釋上 而得 藉由移動式網格演算 可 計算之變種正切函數值 所求得 較多數所選擇的方法之一 地形 將數值地形資料以數值方式表示 值再經邏輯運算表示為網格代表 陰影 暈渲 的表示為透過假定 坡面的傾斜程度 並且將數值資 值 即可表示坡向 坡向以度為 的光源方向和角度 來演算每個 料圖像化 更有助於在地形研究 單位 順時針方向由0到360度繞 網格的陰影值 灰度值 此方 上的分析 行一圈後的正北方向度量之 法的優點可以利用模擬陽光方向 3.地形陰影(Hillshade) I 左圖為車心崙地區光達數值地形1米網格解析度之坡向圖 右圖為坡向角度示意圖 I 車心崙地區光達數值地形1米網格解析度之地形陰影圖 左圖為光源來自西北方向(315 ) 高度角90 即從正上方的光源 右圖為高度角45 第33卷第4期 45

48 GEO CLASSROOM 地質教室 4.曲率(Curvature) 角度 讓地表覆蓋能生成視覺化 的效果 地貌呈現較美觀 且更 曲率為地形計測中可以表示地形曲面幾何型態的參數之一 運 容易讓一般使用者判釋 藉由光 算的方式有多種 本文以常見之 G I S 軟體中的運算式來說明 運算 源的控制呈現不同角度的陰影效 方式以規則式網格地形資料 利用 3 3 移動網格計算 將地形面的 2 果 此點卻也是此方法的缺點 次微分值來表示地形曲率(Zeverbergen 與光源平行的地形特徵常不容易 al., 1991) 以 X Y Z 值的 2 元 2 次多項式來表示 計算式如 ( 式 顯示出來 部分區域也受陰影覆 4.1) 地形曲率又可依方向性區分為坡面方向上的曲率值 (p r o f i l e 蓋影響而無法呈現其地形特徵 curvature) 垂直坡面的曲率值(plan curvature) et al., 1987 ; Moore et 大部分的應用都以重覆使用不同 角度光源分析來克服此項缺點 Z = Ax²y² + Bx²y + Cxy² + Dx² + Ey² + Fxy + Gx + Hy + I (式4.1) (Challis et al., 2011) A = [(Z1 + Z3 + Z7 + Z9) / 4 - (Z2 + Z4 + Z6 + Z8) /2 在地形陰影計算中 主要為 + Z5] / L4 光源角度和光源方向的計算 再 B = [(Z1 + Z3 - Z7 - Z9) /4 - (Z2 - Z8) /2] / L3 (式4.3) 加上前述的坡度與坡向計算等 C = [(-Z1 + Z3 - Z7 + Z9) /4 + (Z4 - Z6)] /2] / L3 (式4.4) 綜合再計算而得 陰影與光源產 D = [(Z4 + Z6) /2 - Z5] / L2 (式4.5) 生 的 灰 度 數 值 變 化 從 0 到 255 E = [(Z2 + Z8) /2 - Z5] / L2 (式4.6) 從黑到白色漸變增加 F = (-Z1 + Z3 + Z7 - Z9) / 4L2 (式4.7) G = (-Z4 + Z6) / 2L (式4.8) H = (Z2 - Z8) / 2L (式4.9) I 曲率計算概念示意圖 重繪自ESRI, I = Z5 (式4.10) Curvature = -2(D + E) * 100 (式4.11) 2012 網址 main/10.1/index.html#/how_curvature_ works/009z000000vs000000/ 46 (式4.2) I 車心崙地區光達數值地形1米網格解析度之曲率圖

49 地質教室 (a) (b) (c) I 開闊度分析原理示意圖 (a)以a點為圓心 L為水平距離沿方位角D = 0順時鐘計算8個方位的高程變化角度 (b)單方位角計算該地形剖面的天頂角與天底角 最後8個方位之角度和平均值即分別代表正向與負向開闊度 (c)開闊度於地表計算概念模型圖 5.地形開闊度(Topographic Ｏpenness) 地形開闊度之概念為利用 地形上的凸凹特性 進而描述區 方位計算其天頂角與天底角角度和 域內的地形特徵(Yokoyama 平均值 其中以所求點為圓心 並 et al., 2002) 地表水平距離與高程關係角度進 根據需求設定一特定距離為半徑 沿各方位角D (D = 行計算 求出不規則地形上各位 其原理主要是根據地形上的 )分 置於不同方向之坡度資訊 強調 直視性 以移動式網格方式沿八個 別找出各方位於固定距離內角度的 I 車心崙地區光達數值地形1米網格解析度之透空度 左圖為正值 右圖為負值 第33卷第4期 47

