文 / 李界木(仰山文教基金會顧問)
南澳溫泉(參見南澳北溪河邊的野溪温泉)
- 獨特的蘇澳冷泉
世界著名的冷泉:蘇澳冷泉
蘇澳冷泉位於蘇澳鎮中心,整個冷泉區主要可分為阿里史冷泉和冷泉公園兩處,兩者均位於冷泉溪上(此段溪面已加蓋),相距不到兩百公尺。阿里史冷泉開發規模較小,有公共戲水池區和男女公共浴池。冷泉公園開發規模較大,有戲水池和家庭式沐浴池。
長年恒溫22度C的蘇澳冷泉,是全台唯一恆溫碳酸氫鈉泉,與義大利的西西里島冷泉為世界著名的兩處冷泉。蘇澳冷泉屬於中性碳酸氫鈉泉,水質清澈透明,可飲可浴。蘇澳冷泉的最大特色為水中含大量二氧化碳,形成許多汽泡,故曾是台灣地區最早被利用來製造汽水的水源。泉水湧出地面時,溶於水中的二氧化碳減壓析出並膨脹吸熱,促使水溫降低,故得以形成冷泉。泡浴其中,先冷後溫及汽泡爬身的感覺,十分特殊,故能遠近馳名,讓許多好浴者慕名而來。
冷泉之形成必須具備兩大要件,一是豊富的地下水,二是能產生大量二氧化碳的岩層。蘇澳地區豊沛的雨量,配合地層中極厚的石灰岩,正提供了這兩大要件。此外,蘇澳冷泉的水源儲藏在節理發達的板岩裂隙中,加上岩層內部熱力作用,使得這些含有二氧化碳之水源,沿著節理構成之裂隙上升,形成冒出的泠泉。
蘇澳冷泉分布於南蘇澳山、小大白山以北之山地,岩性以灰暗色至黑色板岩及硬頁岩為主,偶夾薄層細粒變砂岩,並在層中發現有孔虫化石,故推測本岩層的年代可能是中新世中期。
冷泉的成因和溫泉差不多,首先要有豐富的地下水,其次是地下岩層要有裂隙,第三是地下水面有高度差使地下水能循環至地下深處,以便能獲得溫度和溶解大量的礦物質再回流至地表。蘇澳冷泉的來源為附近山區的地下水,蘇澳市中心周圍群山圍繞,下雨時山區的雨水滲入地底下,地底下的泉水受附近高山靜水壓力的作用,沿地層中發達的裂隙下滲到地下深處,再回流至冷泉溪、蘇澳溪等河谷低窪地區附近,形成多處自然的湧泉。蘇澳地區地底下的岩層含輕度變質的石灰岩,石灰岩的主要成分為碳酸鈣,碳酸鈣被分解後會放出二氧化碳,分解碳酸鈣的主要營力為地底下的熱,其基本化學反應式為碳酸鈣中的碳酸根被二氧化矽置換,碳酸鈣變成矽酸鈣並產生二氧化碳。地質學者推測數百萬至數千多萬年前,此區域可能是在一個淺水海域區,豐富的生物遺骸以及海水的蒸發作用容易造成碳酸鈣沈澱,在海床形成石灰岩層,碳酸鈣越積越厚,加上之後砂、泥等沈積物不斷的堆積,石灰岩層被埋的深度也越來越深,深埋的石灰岩受地底下高溫的作用,於是發生上述的化學反應。
由於冷泉中含有大量的二氧化碳氣泡,因此初下水時,雖然會有冰冷的感覺,但隨著氣泡凝結在身體上,身體也會漸漸跟著暖和起來,這是因為氣體是一個非常好的隔熱物質,當泡在水中的身體佈滿氣泡後,身體的熱量便不容易擴散到水中,水中的寒氣也不會侵入體內,因此不管夏天或冬天均可見民眾在冷泉中浸泡。
早期發現天下奇泉的由來
蘇澳冷泉區位於蘇澳北方,即蘇北里冷泉路七星山嶺西側(海拔228公尺)山腳地帶,蘇澳火車站,正前方約三百公尺地方。號稱天下第一泉,也為東南亞獨一無二的低溫碳酸礦泉冷泉。西元1928年,日人無意喝下泉水,竟精神百倍,便著手研究冷泉其成份,研究結果更證實,冷泉對人體有特殊的醫療效果,而當時的日商,還於冷泉區內的七星山下,開設台灣第一家汽水廠:七星涼水廠,生產「彈珠汽水」(那姆內)。
