2017年2月26日 星期日

地球科學狂想曲: 2037年地球科學家的工作與生活

2037228日,天氣晴,10年前才從父親力力教授手中,接下了研究棒子的小力博士,今天要到著名的台灣碧侯地區進行野外,這個在台灣東北部,蘇澳到花蓮間的地區,在本世紀初,還是一片蠻荒,山高水急,稀少有人能踏及的區域,由於是幾乎沒有道路與住民,只有在上世紀的時候,靠著幾個熟悉山區狀況的原住民的協助下,有幾位地質研究學者曾經到此進行野外調查與採樣工作。但是最近十年來的科技進步,已經使得進入到碧侯地帶,不再是困難的事情。
小力博士事先上網預約了兩架Uber無人機的運輸服務,將野外工具與各種裝備裝入了一個小型的一公尺立方貨櫃行李箱中,然後與兩個碩士班研究生,小楓和小雪,一同搭上了放在庭院中的透明運輸膠囊,小力博士按下放在手腕上的手機按鈕,不到五分鐘,兩架六個旋翼的Uber無人機來到庭院上空,利用懸吊掛勾精準的夾起運輸膠囊和貨櫃行李箱,朝向台北市區東南方飛去,由於是上班時間,因此空中交通比較繁忙,在自動導航儀的指示下,無人機避過了松山起飛爬升的大型越洋客機,沿著比山略高100公尺的3號近地路線前進,大約僅過了四十分鐘,就抵達事先選定的河邊空地,當小力博士等人卸下裝備後,無人機就帶著透明膠囊和空的行李貨櫃離去。


Cover of the first issue of Science Fiction, dated March 1939. The artwork is by Frank R. Paul

為了避免受到野生動物、蜂群以及有毒昆蟲的侵害,博士和研究生們都穿上了連身工作服和工作靴,特別的工作服具有特殊塗料,會發出特殊的驅除蚊蟲及野生動物的氣味,而工作靴可以適合全地形,甚至在需要時可以自動烘乾通氣。小力博士沿著溪流上溯,尋找露頭。順便沿途佈設地震和電磁感測器,由於微型電路的進步,每個感測器的大小都只有大拇指大小,只要把尖端插入地下,就可以佈設完成。感測器可以偵測地下電流與磁場的變化,以及區域微弱的地震,並自動同步連線,利用通信寬頻網路即時傳遞資訊到小力博士的位於Google的雲端硬碟和博士護目鏡裡的微電腦,博士和助理們只要在幾個地點,埋入小型高能電磁源或高頻震源器,就可以得到地表下100公尺內的地球物理參數分布情形。
在前進之前,博士打開了擴增三維實境地質圖,讓博士看到的,不只是景色,而是地層與構造在視線內的可能分佈。小力博士先放出蜂鳥探測器,探測前方500公尺內的地質情形,蜂鳥探測器是一種仿生微型機器人,利用探測器收納箱充電,一次可充電及放出10個蜂鳥探測器,每個可以飛行約15~20分鐘並自動飛回收納箱,具有高分辨率多光譜及熱感測器,與最小可以看到1毫米物體的鷹眼鏡頭;資料會即時傳到博士的護目鏡中,會自動辨認資料庫有的岩石種類、礦物屬性,以及化石分類,讓小力博士可以充分掌握可能的地質狀況,並進行採樣。
今天,憑藉著好運氣,蜂鳥偵測器在博士的護目鏡中,顯示了附近的幾個可能的化石及新鮮礦石露頭,於是博士來到其中一個露頭的位置,首先開啟了連結在護目鏡上的3維光達掃描,自動記錄及素描露頭情形,並顯示採樣位置在三維地質圖上。然後拿出機械地質槌,拿在手上,地質槌根據露頭採樣的需求,建議了最佳敲擊點,小力博士輕輕一敲,槌上的爆發加力器,自動調整敲擊力道,就把一塊巴掌大小的岩石標本敲了下來。博士連忙拿出地質標本感測布,包裹了岩石標本,感測布上密密麻麻的電極可以放出電磁波,進行快速三維內部掃描,然後把資料即時傳到小力博士的實驗室中,根據博士的野外指示,用列印機自動進行三維列印,放大印出岩石標本裡的大型有孔蟲化石結構,等到小力博士回到實驗室,化石的解剖結構已經印好放在桌上了。當博士完成所有的採樣以及資料收集,雲端資料庫很快自動分析所有資料,建議博士標本的最佳後續分析、定年的工作以及可能協助的實驗室,並且更新三維地質圖。小力博士很滿意今天的工作成果,於是來到了早上的降落地點,按下了手表通話器的召喚鍵,四十分鐘後,無人機又帶著貨櫃箱和透明載人膠囊出現,抵達不到五分鐘,博士一行就再度出發回程,在太陽下山前回到溫暖舒服的家中。
泡在熱水浴缸中,喝著調酒,小力博士心想,像今天這樣一天來回的野外,還有地球物理跟地質繪圖、標本採樣的工作量,20年前的前輩,恐怕是做不到的吧?科技的進步真是驚人呀!

