地处半干旱、半湿润气候带的河北平原，由于受气候条件的限制，水资源相对较为紧张。赋存于河北平原第四系第Ⅲ、Ⅳ含水组的深层地下水，分布面积约67000km2，是河北平原重要的淡水水源。但自70年代初地下水大规模开发以来，河北平原深层地下水环境受人为活动影响越来越显著，地下水环境日趋恶化。 面对如此严峻的形势，如何保证地下水的可持续利用，其首要问题在于了解地下水的形成演化史。地下水年龄测定是了解地下水形成演化、恢复环境演化史的重要工作。而环境同位素测年又是公认的确定地下水年龄直接可靠的方法。因此自20世纪50年代起，众多学者利用18O、D、3H、14C、13C、36Cl、37Cl、32Si等同位素对河北平原第四纪地下水进行了大量细致的研究，但是对于河北平原地下水的年龄问题，一直是众说纷纭，目前尚无一致的看法，争论的焦点集中在以下观点，即“河北平原最老的地下水年龄不超过25ka”和“河北平原最老的地下水年龄超过300ka”。 出现上述争论的结症在于公认的精确地下水测年方法—14C测年法存在测年限制(理论上限为30～40ka)。本论文即从上述争论入手，利用地下水中的惰性气体同位素研究地下水的形成演化历史。 在本论文中作者的主要工作包括：(1)利用地下水的水化学组分数据，确定研究区地下水的化学类型及演化趋势； (2)利用地下水的氢氧稳定同位素数据作18O-D关系线，并与全球降水线、当地降水线进行对比，以确定地下水的来源； (3)研究地下水的赋存条件，建立合理的地下水流数学模型，选取适当的水文地质参数，进行地下水深部氦通量模拟； (4)采用两种方法(深部通量模拟法与作图法)进行单独He组分的分离，并讨论了含水层中放射成因4He(4Heexc)及其组分(Hecis、Hec和Hem)的分布演化规律； (5)利用放射成因4He(4Heexc)计算了地下水的4He年龄，并与其他测年方法(14C法、36Cl法)获得的结果进行对比分析； (6)对惰性气体(氦除外)使用过剩空气非分馏(UA)模型和迭代法，获取地下水的补给温度； (7)结合地下水的4He年龄及补给温度，重建河北平原末次冰期以来的古气候演变。 通过以上的研究主要得出以下几点结论：(1)氦单独组分分离结果表明，对于河北平原地下水，4Heexc浓度随着地下水埋藏深度和补给距离的增大而增高。但是对于4Heexc中的不同来源组分4Hecis、4Hec和4Hem所占份额在地下水流动过程中表现出明显不同的演化趋势：对于4Heeq来说，它所占的份额小于5％，并且随着地下水埋藏深度的增加不断减小；对于4Hecis来说，它所占的份额大多数超过80％，并且随着地下水埋藏深度的增加不断增大；对于4Hec和4Hem，前者所占的份额大部分介于10～20％之间，而后者所占份额的一般较小(＜2％)，并且它们均随深度的增加大致是呈减小的趋势。 (2)在深部通量模拟过程中，得出研究区的深部4He通量值J0为9.8×10-6cm3STPcm-2a-1，该数值能够反映地球深部(地壳和地幔)对含水层He浓度的贡献量，并且它是一个区域性常数，对于地下水4He年龄的计算至关重要。 (3)根据地下水4He累积和迁移的对流弥散方程及其解析解，我们编制了地下水4He年龄计算程序，分别计算了河北平原第三、四含水组满城—沧州段地下水的4He年龄，得出地下水4He年龄随补给距离增加而增大的曲线。计算结果显示，河北平原第三、四含水组满城—沧州地下水的4He年龄分别介于0～53ka和0～235ka。 (4)我们把第三含水组满城—沧州段的地下水4He年龄与地下水14C校正年龄作了对比，结果显示二者相关性较好。这就证明，用4He作为示踪剂研究地下水年龄是可信的，它不会比14C年龄高出60倍以上。此外，沧州第四含水组地下水的4He年龄和36Cl年龄对比表明，尽管两者结果还有一定的偏差，但至少在同一数量级内。因此，在以后的地下水年龄研究中，为了获得接近真实的资料，应当同时使用包括4He测年在内的多种地下水测年方法。 (5)在国内首次用TD(UA)模型计算了河北平原第三含水组地下水的古温度。结合地下水的4He年龄、14C校正年龄可知末次冰期(LGM)期间河北平原气候变冷，在“上部冰阶”平均温度为5～7℃(1.2～3万年)，“下部冰阶”平均温度为1～2℃(4～7.5万年)；末次冰期以来(1.2万年至今)气候逐渐变暖，距今3000年以来温度约为14～16℃。