地熱也要找水？台灣的地熱在哪裡？看科學家如何靠科學模型精準找到熱源
看透地下的祕密：地熱探勘技術
自2022年6月中央研究院與台灣中油簽署「綠能發展合作備忘錄」，持續為國內的能源轉型做出貢獻，期望藉由發展具有基載電力特性的地熱發電，朝低碳社會邁進。中央研究院「研之有物」專訪院內地球科學研究所李建成研究員，他將告訴我們地質學家如何利用科學模型找尋地熱熱源，而臺灣還有什麼地方有地熱資源可以開發。
什麼樣的條件會有地熱能？
地熱能，是指由地球自然產生的熱能，來自於地球形成時的熱以及地球內部的放射性元素衰變。跟化石燃料相比，地下的熱要幾百萬年才會衰退，對人類來說是永續的資源。
越往地球的內部深入，溫度就會越高，溫度隨深度的變化曲線稱之為「地溫梯度」。一般狀況下的地溫梯度，只要往地方深入1公里，就會升溫約30°C，意謂著人們只要往地下鑽得夠深，就能取得足以發電的熱能。
然而，目標深度越深，需要的探勘、鑽井與發電的難度與成本就相對越高，因此人們會傾向選擇地溫梯度上升較快的「地熱高區」，以使用較淺層的地熱能。最常見的地熱高區就是火山活動地區，受到地下岩漿庫加熱，在3公里以內的深度即可有足以發電的熱能，甚至只要1～2公里深度就能達到足夠的溫度。
環太平洋火環帶是世界上主要的地熱高區所在，全球地熱發電裝置容量最高的前幾名國家地區集中於此處。臺灣亦位於此地區，大屯火山、龜山島因底下仍有岩漿庫活動，使得地表有許多溫泉，極具地熱潛能，然而因為火山帶有酸性，需要克服酸蝕問題。
「不過，另一種情況是藉由斷層將深層地熱帶到地表附近。」中研院地球所李建成研究員告訴我們，當板塊作用使地下具有壓力較大的熱液，也會透過大型斷層構造，從5公里或更深的地方，藉由斷層的裂隙往上移動到地表。
例如日本中央構造線附近的三波川帶，其沿線也有許多知名的溫泉，代表其具有一定的地熱潛能。而在臺灣，接近中央山脈的大型斷層帶，西半部由北從烏來、東埔一直到寶來，加上東半部的清水、瑞穗等地，皆屬於以斷層帶類型為主的「非火山地熱高區」。
這類地區的優點是沒有火山地熱區常有的酸蝕問題，但相對因溫度較低而產能較少。根據中研院資料，宜蘭平原地下8～12公里目前推論為「非火山地熱高區」，熱源來自龜山島下岩漿庫，以及蘭陽平原南側火成岩侵入作用。
只有溫度高還不夠！還要有水才有用
地熱發電不只需要「熱」，還要有「水」，我們需要很熱的水蒸氣來推動渦輪發電機。因此適合發電的地熱區，需要有可以透水的岩層，或是岩層中具可透水的裂隙，讓熱水或蒸氣可以通過、儲存，並且要有封閉的蓋層或是斷層「鎖」住這些熱水，才具有發電潛能。
李建成說：「其實宜蘭地區蠻特別的，常常在平原區有一些熱水湧出。」以紅柴林-員山地區為例，在先前國家型能源計畫已有初步調查資料，知道這裡應該具有地熱存在，不過受限於資料還不完整，目前還未清楚地下構造與熱源的分布狀況。李建成研究員表示只要對此地區有更充分、結合新技術的地質調查，若找到深處的熱源，未來大有可為！
地球科學這時就派上用場了，如果利用地球物理的「大地電磁法」探勘，利用量測大地自然電場和磁場的變化，探勘地下岩石的電阻分布，由於水會降低電阻值，若知道哪邊是「低電阻區」，就代表那區很可能有我們需要的熱水。
透過不同的儀器與分析方式，我們可以知道深度在3公里內、1公里內等不同範圍與尺度的電阻分布情況。然而上述低電阻的資料常有不確定性，比如鄰近的高壓電纜線就很容易影響觀測資料品質，因此中研院地球所一方面嘗試克服人為干擾的資料分析，同時也進一步以其他調查方式了解當地的地下構造以利相互比對，首先就是以「地震波」來輔助調查。
當地震波經過含有水的地層時，波速也會下降，故可以透過「震波測勘」調查地下構造也有助於找到水層。而中研院在此地的震波測勘研究運用到了三種技術，第一種是擺放多個小型地震站網路，以天然地震的方式來分析較深地下構造，觀測深度可達5公里以上。
第二種則是利用中油的震盪震源車製造人工地震來探測地層，但其產生的能量就較天然地震小，加上此地的地下為變質岩帶，故處理相關的資料也是極具挑戰性；當然，也可以用密集的小地震儀來收集人工地震，故第三種技術就是以多次的人工地震搭配密集接收器來增加資料量與觀測品質，而此方式雖然不能得到深部資料，但可以得到1公里深以內的高解析度地下構造。
建立「地質模型」是一種專業
解析地下構造的「地質模型」，就是構造地質學的專業，聊到這個，李建成馬上眼神發亮的侃侃而談。在學習地質的一開始，最吸引他的不是礦物、也非化石，反而是結合數學、物理，並需要強大空間觀念的構造地質學。將野外調查的量測、繪圖資料整合成對於地質構造的理解，便是他最有樂趣的項目。
李建成舉例說明，隨著野外調查一天一天畫下局部的構造，最後不僅可以畫完整段地質構造，還對這整個地區有更宏觀的概念，而他也用直觀的比喻告訴我們何謂地質模型：
