從地心竄出：頁岩革命的代價

美国页岩油革命，撼动市界原油生产的版图，但到底什么是页岩油？ 图／法新社

如今我们能生产的天然气，比地球上任一国家都还多。

——美国总统欧巴马

过去十年，页岩油气的开发生产，让美国在近两、三年来逐渐从早前的能源进口大国，一举跃居全球前两大原油及天然气生产国，能源自给自足，甚至反成为出口国。这样转变不仅改变了美国的能源产业和外汇结构，更造成全球油价动荡（参见：美国页岩油革命，国际油价风云变色），影响世界战略局势，并冲击以美国为主要出口市场的国家。

到底现在让美国左右着世界能源局势，被称为「非传统」的页岩气和页岩油是什么? 而当我们拥抱这项新技术的同时，又可能面对怎么样的环境代价？

「如今我们能生产的天然气，比地球上任一国家都还多。」欧巴马说道。 图／路透社

▎什么是页岩气和页岩油?

油页岩是富有有机物、颗粒细致腐泥的沉积岩层，分布于世界各地。 图／美联社

页岩油气主要来自于「油页岩」。油页岩生成于古代海洋和湖泊的层积物堆叠，形成富含有机物、颗粒细致的腐泥、腐植沉积岩层，存在于各地质年代的地层，并分布于世界各地。在造岩过程中，受到高温高压分解的有机物，成为成油物质，蕴藏在沉积页岩层的裂缝和孔隙里面。大多数的油页岩蕴藏带，都只有天然气，没有石油。注1

过去，油页岩已知可被作为燃料和油源，但相较于传统的石油油场和天然气开采场的高油气含量、高渗透率和高孔隙度注2，这些蕴藏于油页岩中的石油和天然气，因为其渗透率和孔隙度极低，一直以来生产过程困难且昂贵。

从1970年代开始，美国一直有在试验开采油页岩，但要一直到2005年，结合了「水力压裂」（Hydralic Fracturing；简称fracking）和「水平钻井」（Horizontal Drilling）的革命式新开采技术，才真正让油页岩的开采一夕翻身。

与此同时，美国《安全饮用水法》（Safe Drinking Water Act, 1974） 和《2005年能源政策法》（Energy Policy Act of 2005）豁免了所有水力压裂的相关禁令，页岩气的开发正式全面起飞。

过去开采页岩气技术不纯熟，生产过程困难且昂贵。 图／法新社

▎页岩气和水力压裂法

那「水力压裂」与「水平钻井」究竟有什么神奇之处？

传统的钻油井，一般都是垂直向下钻，水平钻井则可让钻头在钻到一定深度后，朝不同方向横向钻探，意即在地表上设立一个钻油站，地底下垂直钻到油页岩层的深度，再往平行页岩节理的方向横向伸展（成圆盘状），钻探周围大片地区。

横向钻入后的下一步，则是透过水力压裂法先垂直打洞、破坏岩层节理，再注入含有沙粒和超过两百六十种化学添加物的高压水力，让坚硬岩层裂开，越多越好。接着把水抽回，水中沙粒在把水抽出来的过程中，会卡住裂缝，留下难以计数的细小缝隙，以利页岩气收集——由于页岩气必须在几乎不具渗透率的环境，才能生成，取得难度非常高，进而也拥有极高的环境风险。

注入地底下、用来压裂油页岩的高压水力，必须加入化学物质，以利水中作为支撑剂的砂砾均匀分布，使其成胶状，减少摩擦力，而在压裂过程结束之后，再破坏胶状结构成为液体回流。高压水力在减压被抽回之后，则会夹带大量地层中的辐射物质和重金属。

虽然许多国家（如：中国、俄国、阿根廷）都有丰富的页岩气或页岩油藏量，但受限于技术不够成熟、地理环境因素限制、能源产业结构以及下列将提及的环境风险等等，让目前页岩气的开采，「专属」于美国。