2017年2月19日 星期日

地球誤理,地球霧裏,還是地球誤理霧裡誤你?

由於去年實在是太多煩惱的事,讓費雪著實忙到沒有閒暇時間聊天南地北。最近費雪聽到太多人來詢問有關某個由大陸開發,號稱用弦論原理進行地質探測的儀器,根據詢問的人告訴我,大力推廣的團隊宣稱這儀器可厲害了,又可測出地下應力/應變分佈,又可測地質構造情況,解析度比透地雷達還好,探測深度堪比大地電磁法,費雪看來,簡直是已經到了能張目對日,明察秋毫的地步。這種了不起的成就,直直讓費雪生鏽已久的手和筆都不自覺得癢了起來,有人吹牛就有人抓,覺得不上來部落格寫一篇抓牛文都不行呀………!

先來談談弦論這個東西,根據費雪Google的結果,他的核心是用波動的能量弦線作為宇宙的微觀單位,去解釋所有微觀物質的基本組成及相互間的關係,但是,至今仍沒有人可以作出實驗驗證能量弦線的真實存在,因此在物理學界仍有許多辨證爭議。所以費雪一聽到竟然有可以利用弦論原理的儀器,馬上是驚呆了,這絕對可以獲得諾貝爾獎的發明,怎麼從來沒有聽過呢?結果翻了一下儀器公司的技術網頁,除了弦論之外,好像就沒提到其他的理論細節了,網路上查到的相關論文,也都沒提到其他的物理推導,這…..使得費雪我開始覺得這麼牛逼的神器,怎麼物理理論中,就沒更淺顯的學說來陪襯,真是不可思議!!~~這些物理學家、大師等的,什麼霍金、楊振寧之流的,真的該打屁股。
圖1 找到錢流的地球"誤"理 (from: https://www.cartoonstock.com/directory/r/revenue_stream.asp)

既然理論不可得,費雪就覺得看看儀器的技術成分好了,或許能讓費雪這種水平不夠的魯蛇一窺堂奧。根據說明指南,這一儀器收取的是天然電磁場變動,使用的頻段是100-3000 Hz,由於這個頻段的大地電磁場,來自於高空閃電、太陽風與電離層交互作用等現象,發生的電磁波一部分傳入地下,一部分被反射回來,該儀器就是用磁力線圈放大被地層反射回來的電磁波訊號,轉換成電磁電阻率,用來分析地下構造初看好像很合理,但,且慢……這不是電磁學?弦論有什麼關係?

好吧,先撇開弦論,來看電磁學。這頻段的電磁波長,約在100-3000 公里,遠大於地殼厚度(最大約50-70公里)與目標構造地層(通常幾百公尺到幾公里)的深度,所以我們只能用電磁波的擴散理論,而非傳遞理論去解釋我們探測地殼中地層結構的結果。要用電磁探測,一般你要有一個穩定或已知的電磁波源,利用接收到的電磁場,相對於已知源的電磁場強度衰減,才可以推算出地下構造變化。通常這個源是人工發射的,因為才會穩定、已知,所以大部分的電磁地球物理探勘儀器與方法,都是採用人工發射源的主動方法。如果要探測不同深度,就要利用不同頻率的電磁波,因為不同頻率電磁波的穿透深度不同,但是一般儀器要發射很多不同頻率的電磁波是很難達到的,所以通常只有少數1-3個頻率可調整使用,也因此,這樣的電磁探測方法沒有太多深度分辨能力。


圖2 大地電磁方法原理( from: http://userpage.fu-berlin.de/mtag/mt-basics1-engl.jpg)

少數的方法,例如大地電磁方法,才會利用天然的寬頻電磁場。因為天然的尚好~天然的電磁場可從很低頻到很高頻(除了在1Hz附近的死頻之外)。但是問題來了~~天然的雖然好,但是我們卻不確定它的源的強度,事實上天然的電磁場源強度一直在變化,因此除非有目探測區域上高空(約數百公里高)的直接觀測資料,不然我們是沒法從電磁場的衰減推算出來地下電阻率的。於是,大地電磁法用了一個很巧妙的設計,就是用磁力線圈和電極,同時分別觀測電場跟磁場,然後利用同一個源,電場和磁場的相關特性,推算地下地層的電阻率。所以要利用天然的電磁場,同時觀測電場和磁場是很重要的。

剛剛提到的神器,看來並沒有電極的設置,所以想必是個磁力線圈為主的儀器。單單只量測磁場,恐怕僅僅能知道地球磁場的異常變化程度,說穿了,也就是個磁異偵測器,可以推測造成磁場異常的區域,但造成磁場異常的是地層、人為雜訊、或其他,就沒辦法分辨了。很重要的是,拿一個根本沒有功能的儀器來作地下探測,真的就變成地球誤理探勘,或是地球霧裏探勘,跟瞎猜或擲爻的成功率差不太多,費雪還是勸大家真的要擦亮眼睛,別掏出大筆金額便成地球誤理在霧裏誤你囉!!!!