相傳冷泉早期未被發現前,蘇澳地區人士誤為有毒之水不敢冒然接近,直到日治時代(民國前十九年)日本軍人竹中信景因軍旅行動,走至七里山下時口渴異常,見一湧泉喝下後精神百倍,而深感好奇,因當時民智未開,地方人士多認為這種泉水有毒,並常發現有蟋蟀、蚯蚓等昆蟲死在泉水中,誤認這種泉水有毒不敢靠近。事隔多年日人竹中信景,解甲後到蘇澳鎮定居並著手研究冷泉的成分,結果証實冷泉不但沒有毒性,還可以製成清涼的飲料及汽水。在此之前日治時代,台灣第一任總督樺山於1862年,赴現今南澳鄉探險時,曾經到蘇澳冷泉中洗澡,當時他覺得受冷泉刺激後,身體感到無比清涼。後發現冷泉確實具有特殊的醫療效,再經多年的研究証實,冷泉對身體病痛有相當多的療效,因而延續至今也為蘇澳鎮鎮民引以為傲之處。
- 優質的宜蘭湧泉
優質的宜蘭湧泉
居住在宜蘭的人都知道,宜蘭幾乎沒鬧過水荒,氣候俗諺有所謂的「竹風蘭雨」,指的就是宜蘭是個時常下雨的地區,多雨是宜蘭的氣候特色,雨水下到地面,一部份匯集到河流,流入大海,一部份蒸發回到大氣,其餘除地表的生物利用外,便滲入地底下,成為豐富的地下水。這些地下水因宜蘭平原地下的特殊地質結構,在許多地方上湧至地面,成為天然的湧泉,因此,既使多日無雨,台灣其他縣市已開始憂慮水源不足,宜蘭地區憑藉豐富的地下水,仍足夠供給宜蘭居民日常生活所需,大量的水源是宜蘭優質生活環境重要的原因之一。
地下水出自地形面與地下水面相切之處,所自然滲出的水,謂之湧泉。由於宜蘭平原的西北部,有匹亞南斷層自東北向西南斜貫,形成礁溪斷崖,斷層形成的落差,導致由北而南,沿斷層線形成一串的沖積扇,加上西南兩面的中央山麓之沖積扇,其扇頂和扇央的透水性均相當大,由於宜蘭地區雨量充足,這些滲透入地的地下水或伏流,即隨坡流至扇端,而在扇端一帶常易受壓而形成湧泉,也使得宜蘭平原成為重要的礦泉水出產地。即所謂湧泉帶(spring belt) ,在沖積扇地區堆積物粒度大,透水性大,地下水深,潛流由扇端湧出,稱為湧泉帶。
其因是扇頂附近既然堆積了顆粒較大的砂礫,其地層的滲透率就比較大,地表水容易滲入,因此常可見山區的溪流進入平原後往往就消失不見了,溪水潛入地底下,變成地下水流動,在礁溪、頭城一帶的福德溪、猴洞溪、得子口溪等溪常可見這種現象,山上潺潺的溪水一進入平原馬上就不見了,進入地下以後的溪水,並非靜止不動,由於沖積扇,從扇頂至扇端仍有坡度,滲入地表的溪水會在地底下沿地形坡度往扇端流動,當水流遇到細沙或泥等滲透率較低的區域時,容易受阻而上升流到地表上來,此自然流出地表的地下水稱為湧泉。因此湧泉形成的條件主要有三個,源源不斷的地下水、有坡度的地形以及地層的岩性往下游要漸變成不透水性的泥質沈積物。宜蘭平原的地下結構符合湧泉的形成條件,因此有湧泉的現象發生。