50 GEO CLASSROOM 地質教室 最大值與最小值 進而計算出各 發 展 之 紅 色 立 體 地 圖 影 像 L 及 D L 並推算出 (R e d R e l i e f I m a g e M a p, L ) 與天底角 ( D L ) 最 RRIM) 將地形開闊度的正 後將各方向角度之和取平均後 負向值進一步相減後除以2 L ) 與負向 計算所得之新的地形數以灰階 (Negative, L ) 開闊度值兩種結 表示 並套疊上以紅階色彩的 數 包含有地形高程標準差 坡 果 正向值是以表現地形的凸形 坡度分析結果 使最後得到的 度標準差 坡度和坡向的變異 特性 (Convexity) 負向值則為 地形參數能在視覺化表現上有 數等 (McKean and Roering, 凹形特性(Concavity) 若於計算 著三維立體化的地形起伏 也 2004; G l e n n e t a l., 2006; 位置上海拔越高處 其正向值越 能觀察到地形的陡緩與凸凹特 Frankel and Dolan, 2007) 大 負向值相對越小 反之則海 性 該成果融合了過去各種重 而elletier 等人(2009)以光達數 拔越低 要地形計測方法的優點 強調 值地形來計算相鄰網格最大高程 能客觀判釋出不同尺度的地形 與最小高程差值來表示地表粗糙 樣貌與微地形特徵 度 這些方法多以移動網格方式 方位角坡度 D 天頂角 ( D 得到正向 ( o s i t i v e, Chiba等人(2008) 6.地表粗糙度(Surface Roughness) 地表粗糙度為地形的變異 程度 主要利用統計的方法來表 示地表平坦 地形高差變化的參 I 車心崙地區光達數值地形1米網格解析度之紅色立體模型圖 左圖為紅色立體模型圖 右圖為紅色立體模型疊加地形陰影圖 I 車心崙地區光達數值地形1米網格解析度之地表粗糙度圖 左圖為坡度之標準差分布圖 右圖為地形高程標準差分布圖 48

51 地質教室 I 平坦與起伏大之地形面示意圖 地形 面的法線向量集中程度可表示地形之 崎嶇度 重繪自McKean and Roering, 2004 I 車心崙地區光達數值地形1米網格解析度之特徵比值圖 來計算 用以表示地形資料中相 對變化或差異較大的區域 而能 應用至各方面地形變化的研究 7.特徵比值方法(Eigenvalue Ratio) 特徵比值方法 (Eigenvalue R a t i o, E R)其實也是一種地 表粗糙度的表示參數之一 為利用空間資料的分布狀況 以方向張量(Orientation T e n s o r)為基礎所衍生的空間 資料分析表示方法 最早分別 由S c h e i d e g g e r和w a t s o n提 I 草嶺山崩航照影像 出 (F a r a a n d S c h e i d e g g e r, 1963; S c h e i d e g g e r, 1964; 中地形面的法線向量越集中表示地 震 颱風和豪雨等災害誘發多次大 Watson, ) 此方 形較平坦 反之則表示地形越崎嶇 規模山崩 1999 年 921 集集大地 法過去多在構造地質學上應用 (McKean and Roering, 2004) 震造成該區發生大規模岩層滑動及 土石崩落 其坍塌影響面積達7平 分析空間中特徵面 構造組構的 分布狀況 草嶺山崩地形呈現 方公里 為歷史上著名的草嶺山崩 事件 草嶺山崩位於濁水溪支流清 簡單的說明此方法原理 可 草嶺舊名番坪坑 位於雲林 水溪之中上游 北起窟沓山 海拔 以地形面的法線向量來看 當空間 縣境內古坑鄉的東南方 過去因地 1,234公尺 南至2公里清水溪 第33卷第4期 49

52 I I GEO CLASSROOM 地質教室 A C B 草嶺山崩數值高程模型日照陰影圖 ( 方位角 315 高度角 45 ), 圖 A 為 40 米解析度 ; 圖 B 為 5 米解析度 ; 圖 C 為 1 米解析度 50 草嶺山崩 1 米解析度數值高程模型不同光源方向之日照陰影圖 ( 黃色箭頭表示光源方向並註明方位角度, 高度角皆為 45 度 )

