一、含水层形成
华北平原在大地构造分区中隶属中朝准地台的华北断拗，是一个大型中、新生代的沉积盆地，基底由太古宇和下元古界经过褶皱变质形成的一套复杂变质岩系组成，盖层由中上元古界、下元古界和新生界两套沉积层组成，前者为海相碳酸盐岩，后者为陆相碎屑岩。华北平原震旦纪时是准平原，寒武纪、奥陶纪时是稳定的陆缘海，中奥陶世后整体上升，直到中石炭世再度下陷接受沉积。晚三叠世的印支运动后进入大陆边缘活动带发展阶段，燕山运动使其盖层遭受强烈的褶皱和断裂变动，使原有构造格局发生了根本的变化，形成了一系列北北东和北东向排列的隆起和拗陷相间的次级构造和深大断裂，成为目前该区隆起拗陷构造格局的雏形。燕山运动晚期以来，华北平原继承性活动且以强烈升降运动为主，接受了巨厚的中、新生代的沉积。新生界地层在平原中广泛分布，一般厚度为1000～3500m，最厚达5000m。其中以古近-新近系沉积最厚，基本构成了平原基底。
第四纪早、中更新世时期主要受冰期与间冰期的气候影响，也受到喜马拉雅运动引起的山地上升与平原下降的垂直运动的波及，在山前平原形成大范围冰川-冰水与洪-冲积的扇形堆积区，在中东部平原包括滨海平原则形成河流-湖泊交叠堆积区以湖泊堆积为主，形成以任丘－沧州与南宫-清河两大大湖泊的堆积中心;第四纪晚更新世以来，由于冰期、间冰期气候影响减弱以及构造升降幅度降低，山前地区冲洪积扇范围缩小，中东部平原河湖交叠堆积区进一步扩大，原来湖泊沉积中心逐步分离成小范围的浅湖泊沉积与河道沉积，分布范围更为广泛;全新世时期，近渤海湾一带，即滨海平原和部分中部平原形成浅海-湖沼相为主的沉积区，其他平原区仍以河流相沉积为主。平原区第四系岩相-古地理极大控制着该地区含水层组的空间结构及含水介质的特征。中、晚更新世形成了华北平原的主要供水含水层。
华北平原按成因和形态特征分为山前冲洪积倾斜平原，中东部冲积湖积平原，黄河冲积扇及滨海冲积海积平原。山前冲积洪积倾斜平原区由一系列发育的冲积、洪积扇裙组成的倾斜平原。含水层组成岩性多为粗砂、卵砾石等较粗颗粒物质。中东部冲积湖积平原区主要由湖水沉积物和海河、滦河及古黄河等水系的冲积物组成。含水层组成岩性的颗粒细，以中细砂及细砂为主，黏性土分布广，厚度大。黄河冲洪积扇由黄河冲积、洪积而成，以黄河大冲积扇为其主体。滨海平原区主要为冲积海积平原大，第四纪海水曾多次入侵，是全新世晚期形成的陆地。含水层组成岩性的颗粒很细，粉细砂及粉砂为主。
二、含水层空间结构
华北平原山区分布有碳酸盐岩类岩溶含水层、基岩类裂隙含水层和山间盆地第四系孔隙含水层。
华北平原区主要为第四系孔隙含水层，在平面主要分为单层结构区和多层结构区。单层结构区主要分布于山前平原顶部，岩性颗粒粗，黏性土多以透镜状分布，上下水力联系好;多层结构区分布于山前平原底部、中部平原、滨海平原区，砂层和黏性土层相间展布，上下水力联系较差，在垂向上自上而下分为四大含水岩组(图3-1-1)。
图3-1-1 华北平原水文地质剖面
(一)山前平原顶部潜水含水层
主要分布在华北平原太行山、燕山山前地带。这些地区在地质构造的作用下，不断下沉，山区洪流及河流携带大量粗颗粒物质倾泻于平原边缘，并在山前形成一系列大小不等的、多层叠置的冲洪积群，由于河流的多次摆动形成复杂的交错沉积，扇与扇相连，形成了山前坡度较大的山前平原。含水层由第四系砂砾石和中粗砂组成，结构松散，岩性颗粒具有由扇顶至前缘变细，沉积厚度由轴部向边缘变薄的规律，扇间地带多为黏性土和砂的夹层。含水层的结构单一，层数少，没有大面积分布的黏性土隔水层。地下水以潜水为主。
(二)山前平原下部、中东部平原多层含水层
山前平原下部、中东部第四系地层沉积厚度一般为400～600m，含水层岩性多为粉砂、细砂，并构成多层结构，含水层埋藏平缓。由于沉积条件和环境的差异，含水层的厚度、粒径、结构在水平方向和垂直方向上都不稳定。在垂向上自上而下分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四大含水岩组。
第Ⅰ含水层组底界面埋深一般小于50m。主要为全新世的河流相和浅海-湖沼相堆积物。在山前平原下部和中部平原，为河流相沉积物，岩性为砾卵石、中粗砂含砾中粗砂、中细砂及粉砂细砂、粉细砂，在滨海平原为浅海-湖沼相沉积物，岩性以粉砂为主。
第Ⅱ含水层组底界面埋深一般120～210m。岩性主要为晚更新世的河流湖泊堆积物。在山前平原，与第Ⅰ含水层组之间缺乏稳定的隔水层，二者之间具有较好的水力联系。自西向东发育2～3套中细砂—中粗砂—砂砾石韵律层;在中部平原含水层以河流冲积作用和湖沼沉积作用形成的中细砂、细砂为主;在滨海平原，由于受中更新世后期海侵的影响，普遍发育4个海侵层，含水层以粉砂、细砂为主。