住在靠近蘭陽平原山區的居民應該有一個共同的印象,不管是小時候或是現在仍常可看到婦女蹲在水岸邊或站在溪裡清洗衣服,其實洗衣的場所與其說一條溪還不如說是一條小水溝或是小水池,因為它的寬度經常不到兩公尺,長度可能也只有數公尺,大致可容納數個婦女同時洗衣,居家婦女們在此一邊洗衣,一邊閒話家常,成為一個交換生活經驗的社交場所。這種洗衣的特定場所:小水池常出現在山邊低窪處、田埂旁的水溝或住家附近的小溪河,較有計畫的社區常在水道的兩側用幾塊大石塊堆積起來當洗衣板,也有用水泥將水道圍成一小水池,池底鋪設鵝卵石,方便婦女洗衣、洗菜或小孩子玩水,產蔥蒜的員山、三星等水池作為清理蔥蒜的工作坊,而水池上方有時也會搭蓋個屋頂,可遮陽擋雨。
湧泉成為湧泉帶區居民洗衣吃喝全靠它。且浣衣空間則是婦女們社交的場所,居民取水烹茶,茶味芬芳,勝常百倍,也常會是淡水魚養殖場所,近成為飲料水, 釀造、釀酒、養香魚、養大閘蟹的好場所。在頭城則有由武營溪、福德溪、金面溪、猴洞溪等沖積而成頭城沖積扇,在其扇端,水自然滲出而成湧泉,頭城鎮成為重要的礦泉水出產地。悅氏(Yes)飲料水公司就位在此區。深溝淨水廠有珍珠湧泉,其附近有金車公司出的波爾礦泉水,威士忌,蘭花,員山另有大湖湧泉, 阿蘭城湧泉等的香魚和價昂的養殖資源。三星鄉大隱村與冬山鄉柯林村交界處之柯林湧泉圳,利用具有豐富天然湧泉水施作生態化功能水路,融入社區總體營造理念,建造親子多樣化活動設施,提供遊憩景點。冬山的松樹門湧泉和游泳池。遠在東澳國小旁的東岳湧泉也可享受湧泉的清涼。
- 永不枯竭的資源:地熱(Geotherm)
位在變質岩帶的宜蘭地熱
地熱就是泛指這種地球內部所蘊含的巨大熱能。地熱是存在於地球內部的熱能,使得地溫隨深度而增加,而熱能也會經由地球內部傳送至地表消散。地球原是一個熾熱的星球,其外表雖然覆蓋一層薄薄的冷殼,但是內部溫度非常的高,一般推測地球核心的溫度可能高達6,000℃,外核約4,500℃-6,000℃,外地函約5000℃—4,500℃,而最外層的地殼則平均每公里亦有30℃的地溫梯度(地溫梯度就是大約每下探一公里,溫度上升攝氏30度)。在地殼破裂的地方,也就是板塊構造邊緣,由於地殼板塊互撞或裂漲,造成火山活動或岩漿侵入,以致區域性地溫升高,大量熱能傳到淺部,可供我們開發利用,就是所謂的「地熱能源」。
地球內部所蘊含的熱能雖巨大無比,然而以目前的技術,我們尚不能任意開採,只能開發地殼淺部地溫梯度異常高的地點的地熱資源。將來如果技術更進步,可開發較深的地熱時,則熱能源源不絕,故地熱能源常被稱為永不枯竭的資源。
當雨水降至地面,並滲入為地下水,再經斷層或裂隙深入地下,經地熱加熱後,大部分熱水儲存在滲透性良好的儲集層,如砂岩或裂隙岩層。小部分熱水再循環上升,湧出地表,形成溫泉或噴汽孔。熱水在儲集層時因受到蓋層的阻擋,會滯留在儲集層內,並在此發生對流作用。蓋層為一緻密不透氣的岩層,通常是沈積岩及火成岩,因為不發生對流作用,故其中溫度梯度很大。我們可想像此地熱儲集構造是熱源在下、儲集層居中、蓋層在上、地下水由側面補給,恰似一個天然燒開水的茶壺。
台灣位於板塊活躍地帶,板塊碰撞和隱沒作用除了在台灣北部形成大屯火山群,同時也把埋在深部較熱的地層擠出地表,形成中央山脈的變質岩區,大屯火山群後火山活動的熱量和中央山脈變質岩中殘餘的熱量影響地表淺部的溫度場,使台灣本島的平均地熱流(單位面積、單位時間內從地底下流出地表的熱量)比全世界一般地區高出約1.5倍,高熱流的效應加上適當的地質條件,使台灣山區溫泉四處林立,充滿地熱開發潛能。
