天然气水合物的形成与分布主要受烃类气体来源和一定的温压条件控制。天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源，必须有低温或高压条件（图6）。
这决定了它的特殊分布。从目前来看，天然气水合物主要分布在地球上两类地区（图7）：一类地区是水深为300 m～4000 m的海洋，在这里，天然气水合物基本是在高压条件下形成的，主要分布于泥质海底，赋存于海底以下0～1500米的松散沉积层中；另一类地区是高纬度大陆地区永冻土带及水深100～250米以下极地陆架海，在这里，天然气水合物主要是在低海面时期低温条件下形成。
水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。在沉积层中，水合物要么是以分散状胶结尚未固结的泥质沉积物颗粒，要么是以结核状（图8）、团块状和薄层状的集合体形式赋存于沉积物中，还可能以细脉状（图9）、网脉状（图10）充填于沉积物的裂隙之中。
根据研究，生成天然气水合物的烃类气体主要来自于沉积物中微生物对有机质的分解，个别地区也有部分气体来自于深部沉积层中有机质的热分解（如美国东南大陆边缘水合物的部分气源是厚度大于13公里的卡罗莱纳组）。这些气体在海底沉积物的孔隙空间中形成水合物。水合物的生成非常迅速，最近德国科学家在海底甲烷气体取样器和照相机上就见有水合物生成。但海底天然气水合物矿藏的形成可能要持续数百万年。
从全球来看,海洋天然气水合物占绝对优势。海洋天然气水合物分布于世界各大洋边缘海域的大陆坡、陆隆(深水海台)和盆地，以及一些内陆海（图7）。例如，西太平洋海域的白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、日本四国海槽、日本南海海槽、印尼苏拉威西海、澳大利亚西北海域及新西兰北岛外海，东太平洋图8
海域的中美海槽、美国北加利福尼亚-俄勒冈岸外海域及秘鲁海槽，大西洋西部海域的美国东海大陆边缘布莱克海台、墨西哥湾、加勒比海及南美东海岸外陆缘海，以及非洲西海岸岸外海域、印度洋的阿曼海湾、北极的巴伦支海和波弗特海、南极的罗斯海和威德尔海、内陆的黑海和里海等。已有发现说明，海洋天然气水合物主要分布在北半球，且以太平洋边缘海域最多，其次是大西洋。陆坡、陆隆区是形成天然气水合物的最佳地区，这里沉积物较发育，有机质丰富，以甲烷为主的烃类气体来源充足，有利于天然气水合物生成。
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