2015年5月20日 星期三

美酒加咖啡,威士忌配石頭?

費雪來廢話一篇短文吧?地質人愛喝酒是盡人皆知的事。雖然好酒的我們,都聽過美酒可以加咖啡,葡萄酒最配夜光杯。但是,應該比較少人聽過威士忌就要配石頭才給力吧?
今天酒鬼費雪要介紹的是這一味威士忌石頭(Whisky stone),專門配威士忌來喝的。夏天喝威士忌,味道雖然純美,但是沒有冰涼爽快的感覺,在赤日炎炎的台灣夏日,喝室溫的酒真是一種內外煎熬的遺憾。

當然大家會說:笨呀!費雪,你不會加冰塊來喝的嗎?是的,冰塊雖然方便,但是不要忘了,冰塊是會融化變成水的,摻了水的威士忌,在行家的眼裏簡直就是暴殄天物,特別是你喝的是甚麼余市21年、竹鶴21年的昂貴威士忌。因此許多的酒仙,就會買這個威士忌石頭來用。這個石頭是天然皂石(soapstone)的成分,切割成邊長1-2公分的立方體,夏天可以替代冰塊的功用,特別是可以重覆使用不會融化,和冰塊一樣,平常一樣存放在冷凍庫中,要使用時直接加入飲品,就可以享受冰冰涼涼的威士忌囉。冬天也可以稍微加熱後,丟入威士忌中享用,聽說不僅不會像冰塊會融化破壞原味,還能讓酒味更圓潤。

皂石為什麼可以作為威士忌石頭使用?這就要說到它的性質了,皂石主要的礦物組成是滑石(Talc),通常來自於變質的滑石片岩(Talc Schists)。產出於板塊構造隱沒帶附近,像是台灣就有幾個產皂石的礦場。如果你跟費雪一樣背過礦物的硬度表,馬上就會注意到滑石是一種硬度最軟的礦物,因此容易切割加工。加上如其名的表面光滑,所以不容易沾上髒汙。另外滑石是一種不太容易跟酸鹼反應的惰性礦物,無毒,吸熱性質佳,輻射熱性質也不錯,所以,2007年起,就有聰明的人想到利用這種特性,把以滑石礦物為主要組成的皂石,拿來做為威士忌中冰塊的替代品。最近開始逐漸成為一種典雅的潮流,誰說地質人喝酒是牛飲?還好費雪在花蓮有幾位酒鬼好友,看來下次到東部去出野外,花蓮的地主老大們如果有讀到費雪小弟的部落格廢文,請事先野外採集準備好一噸的威士忌石喔!

中國人跟石油

在中國歷史上,對石油的認識是相當早的。有關石油的記載,最早見於周代的《易經革卦》:「像日,澤中有火。」即指石油從地下流出溢到水面燃燒。中國在在秦漢之間,就已經發現石油,到唐宋不但多處開採,而且已有大規模用於軍事。
斯洛維尼亞的天然石油池
        
    在中國古代有關石油的名稱很多,如「弱水」、「石漆」、「石脂水」、「石腦油」以及「猛水油」等。到了宋朝,才出現了「石油」的名詞。
中國人對石油的可燃性知識,最早記載在漢書地理誌。其中說:「上郡高奴縣,有洧水,可燃。」高奴就是現今的陜西北部。其次發現石油的是在甘肅玉門。後漢書酒泉郡中說:「縣南有山,石出泉水,注地為溝;其水有肥,如煮肉洎,如不凝膏,燃之極明,不可食,縣人謂之石漆。」。《水經注》中引用晉張華的《博物志》說:酒泉延壽縣(今甘肅玉門市南)南山出泉水,大如莒,注地為溝。水有肥如肉汁,取著器中,始黃後黒,如凝膏,燃極明,與膏無異。膏車及水碓缸甚佳,彼方人謂之石漆。水肥亦所在有之,非止高奴縣洧水也。唐朝段成式《酉陽雜俎》卷10《物異》說:石漆,高奴縣石脂水水膩,浮水上如漆,采以膏車,及燃燈極明。宋前期的《太平寰宇記》卷152《肅州》也說:石漆:延壽城中有山,出泉注地,其水肥如牛汁,燃之如油,極明,但不可食。此方人謂石漆得水愈熾也。由這些古代文獻看來,中國人最早就懂得將石油當成能源來源,提供照明了。而中國人懂得鑿井開採石油也相當早。在公元347年,就懂得運用竹片,鑿成世界上第一口的油井,深度達約240公尺。之後的中國普遍均懂得鑿井開採石油之技術,據1303年成書的《大元一統志》記載,在延長縣南迎河,有鑿開石油一井,其油可燃,兼治六畜疥癬,又延川縣西北八十裡,永坪村有一井……”

