今天，油、气在人类燃料热能方面起着决定性作用，并且根据各方面估计，今后几十年内情况仍将继续如此。但在这几十年内，人类差不多要消耗完这些有用矿物的已知储量。为此，可以开发星球上尚未开发的区域（全世界海洋、格陵兰和南极洲）里的油气田，也可利用碳氢化合物新能源（气水化合物），就是人们所说的天然气固态化合物。不久前（1960年），已证明地壳内有可能存在气水化合物。本文作者近几年来所作的计算表明：27%以上的陆地（基本上属冻结岩层分布区）和90%的世界海洋都具备生成天然气水化合物的有利条件。这是因为温度和压力的结合，对这些化合物的生成极为有利。

气水化合物（外表像冰的物质）早在19世纪初就发现了。后来进一步确定气水化合物的成分是可变的，有晶格结构，可写成下式：M · 6 H₂O和M · 17 H₂O，这里，M是构成水合物的分子，其沸点低于+60°C，不与水起化学反应。与冰一样，水合物晶格的骨架是由水分子构成的。但是，骨架空间距离比冰大得多，等于4.8-6.9埃。构成水合物的分子，填满像冰一样的晶格，结果形成气水化合物。

从物理性能来看，水合物外表也像冰，但无论在零度以上或以下，水合物都能存在。水合物与其它凝聚相（如液化气）相比，蒸汽的均衡压力为后者的几十分之一。水合物能在水合物构成物的临界温度（即气体不可能液化的条件下）以上生成。水蒸汽对水合物的压力为冰的2/3 ~ 1/2。生成和分解时的热量为100 ~ 120千卡/公斤。

—体积水合物能含200体积气体。因此，在低的均衡压力下，水合物具有很高的气体浓度。

有关气水化合物的结构和生成条件的资料，大部分是在三十年代获得的。当时，水合物的分离经常阻碍输气管、钻井和某些工厂设备的正常工作。那时，研究者的精力花在研制解决水合物阻塞管道的方法上。从六十年代开始，荷兰、美国、西德都开展了关于气水化合物结构和热力学的研究工作。

与此同时，苏联专家提出了这样的设想：在一定的热力学条件下（温度达到295°K，压力达到250个大气压），地壳里可能有以固态气水化合物状态存在的天然气田。一批西伯利亚地质学家在估计可获得气水化合物矿床的地方进行了地球物理资料的分析，结果发现有三十处存在气水化合物。把甲醇（它能保证分解并取得游离气体）注入气水化合物矿床后，矿床的生产率可增加一个数量级以上。

还证明、如果气候变冷和矿层温度降低，散逸的碳氢化合物发生堆积，那么，落在水合物生成带里的普通气体能聚合起来，形成气水化合物矿床。

大陆上水合物生成带的面积不十分大，它与冻结岩层的发展地区大致相符。大陆气水化合物生成带的最大厚度为1800 ~ 2000米，而最常见的水合物生成带厚度却为700 ~ 1000米。

水合物生成带和气水化合物矿床的形成过程，与古代和现代的冰川沉积有密切的联系。

众所周知，古代冰川沉积的宽度和厚度不亚于现在格陵兰和南极洲的覆盖冰川。所形成的3 ~ 4千米厚的冰层使垫在下面的岩石厚层的静载负增加到270 ~ 360公斤/厘米²。这样，流体（水、石油和气体）就从细小分散的（不易渗透的）岩层里挤出到具有良好集管特性的矿层里。在附加载负的作用下，这些矿层中的岩层地带容积缩小了，流体从被冰覆盖的区域里挤出，并位移到冰川的边缘。

冰川在冰覆盖区域位移的结果，一部分油气层由于被水流强烈“洗涤”而受到破坏，碳氢化合物朝着冰川运动的方向位移。在冰壳的边缘新进入的碳氢化合物，充实了原有的矿层，形成了新的油气田。

在地球历史上，有8亿年以上的时间周期性地发生冻结。两次全球冻结发生在二叠纪和石炭纪的时期里（2 ~ 3亿年以前），一次发生在第四纪。随着冻结的扩大，水合物生成带的面积和厚度也同时增大。在第四纪最冷的期间，水合物生成带几乎布满半个大陆。在北美、欧洲和西西伯利亚，碳氢化合物绝大部分储量就集中在第四纪冻结区。

