惰性气体是强烈挥发性的气体，无色、无味、无嗅，一般条件下不易与其它物质发生反应，可部分地溶于水中，其溶解度随分子量的增大而增高。在极低的温度下可发生液化和固化。本文所研究的惰性气体包括氦、氖、氩、氪、氙。 自1900年这六种惰性气体全部发现以来，直到上世纪70年代才开始应用于地球科学领域，研究主要集中在地幔脱气与大气演化、陨石与天体地球化学、矿物形成与矿床成因示踪、石油与天然气成因示踪、惰性气体分析测试方法、惰性气体示踪与定年等研究。对于在地下水中的应用研究始于1972年，其后对地下水中惰性气体的研究主要集中在示踪、古温度计算和定年三个方面。 同冰芯、黄土、树轮、泥炭、深海(湖、河、洞穴)等沉积物一样，地下水是气候变化的重要储存库和档案馆。气温值与降雨量值是评价气候的两个最基本、最重要的指标。自从IGBP计划实施以来，过去气候变化与重建一直是地球科学界研究的重点与热点之一。对过去气候变化与重建除了高分辨的定年外，需要的两个重要参数是气温值与降雨量值。在过去气候变化的重建研究中，由多个代用指标取得的气温变化与降雨量的变化往往不能匹配。在分布广且记录时间长的地质档案中选用一个指标就能同时恢复气温和降雨量的变化，并能给出它们确定的值是众多科学家们的一个理想研究目标。 本研究提出用深层地下水中惰性气体同时确定气温值与降雨量值有如下特点：(1)地下水在全球都有分布，且其记录的时间长，地下水气候记录档案具有良好的全球对比和长的时间序列；(2)应用惰性气体一项指标就可以同时得到气温与降雨量；(3)能得到确定的气温值与降雨量值，而不是它们的相对变化，温度分辨率可以达到±0.5℃，降雨量分辨率可以达到±10mm；(4)研究过程中要用到的3He/4He同位素值可以用来计算地下水的年龄，对地下水14C年龄可以起到校正作用，使所获得的昂贵的惰性气体数据得到多方面利用。 通过理论分析和实例验证，得出以下结论： 1.深层地下水惰性气体同时定量恢复气温和降雨量理论上是可行的。 (1)确定了地下水中惰性气体的四种来源及其作用：①大气降水入渗补给前，大气压和气温条件下降雨与大气之间的溶解平衡时的溶解空气，可称之为“平衡溶解惰性气体”，即Atmospheric Noble Gases，简称ANG，可以用来推断地下水的补给温度；②由放射性衰变产生的某些同位素，可称之为“放射性成因惰性气体”，即Disintegrative Noble Gases,简称DNG，可以用来测定地下水的年龄(3H-3He年龄和4He年龄)；③在包气带入渗补给过程中水-气混合、径流过程中地下水位变动产生的“过剩空气”，可称之为“过剩惰性气体”，即Excessive Noble Gases,简称ENG，它含有大量的关于渗透期间的环境信息，可以用来计算降雨量等；④地下水径流过程中含水层外地壳和(或)地幔来源气体、非封闭条件下外界空气或越流的混入，可称之为“外界混入惰性气体”，即Outer Noble Gases,简称ONG，可以判断各含水层之间的越流补给特征。 (2)地下水惰性气体法计算气温的物理原理：惰性气体的溶解度与温度密切相关，特别是地下水中的Ar、Kr和Xe，其溶解度是温度的函数。由于惰性气体在大气中的含量极低，大气降水时大气中的惰性气体平衡溶解于雨水中，并且符合亨利定律。因此，大气降水入渗补给地下水时其中惰性气体含量依赖于补给过程中惰性气体的气相分压强度(瞬时压强)P和温度T。根据各种惰性气体的溶解度实验结果，就可以把实际的地下水中的惰性气体浓度换算成水与大气相平衡的温度。一般来说，地下水中溶解的惰性气体记录温度是地下水补给区的年平均温度。 (3)地下水中惰性气体计算降雨量的基本原理：通常，在降雨补给地下水的过程中，包气带里的惰性气体与入渗水即已达到与分压相适应的溶解平衡。因此，当含水层中或下伏的地层中不存在其他惰性气体来源时，含水层中的惰性气体浓度即反映包气带的温度和分压条件。大气降水入渗通过包气带补给地下水时，包气带中的空气压力是增大的。正因为包气带空气压力的增大，增加了入渗雨水的气体溶解量，形成了“过剩空气”。另外包气带中水气二相流的水气平衡极限压力与土表面的水压有关，即与入渗水柱高度有关，而入渗水柱高度在一定时段内反映了大气降水入渗补给强度，进而反映大气降水的情况。造成封闭系统里地下水中惰性气体过饱和的可能原因还有地下水位的震荡。当水位大幅度上升时，含水层中各点的压力值明显增加，附着在含水层的固相表面的气体便溶解于水中。可见，地下水中“过剩空气”量越大，表明当时大气降水入渗补给强度越大，地下水位大幅抬升，大气降水频繁且强度大，处于湿润气候条件。 (4)地下水中He的来源有：①大气降水时雨水-大气平衡溶解ANG的3He、4He；②过剩惰性气体ENG的3He、4He；③水中氚β衰变生产3He；④含水岩层中6Li(n,α)3H生成3He；⑤含水层中U、Th衰变生成4He；⑥稳定的地壳3He、4He输入；⑦稳定的地幔3He、4He输入。严格来说，来源③到⑦的He都会在地下水的径流过程中，随着时间进入到地下水中的量会不断增加，但对于深层承压含水层而言，可以在含水层中找到有意义的是U、Th衰变生成的4He，由于地下水中放射性成因的4He随时间积累，使得地下水中4He成为良好的年龄指示剂。因此，可以利用含水层中U、Th放射性衰变生成的4He对地下水进行4He定年的研究。 2.河北平原第Ⅲ深层承压含水层研究实例证实了利用深层地下水惰性气体同时定量恢复气温和降雨量实际可行。 (1)河北平原第Ⅲ深层承压含水层大部分的地下水样的4He年龄与14C年龄很相近，只是MHG08、MHG09、MHG10三个地下水样的4He年龄远远大于14C年龄，而从河北平原深层地下水14C表观年龄等值线图中可以看出，河北平原深层地下水的年龄一般不超过3万年。当然，由于地下水14C表观年龄的测定上限不超过5万年，可能的较老地下水年龄不能反映出来，但MHG08、MHG09、MHG10三个地下水样的4He年龄均达到数十万年，在最终确定地下水年龄时，MHG08、MHG09、MHG10三个地下水样的年龄取其14C年龄，其它地下水样的年龄取4He年龄与14C年龄的平均值，这些地下水样的4He年龄范围为距今7万年～距今3000年。总的来说，河北平原第Ⅲ深层承压含水层地下水样的4He年龄比较真实地反映了地下水的实际年龄。 (2)河北平原第Ⅲ深层承压含水层地下水惰性气体温度与氢氧同位素温度变化趋势基本一致，但惰性气体温度变幅更大。近7万年以来的温度变化范围为2.6～21.8℃，平均值与现在河北平原年际气温变化较为一致：而氢氧同位素温度变幅小，温度变化范围仅为6.1～11.7℃，而且对3万年以来的气候波动并没有较好地表现出来，而惰性气体温度较敏感地显示出来。从惰性气体温度变化可以看出来，距今3万年之前气温为3～12℃，平均温度为7.5℃，低于河北平原多年平均气温12～13℃，相对寒冷；距今3万～2万年是气温的波动期，最低温度为3.5℃，最高温度为12.8℃，平均温度为7.5℃，低于河北平原多年平均气温12～13℃，相对寒冷；距今1万年左右为气候剧烈波动期，出现两个低温点，分别为3.8℃(10211aB.p.)、2.6℃(7776aB.p.)，这也正是末次冰期的反映；在5605a B.p.出现最高温度21.8℃，这一时期正是我国全新世大暖期。可见，河北平原第Ⅲ深层承压含水层地下水中的惰性气体温度比较敏感地把我国华北地区近7万年以来气温变化定量地刻画了出来。 (3)河北平原第Ⅲ深层承压含水层地下水惰性气体降雨量的变化与δ13C、Cl含量湿度变化趋势比较一致。近7万年以来的降雨量变化范围为588.5mm～1003.3mm，平均值与现在河北平原多年平均降雨量变化较为一致(河北平原多年平均降雨量500～800mm)。从惰性气体降雨量变化可以看出来，距今3万年之前降雨量为668.1～926.1mm，平均降雨量为797.1mm，接近现今河北平原多年平均降雨量800mm，相对干旱，δ13C与C1含量在湿度上也显示出干燥特征；距今3万～2万年是降雨量的波动期，降雨量的最低值为644.0mm，降雨量的最高值为1003.3mm，平均降雨量为832.8mm，略高于河北平原多年平均降雨量500～800mm，略显湿润；距今1万年左右为气候剧烈波动期，降雨量的最低值为588.5mm，降雨量的最高值为966.9mm，平均降雨量为759.4mm，略低于河北平原多年平均降雨量500～800mm，略显干燥。 (4)近7万年以来河北平原地下水惰性气体反映的温湿变化与Ca2+含量反映的温湿变化部分相似，距今3万年之前为冷干气候特征；距今3万～2万年是气温的波动期，出现了冷干和稍微温湿的交互变化，但变化幅度不大；距今1万年左右为气候剧烈波动期，8000aB.p.～7000a B.p.出现了干冷气候峰值，而在6000a B.p.～5000a B.p.出现了温湿气候峰值，这两个峰值区正好对应了我国末次冰期和全新世大暖期。 总之，河北平原第Ⅲ深层承压含水层地下水中的惰性气体温度、降雨量、温湿变化与地下水中其它气候代用指标有较好的对比性，与华北地区的古气候研究已取得了大量的成果具有较好的对比性，河北平原第Ⅲ深层承压含水层地下水4He年龄与14C年龄具有比较好的一致性，初步证实了利用深层地下水惰性气体同时定量恢复气温和降雨量理论和实际皆是可行的。