第Ⅲ含水层组底界埋深250～310m。山前平原岩性主要为中更新世冰水沉积和冲洪积堆积物，含水层呈扇状、扇群状展布，由3～4套中细砂—中粗砂—砾石岩性韵律组成;中部平原滨海平原主要为中更新世湖泊-河流交叠堆积物，中部平原含水层呈舌状、带状展布，由3～4套细砂—中砂岩性韵律构成;在滨海平原，含水层以粉砂、细砂为主。
第Ⅳ含水层组底界由于揭露的勘探孔少，尚不清楚。在山前平原主要为早更新世冰水沉积，含水层岩性砾卵石、中粗砂;中部平原滨海平原主要为早更新世湖泊-河流交叠堆积物，中部平原含水层岩性为中细砂及细砂;滨海平原含水层岩性为粉细砂及粉砂。
三、含水层系统
华北山区含水层系统主要包括碳酸盐岩类岩溶含水层亚系统和基岩类裂隙含水层亚系统，以及山间盆地松散岩类孔隙含水层亚系统。碳酸盐岩类岩溶含水层亚系统主要分布在太行山区、燕山地区，以及平原与山间盆地深部隐伏岩溶区;碳酸盐岩类岩溶含水层亚系统按赋水地层进一步分为石炭系含水岩系、奥陶系含水岩系、寒武系含水岩系、蓟县系含水岩系和长城系含水岩系。基岩类裂隙含水层亚系统广泛分布于太行山区和燕山山区，进一步分为变质岩类含水岩系、岩浆岩类含水岩系、碎屑岩类含水岩系和玄武岩类含水岩系。山间盆地松散岩类孔隙含水层亚系统主要有永定河水系的张家口盆地、怀来-涿鹿盆地、蔚县-阳泉盆地与蓟运河水系的遵化盆地以及滦河流域的芦花-迁安盆地，这些断陷盆地第四系厚度一般200～300m，划分为第一、第二含水岩组。
华北平原区主要为松散岩类孔隙含水层亚系统，包括第四系含水层子系统和古近-新近系含水层子系统(表3-1-1)。华北平原古近-新近系含水层子系统主要包括上新统明化镇组含水岩组和中新统馆陶组含水岩组，明化镇组含水岩组一般为砂岩、砾岩结构疏松，水量较大;古近-新近系其他含水岩组固结和泥质胶结程度大，水量小，一般为热水。
第四系含水层子系统是华北平原地下水的主要赋存空间。第四系含水层子系统在平面上，按照不同级地表流域对含水层形成的控制，可进一步划分为多个次级系统。在垂向上，根据第四纪沉积物岩性，划分为四大含水岩组。在垂向上分为浅层含水层水系统和深层含水层水系统。浅层水系统在全淡水区为第Ⅰ+Ⅱ含水组，由于沉积物无统一隔水层及人为沟通，Ⅰ和Ⅱ含水组构成统一含水系统，底界深度120～210m;在有咸水区为第Ⅰ含水组，底界深度小于50m。深层含水层统在全淡水区包括Ⅲ+Ⅳ含水组，在有咸水区包括咸水体以下的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组。底界埋深由于揭露的勘探孔少，尚不清楚，受构造控制拗陷区和隆起区埋藏深度和厚度差异很大。
表3-1-1 华北地区含水层系统划分
四、华北平原区含水层典型特征
1)平原区第四纪岩相古地理控制着该地区含水层组的空间结构及含水介质的特征。华北古近-新近系沉积很厚，基本构成了平原基底，第四纪时期形成的不同沉积相的松散物是平原区地下水的主要的赋存空间，形成了华北平原区主要的含水岩系。第四纪早、中更新世在山前平原形成大范围冰川-冰水与洪-冲积的扇形堆积区，在中东部平原包括滨海平原则形成河流-湖泊交叠堆积区，以湖泊堆积为主;晚更新世山前地区冲洪积扇范围缩小，中东部平原河湖交叠堆积区进一步扩大，原来湖泊沉积中心逐步分离成小范围的浅湖泊沉积与河道沉积，分布范围更为广泛;全新世时期，滨海平原和部分中部平原形成浅海-湖沼相为主的沉积区，其他平原区仍以河流相沉积为主。中、晚更新世形成了华北平原的主要供水含水层。
2)含水层组平面分为单层结构和多层结构，在垂向上连续分布Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水层组。第四系松散岩类含水岩系在山前平原顶部为单层结构区，岩性颗粒粗，黏性土多以透镜状分布，上下水力联系好;山前平原底部、中部平原、滨海平原区，砂层和黏性土层相间展布，构成多层水文地质结构，连续分布Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水层组，含水层层位明显。
3)从山前—滨海、从第Ⅰ含水层组到第Ⅳ含水层组，含水层介质呈现由粗颗粒向细颗粒变化。在山前平原顶部，为单层结构，含水介质颗粒粗大，主要为砾卵石、中粗砂含砾中粗砂;从山前平原下部—滨海平原，是多层结构区，4个含水层组的介质总体上是由粗颗粒向细颗粒变化。从山前到滨海，第Ⅰ含水层组含水层介质由砾卵石—中粗砂含砾—中粗砂—中细砂粉细砂—粉砂规律变化;第Ⅱ含水层组含水层介质由砾卵石、中粗砂—中细砂、粉砂—粉砂规律变化;第Ⅲ含水层组含水层介质由砾卵石、中粗砂—中细砂及细砂—粉细砂变化;第Ⅳ含水层组含水层介质由砾卵石、中粗砂—中细砂—粉细砂及粉砂规律变化。
4)平原区含水层系统主要为第四系松散岩类含水层。第四系松散岩类含水层系统是华北平原地下水的主要赋存空间。据第四纪沉积物岩性，划分为四大含水岩组，在垂向上，包括浅层含水层系统和深层含水层系统。