53 地質教室 A B C Ｄ 河床 為一典型順向坡地形 其附 近出露地層分布由老至新為上新世 大窩砂岩段 錦水頁岩及上新世至 更新世的卓蘭層 卓蘭層為過去歷 次山崩之崩塌土石來源 該區有春 秋斷崖 斷魂谷等特殊的地質景觀 劉桓吉等 2004 日照陰影法的計算目的主要 是利用數值地形資料來表示地形的 高程變化 藉由模擬太陽光照的方 向角度及高度角照射地表 進而展 現地形特徵 目前現有的資料主要 有農航所與內政部以航測方式做出 I 草嶺山崩1米解析度數值高程模型之Ａ.坡度圖 彩色階表示 Ｂ.坡度圖 灰階 表示 Ｃ.坡向圖 Ｄ.曲率圖 底圖為高度仰角90 日照陰影圖 分別為解析度40米及5米的數值地 形 經日照陰影計算發現受限於解 A 析度 40 米資料無法展現草嶺山 崩及其附近地區的地形特徵 5米 資料雖然已能局部反應較小尺度的 地形 但尚不足以應付所需 而 空載光達技術產製的1米解析度數 值地形資料 包括數值地表模型 (DSM)及數值高程模型(DEM) 前者為地球表面上所有地物包含植 被與人工建物等天然高程起伏 從正射影像可看到草嶺地區植被茂 密 數值地表模型可將此植被特性 B 展示出來 後者則為去除前者其所 有地物後直接反映真實地面的高程 起伏 在不同光源方位角度包括 日照陰影 結果 清晰的呈現不同角度所表現 的地形特徵 然而因光源角度產生 地形相對面的陰影覆蓋 容易造成 許多細微地形特徵被忽略 影響地 形判釋結果的準確性 I 草嶺山崩之Ａ.正向開闊度圖與Ｂ.負向開闊度圖 第33卷第4期 51

54 GEO CLASSROOM 地質教室 坡度 曲率與坡向的計算分 起 此特性對於該地區所有高山的 包含山稜線 崩崖 春秋斷崖 蝕 式 用以解釋空間中地形於不同 稜 崖等線形特徵能在空間上一覽 溝 河谷 河階等 未來該技術對 位置的高低角度變化與走向 過 無遺 負向開闊度則相對於正向開 於研究及工程方面 如應用於環境 去常用以輔助日照陰影圖 彌補 闊度而言其地形特性反之 該參數 監測 農林業 地質與構造地形判 該方法之不足 其計算後的成果 對於草嶺山崩崩塌面上的侵蝕溝 釋等領域 將是一項相當有用的技 顯示 彩色階變化的坡度圖其顏 清水溪流域及其水系等地形上凹陷 術 色對比變化能反映地形的高低起 的部分能有效的呈現 結語 伏 以灰階方式則有別於彩色階 變化圖能展現立體地形的感覺 將地形開闊度的正負向值兩 與日照陰影以高度角 90 正上方 結果進一步相減後除以2計算所得 空載光達技術提供了高精 的光源直接照射地表的結果相 之新的地形數以灰階表示 並套 度 高密度 高解析度的數值地形 似 可視覺三維化觀察地形高程 疊上以紅階色彩的坡度分析結果 資料 而透過不同的地形計測方法 變化 曲率圖則能指出地形陡峭 (Chiba et al., 2008) 使最後得 能呈現出不同的地形資訊 以利各 交界處 主要突顯地形特徵的峭 到的地形參數在視覺化表現上有著 項研究上之參考 本文提及之各項 壁或崖部 坡向圖則可表示各地 三維立體化的地形起伏 也能觀察 地形計測方法中 尤以地形開闊度 形面的方向角度 到地形的陡緩與凸凹特性 該成果 及坡度之結合 為呈現地形地貌最 融合了過去各種重要地形計測方法 有效的影像呈現方法 進一步以灰 草嶺山崩地區的地形開闊度 的優點 強調能客觀判釋出不同尺 階與紅階的色階展示 加深地形三 分析中 正向開闊度之灰階值越趨 度的地形樣貌與微地形特徵 從成 維化呈現 能清楚的把地形上的凸 白色表示地勢越趨高且地形越凸 果圖上清楚判釋出的地形特徵主要 凹與陡峭程度等角度變化特性描述 出來 並克服過去地形陰 影法在地形上只能反應單 方向地形的缺點 然而 地形特徵判釋非全然由細 部角度特性即能完全展 現 因此地形計測方法在 數值地形資料的分析處理 上 可依欲分析之目的 選擇適用的方法來進行 並瞭解每種地形計測方法 的原理和計算過程 可以 選擇最適用或最佳效率的 方法 則有助於後續應用 分析 也不會有誤用或錯 I 草嶺山崩紅色立體投影圖及地形特徵判釋結果 52 用之情形