雖然宜蘭的平原地區沉積物讓我們看不到地下構造，但從北橫、太平山、頭城、蘇澳等周邊的地質構造，搭配前面提到的各項地球物理調查，我們可以先從大範圍的地質構造，逐步的縮小到我們的目標區紅柴林-員山地區附近。
2025年中油在宜蘭紅柴林-員山地區剛完成了「員山一號井」的深層地熱探勘鑽井，發現資料上所謂的低電阻帶（橘紅色），正好就是四稜砂岩的構造，對應到已知的淺層熱水儲存層（0.6～2公里）；而在更深的3～4公里處，發現了中嶺層板岩（或千枚岩），溫度上升很快，最高達150°C。
跟鄰近的板岩相比，砂岩常會有較為均勻的裂隙，熱水較容易能流經，而高溫的水又有更低電阻，藉各種資料的分析，可以將這些特性連在一起，而且在預估有熱水存在的地方，同時也是區域構造地質所推論的斷層所在，所以這些斷層構造很有可能就是將深處熱水帶到地表的關鍵。
同時，地質模型也是為了先知道「熱水從哪裡來？」，利用地球化學的氫氧同位素分析，科學家可以回推水從天上落下到地層中時，是在海拔高度多高的位置。
以紅柴林四稜砂岩中的熱水為例，近地表附近的來源約為海拔200多公尺左右的高度，即鄰近四稜砂岩層出露地表的位置，代表水源有穩定來源，可以有適合的補注。同時科學家更希望未來在此地的鑽井可以取得水源來自更深處的同位素證據，以驗證或是修正地質模型。
近年的無人機技術蓬勃發展，讓科學家也可以利用新科技檢視地熱資源，在同所詹瑜璋研究員的協助下，研究團隊在紅柴林以搭載熱成像設備的無人機進行遙測，發現地表所在的熱源與地質模型所預估的熱水湧出位置有高度空間吻合的結果，也讓李建成對於紅柴林的地質模型更有信心。
科學與工程鑽井＞盲目鑽井
「中油的強項是鑽井」李建成說，過去中油在石油產業累積了豐富的鑽井技術與經驗。找尋油氣與地熱資源，雖然同樣都是將地球科學知識與鑽井技術的結合，但畢竟地熱的成因、特性都與石油差異甚大，因此要有地熱的專業先行調查。
「鑽一口井很貴，要是我們能從前期的調查篩選出較適合鑽探的地點，就會少走很多冤枉路。」而對於中研院來說，探測的目標也不僅僅是1～2公里深的淺層地熱，而是希望探尋更深的地熱，李建成的野心是希望這系列的研究可以為臺灣開創出「深層地熱發電」示範區。但同時他也提供了這項鑽探計畫的最務實之處：
目前「員山一號井」鑽井的目標深度是4.5公里（2025年9月完成的最後深度為3.8公里），由於越深的地熱熱源成本越高，要是可以在3～4公里內就有足夠熱能產出，也能讓後續其他廠商更有動力一起進來開發。
附帶一提，目前國內的地熱能開發仍以「傳統水熱型地熱資源」為主，取熱方式主要是以多口生產井，以水裂法在乾熱岩中，製造人工熱液儲集層，取熱水來發電；並將用過熱水回注地下的注入井。生產井取出熱水用來發電，而發電後的冷卻水再注回地層，使地下的水量與壓力能保持，才能有源源不絕的熱水產出。
更深層的地熱探勘，往往需要有更高的技術與成本，比如EGS增強型地熱系統（Enhanced GEothermal System）將原先運於石油探採開發頁岩氣的「水力壓裂技術」，以人工注入高壓流體的方式，在具熱能的堅硬岩層中製造新的裂隙，但同時從探測初期就要思考長期控制誘發地震的可能。
另一項是AGS先進地熱系統（Advance Geothermal System），雖然以閉迴路系統，直接讓以「取熱不取水」的方式解決水力壓裂技術的缺點，但其工程難度、設備的品質導致開發的成本更高。
目前中油除了與中央研究院合作，也在2023年1月進一步與具有AGS系統專業的GreenFire Energy公司，簽署地熱能開發合作備忘錄，朝著長遠的發電目標而努力，首要目標都是要先找到適當的地熱源。
終極目標：地熱發電廠
除了員山、紅柴林，中研院還有其他的地熱探勘目標嗎？李建成說，「其實，建立地熱發電廠是終極目標，只要能發電的地熱能與技術，我們都會關注。」以目前宜蘭一帶的狀況，要是熱水溫度沒有預期的高（低於150°C），那麼就要使用「雙循環系統（Binary cycle）」，不直接使用熱源的蒸氣，而是利用低沸點的有機化合物的蒸氣來推動渦輪，放大發電效果。
以大屯火山為例，國外也有使用在超過300°C以上的「超臨界地熱系統」（Supercritical Geothermal System, SGS）來取熱，這種方式可以徹底發揮火山地區的高熱能，以更高的轉換效率發電。
李建成也告訴我們他對發電的長遠理想，從地質角度來看，臺灣具有非常多的地熱潛能，只是過去在開發上缺乏針對以深層地熱探勘為目標，甚至在過往早期估算地熱能源的潛能時，也因忽略掉地質模型的重要性而增加不確定性、造成落差。
要找到真正的「地下熱水水庫」並不容易，目前在紅柴林-員山地區的地熱鑽井只是開端，希望國內未來能開展出更多、更大型的地熱電廠。
本文授權轉載自《研之有物》（原文標題：臺灣地熱在哪裡？看科學家如何建模地下世界，探勘最深層的能源寶藏）