台灣通常被認為缺乏天然資源的地區,但其實地熱能源的蘊藏卻很豐富,地熱能源的特性,除了污染性比石油低、對環境的衝擊比較小外,形成地熱的岩體,熱量散逸慢,可長時間維持溫度,因此地熱能源也常被稱為永不枯竭的資源,在適當的開發下,地熱田的壽命可維持上百年(如義大利全球首座的地熱發電廠已超過一百年),而一般油田的壽命只有數十年,開發地熱有助於減輕人類對石油能源的依賴,並且可發展觀光事業,促進地方的繁榮。
「地熱區」是指具有明顯地熱徵兆的區域,例如溫泉、噴泉或噴汽孔地區;或是有高溫岩石分佈的區域稱之。宜蘭變質岩區(清水、南澳等地) 都有近百度高溫的熱水露頭,是地熱蘊藏豊富地區。
根據普查及探勘,台灣主要地熱區有26處,如大屯山區、清水、金崙、廬山、土場及知本等。
台灣各地地熱資源個別儲集層蘊藏量不大,目前的開熱發電,以熱液水利用為主。未來應朝熱岩資源利用及多目標利用發展。地熱資源的種類包括三種:
- 熱液資源:係指在多孔性或裂隙較多的岩層中,儲集的熱水及蒸汽。這是一般所謂的地熱資源,業已開發為經濟性替代能源;
B.熱岩資源:係指淺藏在地殼表層的熔岩或尚未冷卻的岩體,可以人工方法造成裂隙破碎帶,注入冷水使其加熱成蒸汽和熱水後回收利用,深層地熱開採正在開發中;
C.地壓資源:係指在油田地區較高溫的熱盬水,受巨大之地壓而形成。通常僅出現在尚未固結或正在進行成岩作用的較深部沈積岩內。
河床上的清水熱水露頭
清水地熱位於宜蘭市西南方約30公里處,從國5道高速公路羅東交流站下,東行穿過羅東市區接台7丙線,經三星、天送埤、長埤湖至清水橋前左轉小山路,約再行5公里即可在路邊看到地熱電廠,以及清水溪河床上冒著大量蒸汽的熱水池。另外,也可以在宜蘭交流道下,東行穿過宜蘭市區接台7線,往員山、大同方向,沿蘭陽溪北岸過大同鄉公所後,在泰雅大橋左轉,於天送埤轉入台7丙線,並沿上述路線繼續前行即可。
宜蘭縣的清水地熱以河床上的熱水露頭聞名,露頭為一直徑約五公尺的熱水池,熱水終日沸騰,遠處即可看到一股白色的蒸汽竄升至山腰,每至假日總是吸引大量遊客前來尋訪,是宜蘭縣重要的旅遊景點。
地熱能源的經濟用途,包括發電和熱能直接利用二種方式。一般而言,地熱能源最主要而有效的用途就是發電。地熱發電的基本原理乃利用無止盡的地熱來加熱地下水,使其成為過熱蒸汽(superheat steam)後,當作工作流體(working fluid)以推動渦輪機(turbine)旋轉發電。換言之,即將地熱轉換為機械能,再將機械能轉換為電能;這種以蒸汽來旋轉渦輪的方式,和火力發電的原理是相同的。不過,火力發電推動渦輪機的工作流體必須靠燃燒重油或煤碳來維持,不但費時且過程中易造成污染;相反的,地熱發電等於把鍋爐和燃料都放在地下,只需將蒸汽取出便能夠達到發電的目的。
清水地熱區位於台灣亞變質岩區之東北端,地質上清水地熱位於中新世廬山層的板岩內,廬山層在本區可再細分成清水湖段和仁澤段,本區的主要斷層有三條:牛鬥斷層、古魯斷層和清水溪斷層。廬山層由下而上可分為古魯段、清水段及仁澤段,其中以仁澤段夾較多之變質砂岩。