宋朝沈括(10311095)在其科學著作《夢溪筆談》中第一次使用了「石油」這一名稱,並且一直沿用至今。沈括利用石油不容易完全燃燒而生成炭黑的特點,將石油燃燒出的煙收集起來當墨用,首先創造了用石油炭黑代替松木炭黑,製造煙墨的工藝。被稱為「延川石液」的就是用這種石油炭黑製成的墨。《夢溪筆談》中關於石油論述的原文如下:「鄜、延境內有石油,舊說『高奴縣出脂水』,即此也。生於水際,沙石與泉水相雜,惘惘而出,土人以雉尾甃之,用採入缶中。頗似淳漆,然之如麻,但煙甚濃,所沾幄幕皆黑。余疑其煙可用,試掃其煤以為墨,黑光如漆,松墨不及也,遂大為之,其識文為『延川石液』者是也。此物後必大行於世,自余始為之。蓋石油至多,生於地中無窮,不若松木有時而竭。」
由於石油有燃燒時遇水不滅的性能,到南北朝後就被大量用於軍事方面了。周武帝宣政(西元578)中,突厥圍酒泉,取此脂燃火,焚其攻具,得水愈明,酒泉賴以獲濟。這是中華古史上第一次將石油用於軍事的記錄。五代時,《吳越備史》卷2說,火油得之海南大食國,以鐵筒發之,水沃,其焰彌盛錢鏐將火油用於軍事。《資治通鑒》269《遼史》71《太祖淳欽皇后述律氏傳》記載,貞明三年(西元917年),南方吳國向契丹人獻猛火油,說:攻城,以此油然火焚樓櫓,敵以水沃之,火愈熾,是準備軍用的。《新五代史》74《四夷附錄》說,後周顯徳五年(西元958年),占城國王貢猛火油八十四瓶猛火油以灑物,得水則出火。當時江南不產石油,因此上述的火油或猛火油都是從海外進口的。
據《續資治通鑑長編》記載,宋開寶八年南唐李煜面臨宋軍進攻金陵的危機,其神衛軍都虞侯朱全贇用猛火油縱火攻宋軍,由於風向改變,火焰反燃己軍而大潰:「朱全贇自湖口以眾援金陵,號十五萬,縛木為筏,長百餘丈,戰艦大者容千人,將斷採石浮梁,會江水涸,戰艦不能驟進。王明屯獨樹口,遣其子馳騎入奏,帝密遣使令明於洲浦間多立長木若帆檣之狀以疑之。己未,全贇獨乘大航,高十餘重,上建大將旗幡。至皖口,行營步軍都指揮使劉遇揮兵急攻之,全贇以火油縱燒,遇軍不能支。俄而北風,反焰自焚,其眾不戰自潰,全斌惶駭,赴火死。擒其戰棹都虞侯王暉等,獲兵仗數萬。金陵獨恃此援,由是孤城愈危蹙矣。」
北宋時期,為了防禦西夏、遼、金等軍隊的入侵,西北邊防城庫皆掘地作大池,縱橫丈餘,以蓄猛火油,進行了備戰工作。猛火油就是石油或石油的加工產品。北宋宰相王安石還于神宗六年在京城汴梁軍器監內設軍用石油加工的作坊猛火油作,並派沈括兼管軍器監,促進了石油在軍事上的廣泛應用。《續資治通鑑》記載:「修樓櫓,掛氈幕,安炮座,設弩床,運磚石,施燎炬,垂櫑木,備火油,凡防守之具畢備。」康譽之所著的《昨夢錄》記載,北宋時期,西北邊域「皆掘地做大池,縱橫丈余,以蓄猛火油」,用來防禦外族的侵擾。宋初曾公亮在他的《武經總要》中記載了一種用膏油縱火攻城火車和一種注有火藥的噴火器火罐。這種進攻性的武器附有猛火油櫃筒櫃等機械裝置,威力極大,中人皆糜爛……若水戰,則可燒浮橋、戰艦,頗像現今的火焰噴射器。此外,當時還發明了用加入石油產品瀝青的方法來控制火藥燃燒的速度,使瀝青成為配製特種火藥的原料,這一發明比外國早了近1000年。而猛火油的使用方法,則與希臘火相似,也有專門的噴射裝置,這便是北宋曾公亮在《武經總要》中記載的「猛火油櫃」。但這種裝置與希臘火裝置不同在於,它已經引入了火藥作為引燃物。
猛火油櫃

    中國古代對於石油的用途,除了冬天用來升火取暖的能源用途,以及軍事用途之外,宋代官定的「嘉祐本草」開始,以後在各類「本草」之中有很多關於石油煉藥的記載。最為神奇的是北史卷九七西域傳中說:「服之,齒髮已落能令更生,癘人服之皆愈。」這種說法,當然不能完全相信,有待現代的科學家去驗證。但至少可以相信古代的中國人,對石油的化學提煉,已經有了一定的基礎。

2015年1月6日 星期二

2015,頁岩氣還行不行?