我们在南美、北美、欧洲、北亚和澳洲的范围内来考察第四纪以及更早的多次覆盖冰川的位置之间的相互关系，就可看出，巨大的油、气积集带就在冻结的边缘地带。

冰川沉积的形成，可以分为两个阶段：在第一阶段中，冰由大陆的中心部分向大陆架移动；而在第二阶段中，仅仅岩壳的边缘在大陆架范围内移动。

在第一阶段，大量的地下液流，包括碳氢化合物由大陆的中心部分流向沿岸的大陆架和大陆坡。因此，我们若从中心地带逐渐移向边缘地带、大陆架、大陆坡和大陆脚，那么，发现碳氢化合物矿床的机会就越大。此外，在大陆显然有碳氢化合物矿床保全下来，它们比普通气田稳定得多，不易破坏。

在冰川沉积发展的第二阶段，也是最长的一期中，水、石油和气体的流向，由于受到巨大冰层的影响，始终没有发生变化。同第一阶段一样，流体也移向大陆的边缘地区、大陆架以及大陆坡和大陆脚。这对开发这些地带的油气田创造了更为良好的条件。

气水化合物矿床的发现，以及从大陆沉积物外层中分出水合物生成带，这不能不引起研究者对全世界海洋自然层的注意，因为在那里大量气水化合物的积集有着极为有利的热力学条件。

早在六十年代，苏联科学家首次提出论据，说明作为水合物的烃气体可能积聚在世界海洋底下的沉积物中，后来的钻探结果也证明了这一点。

计算表明，只有在极地的大陆架地带（海深250 ~ 600米），烃气体才可能构成水合物。在极地沿海地域（即以前多年冻结的岩层形成后大陆后退留出的地方），浅水区可能也有气水化合物矿藏。在大陆坡的范围内以及在世界海洋的周围部分，水合物生成带的厚度达470米或以上。

海底的有机物受到微生物的作用而发生分解。因此形成了气体CH₄、CO₂、N₂、H₂，这些气体因为漂浮的缘故，不会分散，而变成与沉积物机械地结合在一起的水合物。在海洋沉积物中产生的这一过程，要经历数千万年。这就造成世界海洋的海底沉积物中积集了大量气体。

水合物似乎起着铠甲作用，能防止生化过程中所形成那部分气体的逸出，而这一生化过程是在海洋沉积物层内进行的。

世界海洋的海底复有一层岩壳，它就是由水合物胶结成的沉积物。这层岩壳的厚度可以小至数米，大至数百米（海洋深水区）。岩壳沉积物中气体的含量，决定于海洋有机产物的沉积速度、体积大小以及有机物理藏地带的结构类型。如果水合物完全填满了沉积物的孔隙而岩层的孔隙度每立方米为0.2，那么，有每立方米孔隙的岩层可能含有30 ~ 36立方米气体。

可以观察到，在水合物生成带的下限附近，岩层中水合物填充的密度为最高。水合物生成带下限之外的沉积物，在下沉过程中由于水合物的分解，一部分气体就转入游离相，积集在水合物形成带下限的附近，后来它漂浮起来，又落入水合物生成带。这样，由于来自下层地区气体的侵入，作为水合物的气体随着沉积物不断积集及部分沉积物下沉到水合物生成带之外，其浓度也不断提高。

水合物生成带和它下面岩层中烃的大积集区，可能同沉积外壳的水文地质综合有关。

这样，除低于北纬和南纬61°的大陆架以外，全世界海洋的整个海底表面全是固体相天然体的积集带，因此，水合物生成带的分布占地球表面的大部分。

令人感兴趣的是对水合物生成带中气体资源的大致估计。表1、2列举了一些有关全世界海洋水合物生成带的资料。

在计算世界海洋不同结构地域的水合物生成带中生化气体堆积所面积时，是以下面的设想为根据的。在大陆架（31.1×10⁶平方公里）范围内，水合物生成带占其总面积的10%，气水化合物的积集区则占这一地带的三分之一。在大陆坡和大陆脚（面积为60.4×10⁶平方公里）范围内，水合物生成带占100%的面积，而气体积集区占60%的面积。在全世界海洋的海床范围内，内海盆、深水沟以及深海盆地都是气体积集最有利的地区，它们约占189×10⁶平方公里，其中气水化合物积集面积估计为30%。