清水地熱區即出露在仁澤段上(仁澤段以淺灰色至灰色硬頁岩或硬頁岩與薄層變質砂岩的互層為主,標準地點在仁澤溫泉附近,碼崙溪中游、田古爾溪與土場溪下游),以硬頁岩與砂岩的薄互層。岩層中有廣泛的等斜褶皺。清水地熱區的褶皺及斷層的主要延展方向,均呈東西或是東北走向,推測其最大應力軸方向為南或東南方向之水平擠壓力,並由剪力形成與地層走向大致垂直的節理面。清水附近節理走向以西北—東南走向為主,傾向接近垂直,且與蘭陽溪各支流約略平行,故可推測附近各支流河谷所出露的溫泉應是地下熱水經由節理或斷層所造成的破碎帶上升至地表而形成。清水溪斷層呈西北-東南向沿清水溪發育,清水地熱即位在清水溪斷層上,地熱區的地層為一大背斜構造,背斜兩翼往高山方向延伸,地層傾角大都在50度以上,高傾角有利於地下水由地表滲入深部,被加熱的地下水再沿斷層帶流回淺部。
由鑽探經驗得知,在清水地熱區,當地熱井鑽遇地層破碎帶時才能獲得大量熱水和蒸汽,可見破裂帶和儲集層應該息息相關。由於已鑽探成功的地熱井,均位於仁澤段以砂岩為主的層次中;於野外所發現之破裂帶,也是位於仁澤段裡,因此可以推估廬山層的仁澤段,可能為主要之熱液儲集層。雖然仁澤段中砂岩,均甚緻密,但由於破裂所產生之次生孔隙可能很大,足夠儲存大量熱液。由此觀之,廬山層仁澤段之分佈區,即可能為地熱的潛能區。(清水及土場皆位於仁澤段內)
清水地熱(石門溪)位在宜蘭縣大同鄉的溪谷之間,是由地下冒出的地熱泉,水溫高達攝氏95度,為帶有硫磺味的鹼性溫泉。清水地熱旁有一條清澈小溪,沿途布有岩石及綠潭,加上地熱水煙瀰漫,猶如人間仙境般優美。因地熱泉溫度過高並不適合浸泡,但山嵐景緻秀麗,有許多遊客於假日時到此野餐,並用泉水煮食雞蛋、玉米、芋頭及蕃薯等食材,是相當熱門的景點之一。
清水地熱位於大同鄉清水村南側的清水溪谷中。遠處的青山加上地熱噴出裊裊白煙,構成一幅頗為動人的鄉土風情畫。地熱泉源由地下冒出,水量甚豐,屬鹼性泉,泉質微黃而略帶硫磺味,呈滾騰狀。另在清水溪上游,有一處人煙鮮至的石門峽谷。循清水溪谷,涉水入山,沿途風景雄奇壯麗,加上四周的岩石環伺,形成多處清澈,見底的深潭,堪謂人間仙境。今後交通狀況略加改善,則可取代武荖坑地位,成為酷夏戲水消暑的最佳去處,是一極具旅遊潛力之景點。
全台第一座的地熱發電廠:清水地熱發電廠
在各種新替代能源中,地熱能源無論在技術上、經濟上及時間上,都比其他新能源的研究開發更容易在短期內獲得成果。世界各先進國家開發利用地熱能源已有數十年歷史,主要是運用在發電用途上。基於能源的耗竭及工商業發展的需要,相信地熱發電未來仍將以驚人的速度持續大幅成長。而近年來更積極發展農業、工業、觀光理療等多目標直接利用,包括各項不同溫度範圍的用途。以鄰近亞洲的中國、日本、印尼及菲律賓最具代表。
清水地熱發電廠(Cingshuei Geothermal Power Plant),位於台灣宜蘭縣大同鄉復興村與三星鄉員山村交界,蘭陽溪的支流清水溪右岸,於1981年開始運轉,為台灣第一座利用地熱能發電的地熱發電廠。後因地熱井結垢阻塞,管線鏽蝕,於1993年11月關廠。
