河北平原地处中国北部，由于受气候条件的限制，水资源较为紧张，已成为国民经济发展的重要制约冈素。另一方面，由于人为活动的影响和不合理的开发利用，河北平原深层地下水水位逐年下降，形成了不能恢复的下降漏斗，导致咸淡水界面下移、矿化度升高、水化学类型改变、氟浓度升高等水质恶化现象，并诱发了严重的地面沉降，地下水环境日益恶化。 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特征及形成演化史。自20世纪80年代以来，众多的学者利用18O、D、3H、14C、13C、36Cl、37Cl、32Si、惰性气体同位素(He、Ne、Ar、Ke、Xe)对河北平原第四系地下水进行了大量的研究工作。但是，在河北平原对地下水中硫酸盐硫、氧同位素的研究很少，对第四系地下水中硫酸盐硫、氧同位素的分布特征与形成机理尚未开展研究工作。 论文在全面、系统分析河北平原地质、水文地质条件后，在整个研究区沿保定-任邱-河间-沧州-黄骅剖面，先后于2004年、2005年和2006年进行了地下水取样。取样种类包括：常规水化学样品，地下水18O、D样品，14C样品，锶同位素样品和地下水中硫酸盐的34S和18O。根据所取样品的测试结果，分析了研究区地下水中硫酸盐的硫、氧同位素的分布特征及其与水化学之间的关系；探讨了研究区硫、氧同位素演化成因和地下水中硫酸盐硫、氧同位素的环境指示意义。 通过以上研究，本论文主要得出如下结论： 一、河北平原地下水中硫酸盐硫、氧同位素分布具有两方面的特点 (1)在地F水补给区一般δ34S和δ18O值同时呈线性增加，δ18O的增加速率要大于δ34S的增加速率，并很快趋于稳定。到中部及东部平原，δ34S值呈增大趋势，δ18O反而开始缓慢减小。研究区东部滨海平原，δ34S值基本趋于稳定，δ18O值在滨海平原西部有一个小幅度的增加，随后开始减小，但减小的速率也比较小。在整个取样剖面上，δ34S值趋势较稳定，增幅也比较明显。δ18O值在整体上缓慢减小，但趋势不稳定，局部有小幅增加，整体变化幅度较δ34S值小。 (2)在河北平原，地下水中硫酸盐的δ34S和δ18O间呈负相关关系，原因是受同位素交换反应和微生物硫酸盐还原作用的共同影响，因为地下水的δ18O偏负，同位素交换反应致使δ18O变小。研究区地下水中硫酸盐的δ34S值与其SO42-/Cl-的摩尔比值呈负相关关系，δ18O值与SO42-/Cl-的摩尔比值呈正相关关系。地下水中硫酸盐的δ34S值与地下水14C含量(pmc)有较好的负相关关系，而δ18O值与地下水14C含量(pmc)大体上呈正相关关系。这一特点仍然与同位素交换反应影响δ18O值有关。 二、在河北平原，主要存在四种同位素分馏机理 (1)硫化物氧化作用。这一过程中使得δ34S值增高3‰-7.5‰，地下水中硫酸盐的δ18O值由水和氧气中的18O共同影响。在河北平原，硫化物氧化作用分馏机理导致的地下水中硫酸盐硫、氧同位素分馏主要发生在补给区。 (2)同位素交换反应。在同位素交换反应作用下，地下水中硫酸盐的δ18O值受水中δ18O值的影响，若地下水的δ18O值高于地下水中硫酸盐的δ18O值，发生同位素交换反应后，地下水中硫酸盐的δ18O值会相应的增高，反之则降低。在河北平原中部及东部平原，地下水中硫酸盐的氧同位素主要由同位素交换反应影响。 (3)微生物硫酸盐还原作用。此过程中，硫酸盐的δ34S和δ18O值在起初一起增大，但是，沿着地下水的流向δ18O逐渐接近一个常数值，而δ34S则继续增大。在河北平原东部及中部平原，地下水中的δ34S值沿地下水流向而增大，这是微生物硫酸盐作用的结果。δ18O值则沿地下水流向而减少，这是硫酸盐还原作用和同位素交换反应共同作用的结果。 (4)硫(S)的再氧化作用。此过程会使硫酸盐的δ18O值降低，在研究区的东部滨海平原，深层地下水的18O和D值相比较沧州一带都较高，地下水中硫酸盐的δ18O值相比却有所降低，显然在这一区域，硫的再氧化作用导致的同位素分馏占优。 三、地下水中硫酸盐的硫、氧同位素对环境有其独特的指示意义 (1)在研究区径流参数比较稳定的中部平原δ34S与地下水中的硫酸根离子、氯离子等含量有相同的变化趋势。地下水中硫酸盐的δ34S和δ18O值还与水化学类型密切相关，HCO3-Na水的δ34S较小，而Cl-HCO3-Na水的δ34S较大，δ18O则相反。此外，河北平原地下水F-含量随δ34S值的增加而增加，并且在沧州及以东地区，地下水F-含量的增加速率明显大于中部平原，这说明强还原环境更有利于氟的富集。 (2)研究区地下水中硫酸盐的δ34S值沿地下水流向而增大，地下水中硫酸盐的硫同位素可用来指示地下水的径流方向。国外研究还表明，同一钻孔的δ18O值随深度增加而增大，但在某些裂隙、断层发育区，δ18O值的变化很小甚至基本不变。这说明地下水中硫酸盐的δ18O值可用来指示地下水的混合程度，判断不同含水层地下水之间的越流大小。此外，地下水中硫酸盐的δ34S、δ18O值一般随地下水的还原程度增强而增大。但在河北平原，地下水的δ34S值与SO42-/Cl-比值呈负相关，而δ18O值与SO42-/Cl-比值呈正相关。这是因为δ18O值更多的受混合作用影响。因此，在研究区内，地下水中硫酸盐的硫同位素对氧化还原环境有很好的指示作用，自西向东，随δ34S值的增大，地下水的还原程度增强。