开采页岩油的特殊水平钻井法，在地底下垂直钻到油页岩层的深度后，可往平行页岩节理的方向横向伸展，所能触及的范围更大；图为加州蒙特雷探勘井。 图／路透社

▎巨大获利后的环境成本

过去五、六年美国页岩气的大量增产，消费者剩余因为天然气价格下降而增加（例如以天然气发电的电力和暖气价格下降，以及成为许多工业生产过程价格较低的能源来源），页岩气生产商以及整个页岩产业因此从中获取巨大利益。

页岩气的生产让美国能源得以自给自足，降低对外进口能源的依赖，减少供应链可能的不稳定性和干扰，对国家安全有正面效益。

此外，比起石油和煤，页岩气天然气在同单位的能量产出，所排放出的二氧化碳量和空气污染物较少。但尽管如此，随着页岩气技术的开发，越来越多严重的负面环境影响也随之浮现，也因此页岩气产业从开始达到商业化规模之初，便已受到许多团体——例如纪录片《天然气之国》（Gasland）和好莱坞演员马克‧鲁法洛（Mark Ruffalo）——强烈且尖锐的抨击。

开采页岩气、油所产生的负面影响，主要有下列几项：

环保组织《绿色和平》在伦敦西敏寺附近模拟页油田探勘跟开采，以此示威抗议页岩油开采对地球地景、土壤跟水源所产生的负面影响。 图／欧新社

▎自然栖地破碎

一个典型的页岩气钻井站，约占地四到五公顷，包含各种加压水泵、机械设备、天然气储藏设施、运输水、化学添加物和砂粒支撑剂的卡车等等，但不含废水储存槽所占用的面积。若将废水储存槽的面积算进去的话，生产页岩气所需土地面积可达上述所说面积的至少两倍。

依据各州规定，天然气井和井的间隔，大概是160公顷到640公顷。有些时候，还可以申请许可，在井和井中间相隔四十公顷处，再开挖，也因此许多页岩气蕴藏带的开发，可谓是超高密度——2015年，美国有约一百七十万口的页岩气和页岩油井，开采区平均每1.75平方公里就有一口井。美国总统欧巴马也曾骄傲地表示：

我们钻遍了美国各地！

一般而言，这些钻气井的产出量年年剧烈下滑，大概到第十年，产量已极少，因此需要一再地扩张开采区和页岩气井的数目。这些钻气站和井跟井之间，有缜密的道路连结，以利卡车运输，再加上大面积的废水储存槽，都需要大量的土地使用，造成野生动物的栖地和自然生态的破碎化（fragmentation）。

自然生态的破碎化包含生物多样性流失、影响生物迁徙路线、掠食，以及人类非法盗捕增加等等。更甚者，这些钻过页岩气的大片土地，几乎不会再做任何利用。

一个页岩气钻井站，约占地四到五公顷，包含各种加压水泵机械、天然气储藏设施，若加上废水储存槽，开采场面积则再翻倍。图／路透社 图／路透社

位于美国科罗拉多州皮甲斯盆地的实验性页岩油开采设施，为世界第二大石油公司——荷兰壳牌公司（Dutch Royal Shell）——所拥有。 图／美联社

▎水、土污染：会起火的水

机具运作、页岩气处理的过程和卡车，皆会造成噪音和空气污染。空气污染物质包含悬浮微粒、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳以及非甲烷有机化合物，另外还包含从废水池蒸散的挥发性化学物质，以及各种操作上的外漏、蒸散和排放。

用水力压裂法取得页岩气需要的用水，为传统钻油井的十倍，在水力压裂的过程中，可能产生的水污染包括腐植泥（质）溢出、废水回流、地面上活动液体外漏（含废水水管、技术失误），以及地层结构上自然的和人为的外漏。

此外，减压回收非常大量压裂液体，混砸了水、重金属、甲烷、以及其他化学物质，这废弃的压裂液体如同其他尾矿渣一样需要妥善处置。地下水污染（透过外溢、意外、压裂液和甲烷侵入）常是页岩气和水力压裂法最受抨击之处。