剛恭喜完新年快樂,費雪要來天南地北一下最近的頁岩氣風潮。面臨著新的一年的到來,石油價格似乎維持著2014年第四季的下跌趨勢,在一年的開始這幾天,持續的下跌著,油價到底會跌到多少?很多能源經濟專家認為,石油輸出國家組織,大概要等跌到一桶原油60美元以下,迫使美國的頁岩油生產業者退出市場,才有可能減產,使得油價回彈。但是,費雪大叔覺得這可能是一種一廂情願的看法。因為就技術而言,目前美國頁岩氣生產井的鑽鑿完井工期,已經由150天,下降至45-70天。也就是說,雖然油價的下跌,可以迫使中小型的頁岩油業者,因為資金短缺退出市場,但是一但油價回彈,馬上又可以在華爾街取得資金挹注,基礎設施尚在的頁岩油田,便能在短短數週內恢復生產,新鑽鑿的頁岩油氣井,能在1-2個月上線生產。最後受不了出問題的,恐怕是石油輸出國家組織中,現金短缺的國家。所以說不減產的手段,費雪認為是一種七傷拳,傷人一百,也得自傷五十,況且,美國像是練了九陽神功護體的張無忌,面對內家高手還要勉強使出七傷拳,石油國家不先倒斃才怪!

圖1、頁岩氣的蘊藏

油價的下跌,對頁岩油氣開發的進展,到底造成了甚麼影響?多數的輿論認為這將掐住了頁岩油氣發展的喉嚨,因為目前頁岩油氣的生產成本超出了可獲利的範圍,因此將迫使頁岩氣的開採減緩。目前北達科他州的新頁岩氣田開採許可申請的案件數下降了40%,似乎也印證此一看法。但初期或許衝擊的是新鑽井許可的申請;中後期對頁岩氣革命的影響,若由專業技術領域來看,這或又是另一個不同的故事。事實上,油氣上游開採工業的營運模式,是相當特殊的。多數油氣鑽井與開採服務業,例如哈里伯頓與斯倫貝謝公司的服務計價,是根據油價的走勢而與業主議定。另外,鑽井與開採團隊的薪資,也受油價走勢影響。於是,當油價低迷時,頁岩氣公司會跟服務公司說:”老兄,我快撐不下去了,不如砍個價吧?不然我下去,你也會被拖下去啊!”。於是為了勉強生存,服務公司也得被迫砍價,不然收不到現金。因此油價的下跌,也將造成油氣鑽井與開採的成本降低。頁岩油開採的成本,根據估計,或會將降至33-50美元/桶,這將使得頁岩油氣井的開採,在目前價格下還能強撐一陣。

圖2、鑽井服務工作專業人員

影響頁岩氣發展,當然還有另一個因素不可忽視,那就是中國大陸的頁岩氣技術發展。過去根據西方的主流看法,認為中國大陸不可能在2015年前,缺乏相關的水力壓裂技術,無法完成商業生產。還說中國頁岩氣埋藏深、地質複雜,所以開發沒有經濟效益。但是,費雪認為,西方人真的小看了中國人,那是一個它們不了解的社會,在國家的意識下,很多"不可能的任務"卻會被貫徹執行。所以我們看到中國大陸在頁岩氣開發上,過去兩年的進展,已經跌碎許多專家的眼鏡(所以現在歐美眼鏡業應該景氣很好喔?)。中國大陸至2014 4 月,已在頁岩開發投入超過 24 5000 萬美元的經費。這些款項已經完成322 口頁岩氣井的鑽鑿與設置,其中包括 108 口的垂直調查井、 118 口垂直探採井和 96 口水平探採井。而在頁岩氣生產方面、 目前已完成38口生產井,每口井的生產量,超過 10,000 立方米/天。到20144月為止,在重慶涪陵的頁岩天然氣產量已達到3.6億立方米,而其中已售出了 3.42億立方米的頁岩氣。
圖3、中國的焦頁1HF號頁岩氣生產井

水力壓裂相關技術上,中國大陸在壓裂卡車、 混拌砂料車、 歧管卡車和智慧量測卡車的工作壓力設備的發展上,已達到可承受最大140 MPa的能力。其他技術的進展還包括了鑽井回流液循環利用、暫時堵隔體積水力壓裂工法、四井同步交鍊水力壓裂技術、複合材料橋塞和多群集穿孔技術、旋轉導向鑽井系統等技術的掌握。而中國平均頁岩氣井的完鑿工期,也由平均約120天,下降至約70天左右。中國大陸的國家5 年計畫中,頁岩氣到 2015 年預計增加到 65 億立方米/年的生產量。然而,前述的頁岩氣技術進步已使得這個目標可能提前完成。因此我們必須承認,中國大陸已基本掌握了頁岩氣開發所需的水力壓裂相關基礎技術。而油價的下跌,可能使得美國相關頁岩氣鑽探與相關的服務公司,更快速因為併購、合資而轉進有政府補貼的中國大陸市場。加強中國頁岩氣相關服務產業的發展。另外,石油輸出國家組織的不減產政策,已經讓中國大陸警覺到必須掌握一定的自有能源以對抗石油國家的壟斷圍堵,因此未來對頁岩油氣的補助與支持應該不至於縮減,甚至在2015年會投入更多的國家資源協助頁岩氣的探採工作。
圖4、中國頁岩氣井正在進行水力壓裂