2002年起政府重新探勘,並評估修復地熱井。2016年宜蘭縣政府進行招商,2017年由台灣汽電共生公司及結元能源開發組成的「宜元股份有限公司」得標,第一期4.2百萬瓦(4.2MWe)於2021年11月23日開始商轉。清水地熱發電廠從地底下900公尺到3,000公尺處汲取攝氏160至180度的高溫地熱流體,經由熱交換原理發電,機組發電後的地熱尾水隨著管線輸送至回注井,送回地底,整個發電過程僅透過「取熱不取水」之方式,運轉過程幾乎無碳排、無水資源的損耗,讓電廠達到永續運轉,且幾乎無污染。
清水地熱發電廠,2018年8月開始發電,每小時生產約250度電力,發電量可供清水地熱公園全區使用,是台灣首座24小時自主發電的觀光園區,目前發電量可供應50戶民宅一年所需。第2期新井鑽鑿,預計將裝置容量從4.2MWe提升到9.5MWe。
日本、菲律賓為亞洲最早利用地熱發電的國家。日菲與台灣地理環境相類似,同處於太平洋板塊與歐亞板塊間之火山活動帶上,因此日菲對於地熱資源之開發不遺餘力,除遍佈國內的溫泉外,發電技術之應用亦極為蓬勃。值得一提的是,日本九州電力會社發電用的地熱井,至2001為止都是聘請台灣的中油探勘隊負責開挖。
台灣與日本同樣具有溫泉遍佈全國的現象,若能妥善運用地熱資源,除可供發電外,也可朝多元化利用為目標,譬如暖氣空調、農業栽種、漁業養殖等,預估皆可獲得不錯的成效,同時提高地熱能的經濟再利用價值。另外,最近冰島與德國能源業者已簽署合作方案,將自高溫600℃的地下鑽取熱能以發電,再經由北海的海底電纜將電力傳送到英國與歐洲大陸,據估其電量可供歐陸的150萬個家庭使用。
1981年4月在國科會贊助下,清水建造國內第一座3000千瓦地熱發電廠,試車後於1981年9月移交台電營運。該地區原有生產井七口,每小時共可生產熱水約500公噸,其中約75公噸可以轉變成為蒸汽。該試驗電廠每小時需350公噸熱水,其中約50公噸可以轉變成蒸汽供發電使用,每小時最高發電量為2100千瓦。然而到1989年6月間,熱水總產量已降至每小時105公噸,其中約26公噸轉變成蒸汽,僅能發電500千瓦左右。探究其原因並非水源枯竭,而是深部熱水溶有大量二氧化碳,當熱水上升至井口附近時,由於壓力下降,熱水中二氧化碳大量逸出,ph值升高與碳酸鈣過飽和,結果在井口、井壁、或生產裂隙內產生碳酸鹽沉澱,堵塞通路,降低產量。基於成本考量,在1983年11月15日已停止作業。近年來,蘭陽地熱公司與宜蘭大學合作,在此試驗開發,成果不錯。
總結,過去清水地熱發電失敗原因:
機組選用不當;單閃滑輪蒸氣發電機;未做尾水回注;結垢問題嚴重:主由解壓造成碳酸鈣過飽和沈澱。
- 宜蘭地形特徵:多溪河
河川密布的蘭陽平原,從發源的高山到入海到低地,落差甚大、流短水急,故常常氾濫成災,在河川的上游常可見到瀑布及峽谷,順流而下到中游時,則可見到由泥沙堆積出的沖積扇,等到了入海的下游河口,則是另一番濕地及砂洲之美。在蘭陽平原諸多河流中,以蘭陽溪最具規模,也因為這條溪流將蘭陽平原分割為溪南及溪北二區域。