55 地質教室 參考文獻 劉桓吉 李錦發 紀宗吉 (2004) 五萬分之一臺灣地質圖幅暨說明書 雲林圖幅 ( 第二版 ) 經濟部中央地質調查所, 共 65 頁 Challis, K., Forlin,. and Kincey, M. (2011) A Generic Toolkit for the Visualization of Archaeological Features on Airborne LiDAR Elevation Data. Archaeological rospection, 18, Chiba, T., Kaneta, S.I. and Suzuki, Y. (2008) Red relief image map: new visualization method for three dimensional data. The International Archives of the hotogrammetry,remote Sensing and Spatial Information Sciences. Fara, H.D., Scheiddegger, A.E. (1963) An eigenvalue method for the statistical evaluation of fault plane solution of earthquakes. Bulletin of the Seismological Society of America, 53, Frankel, K.L. and Dolan, J.F. (2007) Characterizing arid region alluvial fan surface roughness with airborne laser swath mapping digital topographic data. Journal of Geophysical Research, 112. Glenn, N.F., Streutker, D.R., Chadwick, D.J., Thackray, G.D. and Dorsch, S.J. (2006) Analysis of LiDAR-derived topographic information for characterizing and differentiating landslide morphology and activity. Geomorphology, 73, Guth,. L. (2003) Eigenvector Analysis of Digital Elevation Models in a GIS Geomorphometry and Quality Control, Concepts and Modelling in Geomorphology, McKean, J. and Roering, J. (2004) Objective landslide detection and surface morphology mapping using high-resolution airborne laser altimetry. Geomorphology, 57, Moore, I. D., Grayson, R. B. and Ladson, A. R. (1991) Digital terrain modelling: A review of hydrological, geomorphological, and biological applications. Hydrological rocesses, 5, elletier, J. D., Mitasova, H., Harmon, R. S. and Overton, M. (2009) The effects of interdune vegetation changes on eolian dune field evolution: a numerical-modeling case study at Jockey's Ridge, North Carolina, USA. Earth Surface rocesses and Landforms, 34, Scheidegger, A. E. (1964) The tectonic stress and tectonic motion direction in Europe and Western Asia as calculated from earthquake fault plane solutions, Bulletin of the Seismological Society of America, 54(5A), Watson, G. S. (1965) Equatorial distribution on a sphere. Biometrika, 52, Watson, G. S. (1966) The statistics of orientation data. Journal of Geology, 74, Yokoyama, R., Shirasawa, M. and ike, R.J. (2002) Visualizing topography by Openness: A new application of image processing to digital elevation models. hotogrammetric Engineering and Remote Sensing, 68, Zeverbergen, L. W. and Thorne, C. R. (1987) Quantitative analysis of land surface topography. Earth Surface rocesses and Landforms, 12, 第 33 卷第 4 期 53