所以費雪認為,頁岩油氣的風潮,2015年是不會退流行的。因為在大國的政策角力下,至少在未來20年仍將繼續發燒。那台灣對於頁岩油氣風潮,未來應該如何應變?有人認為台灣根本沒有頁岩氣,也沒有相關技術,因此只需要注重石油價格,伺機買進便宜的石油與天然氣就夠了。但是,頁岩油氣相關技術,恐怕比你我想像的更貼近我們的生活。舉水力壓裂技術為例,其實在上世紀40年代就已經發展出來,而水力壓裂的雛型,來自於140多年前美國內戰後的專利。它是一個成熟的技術,不只是頁岩油氣開發的關鍵技術,相關技術也被應用於深層地熱發電、二氧化碳封存、隧道開發等工程。而現代水力壓裂工法運用到的材料,包括砂料礦材、可溶解抗溫壓發泡樹脂、複合材料可鑽橋塞等,是礦物、生化、化工與材料科技的應用,而抗高溫高壓的管線材料與探採控制電子元件,運用了整合電子業資源的相關技術。這些應用技術的回報率,遠比民生用品代工要高出數倍。可惜的是過去的運用卻壟斷在少數的油氣服務公司手上。

影片1、井下可鑽橋塞的使用

    油價下跌,或許短期會讓美國相關油氣服務業受到短期打擊,但這也意味更多相關技術在短期內將流入新興市場,或因成本而被低廉的新興市場企業取而代之,成為下一波產業轉型的契機。頁岩氣的儲藏,不僅中國大陸,南美洲、南亞、東南亞或許是下一個新興的戰場。台灣的政府、學界和產業,與其被動的在油價下跌中,尋求短期的套利。我們或許更應該積極注意頁岩氣相關服務產業,有計畫的介入相關關鍵技術的發展與培養人才,例如頁岩氣探勘技術、探採人才培養、相關風險管理與探採三維評估軟體的發展,以及前述的礦物、化工、材料、電子等相關硬體技術產業建立。未來台灣年輕一輩的戰場,不僅僅在中國,而在全世界。搭上因油價下跌,而出現機會的頁岩風潮列車,或許是一個台灣改變偏重民生電子業的失衡結構與產業轉型的契機。

2014年9月12日 星期五

哆啦A夢(小叮噹)的百寶箱-閒談未來與現在的地質學家不可忽視的新技術I

大家都看過哆啦A夢嗎?這是一個以前被稱為小叮噹的日本長壽卡通漫畫,主角是一隻來自於遙遠的距今天約一百年後的機器貓。被派來協助世修的祖父-大雄解決他人生上遇到的問題。由於一百年後的科技進步,機器貓可以從他身上的四次元口袋裏,變出許多的法寶,幫助懦弱的大雄跟他的朋友解決許多的難題。如果你聽過小叮噹這個名詞,那各位的年紀肯定是跟費雪不相上下的喔!費雪小的時候,對於這個機器貓哆啦A夢卡通非常有興趣,(當然,直到現在還是一樣啦!)。因為他總是可以變出一些很有創意的新科技。不過談到這,大家應該會問,費雪今天天南地北是要談漫畫和卡通嗎?

~~不不不~~其實,費雪是要從這來談談,一些未來科技的運用可能性。哆啦A夢有一次,因為大雄抱怨和他的朋友在街上玩,老是被趕,而且還有車經過太危險,因此從口袋裏掏出了立體照相機,這是甚麼個法寶?簡單的來說,就是一台可以照了以後,完全複製景物的照相機。所以大雄就複製了整條街道,和同伴在其中過癮的玩。這個原創於二三十年前漫畫中的幻想法寶,從今天看來卻如此的有創意,並已經被初步實現。最近最夯的科技,被談的最多的,就是3D掃描和3D列印,ㄟ~組合起來這不就是立體照相機?雖然目前還需要一些進一步的改良,但是費雪真的相信,立體照相機的時代,是真的不遠了。