我们在计算海底有机物的数量时，核算了厚度达300米的海底沉积物中的甲烷储量的密度。结果表明，海底沉积物中CH4的含量，可同大陆普通矿藏中的气体含量相提并论，或者甚至超过几个数量级。

我们在核算地球可燃矿物资源时（表3），假定气体储量的密度为1170000 ~ 1384000万米³/公里²，则从海底沉积物的气水化合物矿藏中得到的气体开采系数为0.7。这个数字对海底沉积物来说，显然偏低了，因为在结合较松沉积物骨骼遭到破坏时很容易使气水化合物与它分离。要捕集海水中的水合物，在技术上是容易实现的（例如利用钟形贮存器）。

这样，全世界海洋水合物生成带中可供开采的气体储量，估计约有85×10³万亿立方米。我们得出的数字同美国科学家著作中所列的研究结果大致相符。根据他们的资料核算，在陆地和世界海洋中，每年约产生CH₄ 2万亿立方米。如假定水合物生成带的平均存在时间为8000万年，那么根据我们的核算，全世界海洋甲烷资源中，在水合物生成带中堆积而产生的不足总量的0.1%。

这样，集中在大陆和世界海洋的水合物生成带中的气体可采资源，可能给地球可燃矿物的动力潜力增添很大的分量。

能否从气水化合物矿床中提取气体，这个问题看来十分复杂，但是能够解决。

我们分析了开采麦索亚赫斯基气水化合物矿的有关材料后知道，如果有生产能力的采矿层的岩层地带，含有的水合物不超过10%，而90%充满游离气，那么在现代技术水平下有效地开采气体还是可能的。如果水合物填充矿层的比例很大，那么开采气水化合物矿层的技术问题就大为复杂了，因为必须把破坏气水化合物的大量物质抽到远离钻井数十米的有生产能力的岩层地区，或者采用人工加热方法，而这样就须消耗大量能量。如果气水化合物填充矿层的程度很低，那么只需开发紧靠钻井的不大（半径达1米）岩层地段，就可开采气水化合物矿床。

能否从海洋沉积物中提取气体，实际上是个运输问题。如果能够把气体运送到消费者手里，那么就现代技术发展水平来说，从全世界海洋气水化合物岩石中开采气体是可能的。如果气体仅供开采的当地使用，自然就不存在运输问题。

可以把气体变成液体从水域运走。如果采用这一方法，就需要复杂的设备、液化装置、运输凝缩气体的船舶等。不久前、美国有人提出了一种比较简单的气体运输办法，即用水下集装箱装运水合物。

从海洋沉积物中提取气体，必须建造大批船员，这些船可开采气水化合物岩层，但基本费用很大。大致估计，一只排水量7000—8000吨的船，每年能开采约36000万立方米气体和100万吨左右的结核物。可是，建立这一系统的费用却超过1.5 ~ 2亿美元。此外，经营费用也极浩大。

同一般大陆气田相比，海洋气水化合物矿床的勘探费用要小得多。这是因为，第一，由于气水化合物矿床在海底下埋藏不深（几十米或几百米），而且在沉积物中气体浓度很高，可以采用直接勘探方法。第二，区域性勘探局部地区的水合物矿床，可采取地震声响方法，效率很高。

在开采海洋气水化合物矿床时，还应考虑，利用漂浮气体的能量将有用矿物提升出海面，此能量相当于3.9×10⁵千克卡路里或0.5×10⁹吨煤当量。

这样，可能有大量碳氢燃料和化学原料资源集中在冻结发展区域和全世界海洋水合物生成带内，勘探和开发这些资源必须研究新的技术，在现代技术发展水平下，其中一部分资源已经能加以利用。

〔Πpupoòα 1978年12期〕