许多在不同钻井处的抗议接踵而来。在德州一个城镇Dish，除了不停的噪音、钻地震动和刺鼻气味外，许多关于居民生病和动物死亡的案例相继发生。2010年，该市市长特别指示独立顾问公司研究当地受页岩气开采之后的空气品质，结果报告指出，空气中确实有高浓度的致癌物质和神经毒素，会对人体造成短期和长期的健康影响。

特别令研究团队担心的，还有不明原因的幼马重病死亡。在许多地方，人为的疏失和意外也层出不穷，例如：起火的废水、外泄的有毒废水跟甲烷（甲烷的分子的暖化效果约是二氧化碳分子的25倍，且会存在大气中一百年）等等。甚至还有住宅因屋里水系统被甲烷污染而爆炸的案例。

若干报告也指出，上千件有纪录的案例，直指民生用水里混杂的甲烷浓度，和当地页岩气井的密度呈正相关，这也是为什么很多民众对开发页岩气负面影响的第一印象，就是打开水龙头之后的水会起火，以及森林田野间燃烧的小池塘。

大部分废水外泄、民生用水和地下水污染案件，负责的公司却都只以罚款作为处分。

页岩气开采可造成大量甲烷外泄，其分子除了会造成比二氧化碳分子高25倍的暖化效果外，其他受污染的空气亦可能含有高浓度的致癌物质和神经毒素。图为美国土地管理局于加州油厂附近检测油苗（oil seed）。 图／路透社

美国NASA卫星空照比对巴肯页岩油区与明尼亚波里斯圣保罗跟芝加哥两大城市，人烟稀少的巴肯区所呈现的亮度，除了是当地开采设施的照明设备外，亦包含开采过程中释放出的气体的火光。 图／NASA

▎辐射物质和地震

辐射物质存在于自然的地质组成中，浓度依不同油页岩带而有所区别。在水力压裂法的过程中，这些辐射物质（例如铀、钍和镭）会随着压裂液到地表，有时候也可能随着压裂后的缝隙，进入地下水或地表水中。

譬如，位在马赛勒斯油页岩开采带（Marcellus）的纽约州奥内达加郡（Onondaga），有两百多户住家地下室的空气中，被探测到高浓度的辐射物质；在这个油页岩带的土壤也都可以测量到。

除此之外，水力压裂法也会频繁地造成区域内芮氏规模一到三不等的地震，影响居民。

▎离再生能源更遥远？

虽然比起石油和煤，天然气同单位能量排放较少的二氧化碳，但是减少排出的二氧化碳，也可能被页岩气开采过程中大量外漏的甲烷抵销。环保团体因此批评页岩气的开采，因其低廉的价格削弱、延迟了再生能源的发展和竞争力，让世界继续依赖化石燃料。

譬如，一个规模四至五公顷的页岩气钻井站，若用做太阳能发电的话，一年能产生约四十万瓦的电力，转换效率58%，换算成天然气约七万立方公尺。以德州巴奈特油页岩带（Barnett）来说，一个页岩气井第一年约可产出一千一百万立方公尺的天然气，第九年剩下八万立方公尺，到第十年则剩下约四万立方公尺。而一座太阳能发电厂的寿命是二十年左右，汰旧换新之后也不需要更多的土地使用。

虽然严格说起，没有任何一种能源可算是完全干净清洁的能源，但是站在世界能源转型的角度来说，以及考虑到目前大气中已经爆表的温室气体浓度，继续一直把储藏于地底下的温室气体释放出来，再去仰赖还在发展中的碳捕集技术或是地球工程，都不能从根本去解决气候变迁、暖化、海洋酸化，以及物种灭绝等种种环境生态问题。

美国页岩气开采所引发的各种可能的负面影响和不确定性，也是欧洲这边基于预警原则，迟迟没有打算开采页岩气的原因之一。页岩气虽然改变了全球的能源版图，但是不是一个值得继续大力发展的产业，确实需要政府和公民社会的深思。

这个改变世界产油版图的产业，是否该持续下去，值得我们停一停思考一下。 图／路透社

▎备注