天然氣水合物(gas hydrate)多存在於高壓低溫之環境，尤以深洋沉積物賦存最豐富。天然氣水合物之形成是非極性氣體分子在低溫高壓下，被水分子包圍所形成之固態晶體。外圍水分子數量取決於內圍氣體分子大小與量而形成整體分子冰晶組成大小變化。天然氣水合物自然界多以46個水分子(structure I)、136個水分子(structure II)或34個水分子(structure H)將非極性之氣體分子包圍為主(圖一) (Sloan and Koh, 2008)。冰晶內部分子與外圍水分子並非以鍵結形式組成, 氣體分子被水分子包圍 (cage)，故當壓力或溫度改變，冰晶容易溶解、釋放其內包圍之氣體分子。冰晶內部氣體視其來源而改變，但自然界中有甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、硫化氫、氬氣、氮氣等皆可形成籠型水合物，尤以海洋底部、深水湖泊或是永凍層沉積物下最易見到自然形成之天然氣水合物，其中尤以甲烷水合物(methane hydrate) 最為常見。甲烷水合物儲量約為1015~1017 m3 (Dobrynin et al., , 1981；Kvenvolden, 1988; Kvenvolden and Claypool, 1988; Meyer, 1981)，是目前所有已知碳水化合物賦存在自然界中最大的儲庫，佔所有已知有機碳總含量超過一半以上之多，故而在石油儲量不繼續增加之狀況下，科學界認為甲烷水合物可能是人類下一個主要能源之一, 更且因其燃燒效益而被視為乾淨之石化燃料。台灣地質調查所根據過去12年研究報告指出台灣西南海域可能儲存有5x1011 m3天然氣水合物, 足夠台灣能源使用五十年之久。

圖1　天然氣水合物晶格結構, I (a), II (b), H (c), 原圖取自Clathrate Hydrates of Natural Gases (3rd. Ed.), E.D. Sloan and C, A. Koh, 2008, Fig. 1.5。

天然氣水合物大量存在於深洋沉積物內，對於能源缺乏之國家更具有可提升能源自主的重要性，故日本、印度、韓國、紐西蘭，甚至美國、中國、德國、英國等國家在過去30年來皆投入大量資源進行探尋與瞭解天然氣水合物在各自國家經濟海域內之賦存地區特性, 位置與儲量。日本、韓國、印度不僅進行大規模之地球物理、地球化學等探尋更且已進行多次深海鑽探研究，而日本更因能源之缺乏而投入非常高之資源外亦已開始自主進入工業開採階段測試。

照片1為本研究團隊在台灣海域表層沈積物發現部分的天然氣水合物，本天然氣水合物樣品為台灣進行天然氣水合物探尋研究十二年來第一次發現並成功採集到之天然氣水合物樣品。臺灣鄰近海域具有大量之天然氣水合物，Liu et al., (2006)指出台灣西南海域水深400米到2500米海域下地層內皆發現有天然氣水合物之地球物理證據，即大面積區域地層下具有固態天然氣水合物/氣態氣體形成之似反射層, bottom simulated reflector (BSR)，此種BSR特徵普遍存在於台灣西南海域海底地層下亦即指出區域深部地層內有大量儲氣層且分佈於很廣大的區域。本次成功在台灣東北海域表層沉積物即可採集到天然氣水合物，指出台灣海域不僅在西南海域深部地層內具有大量之天然氣水合物, 更且在台灣東北海域可能具有更大量之天然氣水合物。

照片1　台灣北部海域海底採集到之固態天然氣水合物, 右側尺規為公分, 灰黑顏色為硫化礦物, 顯示晶格內亦有硫化氫氣體。

本研究藉由底拖式攝影載具(tow-camera)(照片2)與多音束聲納測深儀(Multibeam Echo Sounder)量測海底地形變化以尋找海底天然氣水合物特殊地形，再以底拖式攝影載具施放到海床以視訊方式探尋海床上天然氣水合物。底拖式攝影載具上具有1. 高解析攝影機 2. CTD (溫鹽深度儀) 3. 前置與底置高度儀 4. 採水瓶 5. 燈光 6. 蓄電瓶與數據傳輸器。溫鹽儀與高度儀將海底訊息傳輸至水面研究船(海研一號)，由研究人員指揮船隻將位於海底二千多米深之底拖攝影載具航行至預定地點採集樣品。海底攝影可導引視訊載具至海床上具有天然氣水合物或其他特殊位置。正確海底定位是採集樣品最重要之步驟，本研究使用高精密度USBL(超短基線定位器)進行海底定位俾變正確定位進行海底採樣，此項儀器經過校正後可以在海底達到約10公分等級之精準定位，達到精準採樣之需求。

照片2　底拖攝影載具在海研一號上施放, (A)定位transponder; (B) CTD; (C) 電瓶; (D) 前置高度計; (E) 數據傳輸器。

天然氣水合物在海洋底部高壓低溫下是以固態水合物存在，但在BSR之下仍以氣體狀態下存在，若溫度壓力無法完全將氣體包圍住(cage)，氣體可向上部海床移動，穿過層層海底沉積物，甚至進入上部水層。這種能夠進入上部水層之氣體是地層內天然氣水合物富集之一種指標。當氣體進入上部水層後由於水層內之氣體改變水層密度故其聲波傳遞異於周圍水體，在迴波顯示幕上形成特殊形狀如火焰般形狀，海洋研究學者稱之為氣燄(flare)。圖2即為研究區域的一處氣燄，此氣燄在研究船上迴波顯示幕上之距離共長達800米，這種長距離的海底噴氣現象是整個台灣鄰近海域研究區域內首次觀測到之巨量噴氣現象，更且可極易在海床表層發現且採集到大量天然氣水合物, 顯示本研究區域內天然氣水合物極度富集，海床至沉積物深部皆可能有極度富集的天然氣水合物，提供台灣海域資源探勘極佳之區域。