圖一、小叮噹裏的立體相機原理與使用方法

當然,費雪更有興趣的是,這些技術,可以或如何被用在地質科學的研究、調查的進步,或地球科學教育上?先來談談3D(三維)掃描吧,這是用光學技術,判斷物體的表面凹凸,用來建立物體的三維模型。技術上可以分為主動式跟被動式的掃描,主動式可以用發射器發射電磁波、光波(包含紅外線、多波道光、雷射光)、甚至是接觸式感測器,去測量物體表面起伏,距離一個固定參考座標位置的距離,然後把資料重建成立體模型。而被動式的是在多角度拍攝照片,然後運用類似人眼平行視覺立體成像的原理,建立三維的模型。那這些技術怎麼應用到地質科學的研究與教育上?舉例來說,費雪常常和同儕聊到,從事地質調查真的是看天吃飯,而好的地質露頭卻可遇不可求。尤其是在台灣,有時候你發現了一個好的露頭,想趁若有一段連續好天氣,帶來更多專家一起商量一下,卻可能轉眼在一個颱風之後,露頭被崩落土石掩埋就不見了。更多的是,因為開路或開發挖出來一個新鮮的露頭,下次施工單位就在上面噴漿、作工程而看不到了。如果這時有立體照相機,就可以把露頭細節保存起來。隨時可以再叫出來或列印出來,針對細節再作深入研究。有時候,像是地層或地質構造的露頭往往僅限於二維的平面,我們也可以在不同位置,多拍幾張照片,然後根據空間關係結合成一個三維立體模型,就可以知道這些構造與地層在空間的延續關係了!
圖二、3D固定式主動雷射掃描儀器與操作

另外,有些地區很大,或是地形崎嶇,光靠地質學家的人力很難到達或詳細踏勘。那我們可以在遠距用主動式3D掃描(可以是固定在陸地上,或裝載於飛機、衛星、甚至是無人載具上的發射器與接收器),先快速利用反射光波的特徵,運用電腦程式智慧判斷判斷底下的材質或構造,建立初步的地層或地質構造模型,地質學家再重點踏勘驗證。可以減少不少人力的浪費,並且能快速建立三維立體地質圖模型。

圖片三、費雪跟學者合作拍攝的基隆嶼3D飛行影片擷取畫面

這種天馬行空的想法,很多人曾經嗤之以鼻,告訴費雪說不太可能吧?地質學發展幾百年了,地質學家到現在不是還依賴紙本地質圖?不過,費雪還是想試試看,所以現在正在跟資訊工程的人合作,嘗試可不可以做到運用無人載具的照片建立3D模型,再運用光影,讓電腦程式自動初步判釋節理的分佈,統計計算節理在三維空間的分布位態。如果成功,嗯~就可以不只是”唬爛地質學”的天南地北閒聊幻想了。更進一步來說,費雪嘗試預言,根據這樣的作法發展下去,十到二十年內的未來地質圖,可能會發展到不是像現在的攜帶式展開紙片地圖。而是”三維立體地質圖”。使用的人,在野外帶上一個類似眼鏡的裝置,裝置上有GPS定位,觀察者看到哪裏,就呈現跟據地形做出來的投影斷面地質分佈以及相關資訊。所以,以後地質圖的製作會更立體、更精緻,也需要更多懂新科技的地質學家,投入基本的建模型工作,當然未來地質學的高端應用研究,也會需要更多懂得運用新科技的研究人員投入。有人說:“人類因為有夢想才偉大”,但是費雪要加上一些補充:科學家因為有幻想,未來才有無限的可能;失去了幻想,是身為科學家的最大危機!
新科技很多,費雪今天只談一個立體照相機前半部的3D掃描技術,就談不完了,下次再談3D列印機的運用與可能性。

2014年8月22日 星期五

地質粉彩系列-中藥篇(上): 龍骨無靈,石燕不飛


費雪近半年來因為準備換工作,還要趕在換工作前,還欠下各方的人情債。免得前債不清,後債又來。著實將天南地北的部落格冷落了一陣子。趁著換新工作後,生活逐漸上了軌道,趕快偷空再來將積了已久的腹稿,接力完成寫作及公佈的工作。

大家都聽過「龍角散」吧?這是一個日本江戶時期,秋田佐竹藩的家傳中藥,兩百多年前的江戶末期,經由藤井正亭治改良後販售,聞名於亞洲的一個止咳化痰的中藥品。龍角散最初的配方,是由龍骨跟鹿茸作為主要原料,鹿茸來自於梅花鹿的角(不是馬總統說的鹿耳朵的絨毛喔~~千萬不要以為官大學問就大~~)。而龍骨,很有意思,它的原料是來自於化石。但卻不是大家以為的中生代恐龍的骨骸,而是大型哺乳類的化石。來自於如象類、犀類、牛類、三趾馬等的骨骼。另外,有部分來自於象類的門齒化石,因為外型呈不規則團塊狀或柱狀,全體呈現淡灰白色,夾有藍灰色及紅棕色的花紋,又被稱為「五花龍骨」。