56 GEO CLASSROOM... 地質教室 改變世界的地圖 淺談17至19世紀初 文 梁勝雄 歐洲地質圖發展史 前言 對現在的地質調查者而言 斯 桑 松 (N i c o l a s S a n s o n, 區域地質圖的製作可謂是 小菜 ) 他 於 1630 年 左 今日我們得以開車環遊臺 一碟 然而數百年前的先人又 右便著手繪製多幅法國河流圖 灣 使用智慧型手機 鐵路系統 是如何製作 發展的歷程又是如 (Carte des Rivières De La 與公路網絡的建設 種種與你我 何 雖然以現代地質科學角度檢 F r a n c e) 其中 1634 年繪製而 生活相關的 食 衣 住 行 視 早期的地質圖或是其中的調 成之作品 著重在地勢高區 淺 育 樂 可說全部嘉惠於 地 查成果有局部謬誤 可是以地質 綠色 與低窪地帶 淺黃色 之 質科學(Geoscience) 研究史的觀點來看 如果沒有前 描 繪 1641 年 出 版 的 圖 幅 則 用 驅勇敢踏出腳步 將無法引領後 粗彩色線加以標示出各流域的劃 為了溝通方便與清楚表 人持續鑽研 豐富學科 本文 分 而後 法國地理研究人員 達地質學家所看到的各種地質 將介紹 17 至 19 世紀初期 (1644- 路 易 庫 隆 (L o u i s C o u l o n, 資料 包括岩體的種類 面 1815)歐洲重要的地質圖幅 以及 ) 於 1644 年發表兩冊 積 形狀 分布界線 構造型 其地質故事及科學上的意義與貢 法國的河流 (Les Rivières De 態乃至岩體之間時間與空間上 獻 F r a n c e)說明書 可稱做近代 法國版山海經 圖幅與說明 相互關係 結合地形資訊並按 一定比例尺和圖例垂直投影 由於圖幅與其說明書出版的 書詳細記錄當時法國的河流 噴 到同一水平面繪製而成之圖 時間可能不同 因此 如果圖幅 泉 池塘 湖泊及低地等位置與 幅 即 地 質 圖 (g e o l o g i c a l 上有標註時間 本文以其標註的 分布 更劃分各水系的範圍 若 map) 時間為先 如果圖幅上或說明書 拿來與現代測量科學所得到的結 內沒有提及圖幅完成日期則視為 果比較 精準度令人讚嘆 廣義的地質圖 涵蓋任 同時出版 以說明書註記的時間 何能表達一個地區的地下或是 為基準 由於出版年代久遠 筆 爭議較大的地方為部分學 地上地質情況之任何圖形 英 者所述如有誤差 還請各位先進 者認為圖幅中也隱含岩體的位置 文包含diagram, chart, profile, 不吝指正 與符號 可能為近代地質科學最 section, map 如地質剖面 圖 地層對比圖 環境水系圖 等 狹義的地質圖 常指區 早的地質圖 而另一派研究人員 世界上第一幅法國國 家環境水系圖 域地質圖(regional geological map) 54 則持保留態度 主要原因有二 其一為地質圖很重要的特點就是 具體表現出 岩體之間的時間與 法國製圖學之父 尼可拉 空間上相互關係 但此圖幅此

57 I I... 梁勝雄 地質教室 任職於經濟部中央地質調查所 1634 年桑松繪製之 法國河流圖, 圖內以淺綠色標示地勢高區 淺黃色代表低窪地帶 ( 圖幅來源 : 貝里. 勞倫斯. 魯德爾曼古董地圖公司 (Barry Lawrence Ruderman Antique Maps Inc.), com/,2014 年 10 月 28 日檢索 ) 1641 年桑松繪製之 法國河流圖, 圖內以粗彩色線劃分各流域分布範圍 ( 圖幅來源 : 法國國家圖書館 (Image courtesy Biblioth que nationale de France), gallica.bnf.fr/,2014 年 10 月 28 日檢索 ) 第 33 卷第 4 期 55

58 GEO CLASSROOM 地質教室 相關標示不夠明確 另一原因為 志圖幅與說明書 (Explanation first geomorphological 17世紀對地形的概念尚在萌發 o f a n e w h i l o s o p h i c o- m a p. 註 此 段 文 字 翻 譯 階段 如何繪製出如此詳細的水 Chorographical Chart of 自 D e n i s C o s g r o v e (1999) 系 故認為此圖為其後代子孫假 E a s t-k e n t) 介紹英國國教 Mappings 雖然被稱為英國 先人之名製作而成 然而 扣除 總 教 堂 所 在 地 肯 特 (K e n t) 附 地區第一幅地形圖 但筆者認為 後世對祖先緬懷 而杜撰的因 近岩石與礦物分布情況 如三 更貼切的說法是 第一幅 結合 素 此系列的圖幅是 最早法國 明治灣附近的白堊(c h a l k) 地質資訊的地形圖 環境水系圖 應當無庸置疑 琥珀(amber) 綠礬 硫化 亞鐵c o p p e r a s 等礦石 此 英國第一幅結合地質 資訊的地形圖 外 帕克也詳細記錄海拔高度 法英地區第一幅具 現代意義地質圖 與 氣 壓 這 些 貢 獻 在 於 他 的 圖幅占測繪史上最小而顯著 法國近代博物學家與礦物 經 過 百 年 的 發 展 1743 年 的地方為第一幅地形圖 H i s 學者 讓愛蒂安 蓋塔(J e a n- 英國地質學家 克里斯托福 帕 chart occupies a small but É t i e n n e G u e t t a r d, 克 (Christopher acke, significant place in the 1786) 原先他的研究著重於植 1749)發表 東肯特哲學地方 history of mapping, as the 物與土壤分布之關係 而後在 I 1743年帕克繪製的英國第一幅肯特東部 結合地質資訊的地形圖 圖幅來源 英國倫敦地質學會(Image Geological Society of London) 年10月28日檢索 56 courtesy the

