撰稿 / 許芷辰 (科學推展中心特約編輯)
審訂 / 郭陳澔 教授 (國立臺灣大學地質科學系)
在全球朝向淨零排放的時代，地熱能不受天候影響24小時運作，是能成為穩定供電的少數綠能之一。其中能量密度更高的超臨界地熱（supercritical geothermal）更是受到矚目。然而，探尋超臨界地熱的潛在位置仍是一項艱鉅的挑戰。臺灣大學新碳勘科技研究中心與日本東京大學工學院共同開發新穎地熱探勘技術，結合三維震波成像、震波速度模型與人工智慧微震監測技術，成功繪製出日本九州九重火山深部罕見的三維熱流體系統影像。
超臨界地熱流體（supercritical geothermal fluids）X臺日團隊研發探勘技術
在當今全球能源轉型的浪潮中，再生能源的角色愈加重要。太陽能與風能雖具備潛力，卻常受制於天候。相比之下，地熱能的最大優勢是可以24小時穩定運作且不受季節或天氣影響。
然而，未來地熱發展的希望，不在於淺部熱水或溫泉，而在於地底深處且靠近岩漿環境的超臨界地熱流體（supercritical geothermal fluids）。它密度像液體卻不是一般的熱水，黏滯性像氣體穿透性佳但也不是蒸氣，而是一種同時具備液體與氣體特性的「第三狀態」。科學家估計超臨界流體的能量密度，可能是傳統地熱的五到十倍，這讓包含日本、美國、紐西蘭與冰島在內的許多國家，都把它列為次世代綠能的重要目標。
超臨界流體存在於地底極深且極高溫的區域，具有難以偵測、確認位置及鑽探等特性。多數高溫地熱系統靠近火山，往往受制於火山地形複雜及地層非均質性高等問題，無法有效布設密集震源與接收器，常造成影像解析度不足等問題。
國立臺灣大學新碳勘科技研究中心及地質科學系郭陳澔教授與日本東京大學工學院合作，開發超臨界地熱探勘系統，團隊成功在日本九州的九重火山（Kuju volcano）完成高解析度的三維震波探勘，並首次描繪出九重火山深部超臨界流體的封存、突破與遷移。研究成果發表於國際頂尖期刊《Communications Earth & Environment》。
脆韌轉換帶（brittle–ductile transition）與三維反射震測（3D reflection seismic）
雖然前面提到找到超臨界地熱流體的位置富有挑戰，不過目前研究文獻普遍指出地殼中的脆韌轉換帶（brittle–ductile transition, BDT）位於「壓力高、溫度高、裂隙封閉」的深度，易形成低滲透封存區（low-permeability seal），深部熱流體在此被區困住並加壓，就容易達到超臨界條件。所以若我們能探勘到BDT在地底下的位置，就很有機會找到超臨界地熱可能位置，進而推算最佳的鑽井地點。
如前一段所說，火山地區的地下探勘會因為地形與溫度有所限制，傳統的三維反射震測（3D reflection seismic）理論上需要有「整齊的接收器陣列」以及「相對均質的地層」，使得接收到的反射波較純粹而易於分析。不過，這次研究團隊嘗試結合先進的 三維成像（migration）技術，利用演算法處理複雜波場以還原地層。
三維反射震測揭示深部存在一個「清楚的水平反射面」，代表地層界面清楚，很有可能代表該處存在低滲透的封層（low-permeability seal）。除此之外，又發現該處有一個透水窗口（permeable window），為低滲透封層內之液體提供出口。
三維震波速度模型（3D seismic velocity model）與AI 微震監測技術
為了進一步確認前述發現的透水窗口（permeable window），團隊利用三維震波速度模型（3D seismic velocity model）分別測量P波及S波的速度（Vp及Vs），並計算P波及S波比值（Vp/Vs），高比值代表高壓液體，低比值代表氣體或高溫裂隙，兩者過渡帶稱作「相變區」。也就是說，在透水窗口的上方，有一個因相變化（超臨界熱液突然汽化）而形成的低Vp/Vs帶，即是熱液上升時壓力降低、發生汽化的證據。
除此之外，郭陳澔教授主導的研究團隊主要負責人工智慧(AI)微震監測技術，他們所建立的AI微震資料處理系統，能從大量連續波形資料中辨識、定位、並分類微弱的地震訊號；同時結合震波層析成像技術（seismic tomography）(類似醫學斷層掃描)，重建出高解析度的三維地底震波速度構造。
地底深部熱流體的遷移會改變地層孔隙壓力，並引發微小的地震，這些微弱震動都會透過地震儀在波形資料上留下紀錄。當熱液突破蓋層並上湧到較低壓的淺部時，裂縫會被撐開且水會汽化，微震會像雨點般沿著裂縫帶被觸發。這些精準定位的微震最後形成一幅立體的深部裂隙網絡圖，讓研究團隊能追蹤流體如何穿越透水窗口、在哪個深度發生相變化，甚至判斷哪些地震是由流體壓力造成，哪些則由構造應力主導。
圖2. 架設地震儀，監測微震。
BDT 本身不能直接被「看見」，但可以從「微震的消失」被推測出來。因為岩石在 BDT 以下不再以破裂方式變形，因此不會產生微震。臺大製作的高解析微震目錄，讓研究團隊可以非常精確地界定「哪裡有微震、哪裡突然沒有」，這個過渡深度正是 BDT，它也是本研究中被視為可能儲存超臨界熱液的深度區間。
結語
這篇論文最大的突破，是第一次以三維方式，完整揭示超臨界熱液在地底深部如何被封存、突破蓋層、上湧、以及如何相變並誘發微震。而臺大團隊的 AI 微震監測技術，使得本來難以辨識的弱震訊號得以重建，讓整個深部系統變得可觀察、可分析、可推論。
未來深層地熱開發或許仍需克服材料、工程與環境等難題，但至少從這篇研究開始，我們已經能夠「看見」深部熱流體如何活動。對地熱開發而言，這不只是一項技術突破，也是邁向次世代綠能的關鍵一步。
參考資料
[1] Takeshi Tsuji1*, Rezkia Dewi Andajani, Masafumi Katou, Akio Hara, Naoshi Aoki, Susumu Abe, Hao Kuo-Chen, Zhuo-Kang Guan, Wei-Fang Sun, Sheng-Yan Pan, Yao-Hung Liu, Keigo Kitamura, Jun Nishijima, Haruhiro Inagaki, 2025. Supercritical fluid flow through permeable window and phase transitions at volcanic brittle–ductile transition zone, Commun. Earth Environ., 6, 752, https://doi.org/10.1038/s43247-025-02774-4.