最早古人以為這些化石是來自於中國神話中的龍,死後遺留下來的骨頭。但是也有古人提出不同的看法,例如十七世紀明代的「本草匯言」中就說到:『嘗過晉、蜀山谷,為訪所產龍骨之處,岩石棱峭,溪徑墳衍,則有磊磊如龍鱗,隱之如爪牙者,隨地掘之,盡皆龍骨,豈真龍之骨有若此之多,而又皆盡積於梁、益諸山也?要皆石燕石蟹之倫,蒸氣成形,石化而非龍化耳。』可見得中國古人倒也不全迷信神話,而很有邏極的推論這些化石應該是動物遺體石化後的產物,而不是神話的龍的遺骨。
圖一、中藥材龍骨的長相


這些哺乳類動物的化石,主要的成分都是碳酸鈣或磷酸鈣。也就是原來動物骨骼的成分。雖然對於身體無害,但是吃下骨頭磨成的粉,實在是有點噁心,特別是陳年的,那更是……啊,還好,費雪聽說龍角散早就改了成分。不過,一般中藥行裏,有時還能買到龍骨這味中藥材,費雪勸大家還是少吃一些,不然,中藥配方裏改用水泥粉代替也行,畢竟水泥就是碳酸鈣所組成的。

後來有人又問費雪,那為什麼龍骨是哺乳類的化石,卻不是恐龍的化石,同樣是化石,為什麼哺乳類化石可以入藥來吃,恐龍化石就不行?這真是一個好問題。關鍵不是在甚麼類的化石,而是在化石的年代與地層,以及地質作用。動物死後的遺體,被埋藏在地層中,因為氧化還原以及地下水的作用關係,原來的成分就一點一滴的被改變,這種地質作用我們叫換質作用。年代越久,改變的機率與比例就越大。中國大陸的恐龍,多是生存在兩億多年到六千五百萬年前的中生代。多半是生活在內陸沼澤或濱海的環境,因而恐龍化石埋藏的地層多是黏土或頁岩層。經過這麼長的換質作用,恐龍化石的成分跟週遭的黏土層或頁岩層已經並無二致,主要成分是矽酸鹽類。是類似玻璃或砂子一類的東西,如果有人想嘗鮮,吃吃恐龍化石,費雪想,這應該跟吃砂子一樣,大概吃下甚麼,都會最後排泄出來,人體是不會吸收的。而中國大陸產龍骨地區,哺乳類的化石,很多是兩百萬內的新生代更新世地層中所發現的。這些地層主要是礫石層或黏土層,因為年代太短,很多哺乳類的骨骼還來不及被換質,所以主成分還是以碳酸鈣或磷酸鈣為主,是人體可以吸收部分的,所以還是可以入藥的囉。

說到龍骨,不能不提到另一味中藥裏著名的化石藥材,那就是石燕(英文叫Spirifer)。中國古文獻裏頭,最早提及石燕的,應該是晉代著名畫家顧愷之的「啟蒙記」:『零陵郡有石燕,得風雨則飛如真燕。』。後來北魏酈道元,在「水經注」中也有類似的描述:「石燕山有石紺()而狀燕,因以名山。其石或大或小,若母子焉。及雷雨相薄,則石燕群飛,頡頏如真燕矣!」說的是祁陽石燕山,出產變成石頭的蛤仔,形態像燕子,大小不一。每當雷雨的時候,石燕會像燕子一樣的飛起來。當然,今天我們都知道,石燕不是燕,也不會飛,因為它是化石。
圖二、泥盆紀石燕的長相


話說這個化石,可是費雪大學時期永遠忘不了的古生物送分題。我們跑檯考化石的時候,最好認得的就是它,因為某個角度來看,真的長的像展翅的飛鳥。石燕是一種從奧陶紀一直到侏儸紀早期,生活在海裏的腕足類動物(貝類化石),雖然外型長的像蜆蛤,但是跟蜆蛤卻不屬同一類(動物門),比較類似現生的海豆芽一類動物,重要的特徵是雖然有兩片殼,但是一大一小,不像蛤類兩片殼大小一致且對稱。在中國大陸,石燕產自於湖南、廣西、雲南一帶的泥盆紀地層中。在泥盆紀時,中國大陸基本上北方是陸地(岡瓦納古大陸),南方還是在海中,稱為古地中海。這些化石就是產自於海相沉積地層的石灰岩層裏。由於地質作用的關係,造成石燕的石灰質(碳酸鈣)成分被保留下來。於是跟龍骨一樣,主要成分是碳酸鈣的石燕,也被用來作為中藥材囉!

唐劉禹錫的「陋室銘」說到:『山不在高,有仙則名,水不在深,有龍則靈』。所以根據這個精神,古人將碳酸鈣為主的龍骨、石燕大量入藥,往往迷信其有仙有靈,或可以帶來不可知的神效之助。今天我們則知道,藥裏頭加入的龍骨、石燕一類,其作用也就是碳酸鈣所能帶來的療效。所以,費雪要總結一下,科學倡明的今日,大家就不要迷信了,龍骨無靈,石燕不飛!