59 地質教室 法國皇室的支持下 開始為法 國進行地質調查 認識到法國 奧弗涅 (Auvergne) 地區的岩石 具有火山岩的特性 並於晚年 (1780) 發 表 法 國 地 區 第 一 本 礦 物圖集 (Atlas et description minéralogiques de la France) 蓋塔在地質圖發展史中 最大貢獻是和地理學家及製圖 師 飛利浦 貝克( h i l i p p e Buache, )於 1746年發表 法國礦物圖幅 (C a r t e m i n é r a l o g i q u e d e F r a n c e) 圖 中 利 用 將 近 50 種符號來標示不同岩石與礦物 的分布 我們能觀察到圖中顯 示兩條虛線與陰影條帶 其為 I 1746年蓋塔與貝克出版之法國礦物圖幅 圖幅來源 法國國家圖書館 h t t p:// gallica.bnf.fr/ 2014年10月28日檢索 砂質帶與泥灰質區帶(B a n d e sablonneuse and Bande marneuse) 他認為這條帶能從 法國延伸至英國南部 即為現在 地質學家常說之岩層走向 因此 稱此圖為 第一幅具現代意義之 地質圖 一點也不為過 此外 蓋塔雖然沒有到 過美洲新大陸 可是他與貝克 曾整理其他法國人的地質資 料 並在1752年發表第一張 北美 加拿大與路易斯安那礦 物圖 (Carte minéralogique, Ou lon voit la Nature des Terreins du Canada et de la Louislane) I 1752年蓋塔與貝克出版之加拿大與路易斯安那礦物圖 圖幅來源 法國國家圖書 館 年10月28日檢索 第33卷第4期 57

60 GEO CLASSROOM 地質教室 德國薩克森地區第一 幅彩色地質圖 色代表花崗岩 粉紅色代表片麻 更重要的是 他於說明書中留下 岩 淺灰色代表板岩 藍色代表 當時調查工作與礦工勞動情形的 石灰岩 棕色代表石膏 黃色代 珍貴繪本 並嘗試為所觀察到的 畢業於弗萊貝格礦業學院 表砂岩 橘色系代表河砂 泥質 岩石與岩脈進行成因解釋 為地 (Freiberg Mining Academy) 類 此外 班岩脈 角板岩 玄 質發展與地質圖製作方式樹立一 的德國礦業專家 弗里德里希 武岩以及蛇紋岩皆以符號標示 個新的里程碑 葛特羅普 葛樂澤爾 (Friedrich G o t t l o b G l a e s e r, ) 他於 1774 年發表德國黑 內貝格(Henneberg) 附近的地質 圖時 首次將顏色應用於不同類 型岩石的標示 數年後 德國近代著名地質 學家 約翰 弗里德里希 威廉 馮 夏邦傑 (Johann Friedrich Wilhelm von Charpentier, ) 繼承這種方式 擴 大地質調查範圍 將此方法應用 於德國薩克森 (S a x o n y) 的地質 圖 幅 與 說 明 書 並 在 1778 年 發 表 各顏色與岩石類型對照為紅 I 1774年葛樂澤爾發表 德國黑內貝格地區之地質圖 由左至右分別為石灰岩標 示紫色 砂岩標示黃色 花崗岩標示紅色 在不失真情況下筆者已將原圖顏色加 強以便於觀察 圖幅來源 奧克拉荷馬大學圖書館科學歷史典藏(Image courtesy History of Science Collections, University of Oklahoma Libraries) galleries/ 2014年10月28日檢索 58 I 1778年馮 夏邦傑發表之 德國薩克森地質圖 圖幅來 I 馮 夏邦傑的地質調查繪本清楚記錄礦坑中工作 從圖中能 源 瑞士電子圖書館(Reproduced courtesy of Elektronischen 發現作者利用明暗色階區分岩體與岩脈 以及礦坑中礦工的 Bibliothek Schweiz) 年10月28日檢 勞動情形 圖片來源 瑞士電子圖書館 索 2014年10月28日檢索