一、含水层形成
西北内陆盆地包括了在天山、昆仑山、祁连山之间的柴达木盆地、准噶尔盆地，塔里木盆地，以及河西走廊等内陆盆地。西北内陆盆地含水层的形成和空间结构具有相似性。
西北内陆盆地山区含水层地质时代和岩性非常复杂，多以冰积、洪积和冰水堆积碎屑为主。平原区含水层主要为第四系冲洪积物，山前地带，以早、中更新世冰水、洪积卵砾相沉积地层为主，盆地中心渐变为冲洪积砂与粘土互层。晚更新世以砂卵石层、冰水相砂砾石、砂岩，洪积、冰洪积为主。全新统多以风沙为主，形成了西北地区沙漠。各盆地含水层以山前倾斜平原第四系孔隙介质为主。由山边向盆地中心，地下水具有明显的分带规律，从山前到盆地的排泄中(湖泊及尾闾湖)，含水层从单层潜水含水层向多层承压含水层变化，山前冲洪积扇的中上部，一般为单层结构松散岩类孔隙潜水含水层系统;在冲洪积扇下部、冲湖积平原和湖积平原都为多层结构孔隙潜水、孔隙承压水含水层系统，到盆地中心形成多层结构的湖沼低地高矿化地下水带。
柴达木盆地为中新生代断陷盆地，盆地基底由前古近纪地层组成，盖层为古近-新近系和第四系。盆地周边山区以前古近纪地层为主，盆地区及盆缘带以古近-新近纪地层为主，第四系主要分布于盆地之中和山间宽谷区。始新世以后盆地进入以强烈上升运动为主，但昆仑山和祁连山抬升速率较大，导致两块体间的盆地相对下沉运动加剧，盆地区古近-新近系广泛分布，为一套冲积扇-河流-湖泊相碎屑岩建造，盆地西部沉积厚度大于5000m。第四纪时期盆地经历了早更新世的河湖期、中更新世山区冰川发育期，晚更新世时盆地湖区出现了局部隆起的整体的湖盆开始解体，在干旱气候条件下湖泊逐渐退缩形成的现代盆地中心的盐湖湖泊及盆地边缘的山间盐湖。柴达木盆地以祁连山和昆仑山的侧向挤压而形成了相对的多个坳陷区，从而成为第四纪地层的沉积中心。由于各坳陷区的沉降幅度相差较大，使第四系厚度横向变化甚大。盆地西部的雁列式隆起带、老茫崖、各盆地近山前大部地区和山间宽谷区第四系厚度多小于500m;盆地西北部的花土沟、冷湖、苏干湖等地和各盆地近山前—中部过渡带大部地区第四系厚度多为500～1000m;盆地西北部的一里坪、马海盆地和东、西台吉乃尔等盆地中部地区第四系厚度1000～2000m，部分地区大于2000m;东达布逊湖和西达布逊湖地区是盆地最大的沉降中心，第四系厚度大于3000m。柴达木盆地四周山区地表水系是盆地地下水的主要补给源，昆仑山前冲洪积含水层厚度大，岩性颗粒粗，透水性强，水质良好;冲湖积平原岩性结构黏性土与砂层互层明显，水动力特征在阿拉尔、芒崖、乌图美任-察汗乌苏地区表现出潜水与承压水兼有。
准噶尔盆地随着阿尔泰山和天山的不断抬升，在盆地边缘形成了广阔的台地和丘陵，盆地中心气候逐渐变干旱，以至于盆地内沙漠发育。地层和构造是控制盆地含水层分布及富水性的直接因素。第四纪新构造运动以来，盆地周边山地强烈上升，南缘下降，形成凹陷，下降幅度可达1000m。博尔塔拉谷地第四系厚达600～900m，精河—大河沿山前断陷厚350～1500m，天山北麓沿乌伊公路一带厚1000～1200m，向北逐渐变薄，到古尔班通古特沙漠以北第四系厚度一般小于50m。由于东部山体上升速度大于西部，沉降中心逐渐向西推移;晚更新世以来，艾比湖地区成为了现在的沉降中心。精河北东至艾比湖南东地区，第四纪沉积厚度为100～300m。准噶尔盆地第四系岩性主要为洪积相及冲湖积相松散大颗粒堆积物，山前平原厚度300～600m，至盆地中心岩性由粗逐渐变细，由巨厚的砾石、砂砾石倾斜平原过渡到细土平原区，是主要潜水和承压水分布区。
塔里木盆地是发育在地台上的一个大型断陷盆地。新生代是盆地发育的盛期，随着青藏高原的迅速隆起，盆地快速下沉，在盆地内沉积了巨厚的古近-新近系碎屑岩和第四纪松散沉积物，为地下水的赋存与运移提供了空间。山前倾斜平原多为洪积的卵砾石层，是主要的潜水含水层。冲湖积平原和湖积平原主要是第四系承压含水层。
河西走廊中生代以来，大部分地区发生了以强烈的差异性断块运动为主的构造运动，晚近地质构造及其所形成的大地貌形态，对地下水的运动与聚集起着决定性作用。南部形成祁连山—阿尔金山山地;北部为北山山地;中部走廊平原区，受中新生代以来一系列NWW、NW和近EW向的大断裂及沿断裂产生的断块分异控制，将走廊分割成许多规模不等的构造地貌盆地。从东向西，分布着三大内陆河系:石羊河流域水系、黑河流域水系和疏勒河流域水系。它们均发源于南部祁连山区，降水、冰川融水是河流的主要补给来源。每个盆地有被构造-地貌所控制的含水层系及独立的补给、径流、排泄条件，形成相对独立的水文地质单元。这些独立的水文地质单元又通过河水与地下水之间的相互转化，使南北方向上同属一个河系的两个或三个盆地中的水流连接成统一的“河流-含水层”系统。
二、含水层空间结构
柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地以及河西走廊等西北内陆盆地，四周基本都由高大山脉。山区含水层分布非常复杂，含水层组地质时代和岩性多样，有山间河谷第四系松散岩类孔隙含水层、古近-新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水层、古生代前古生代的碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层、岩浆岩类孔隙裂隙含水层、变质岩类裂隙含水层以及多年冻结层含水层。每个盆地周边山区含水层的地质时代和空间分布差异都较大。
盆地区主要为第四系松散岩类孔隙含水层。由于含水层形成条件相似，从山前冲洪积扇到湖积平原，含水层空间结构也非常相近，基本都由单一含水层向潜水-承压水多层含水层呈规律性变化(图3-1-3)。
图3-1-3 柴达木盆地山区到盆地中心区域水文地质剖面示意图
(一)山前冲洪积扇中上部单一潜水含水层
为西北内陆盆地山前一系列河流冲洪积扇后缘及中上部，在地貌上表现为戈壁砾石带，为大厚度的单一潜水含水层。含水层主要为山前堆积的巨厚的第四系粗颗粒松散沉积物，其孔隙构成了地下水的储存空间，含水层颗粒粗大，以砂砾卵石层为主。
柴达木盆地在昆仑山前有那陵格勒河洪积扇、格尔木河洪积扇、香日德河冲洪积扇，在都兰地区有察汗乌苏河冲洪积扇，在北盆地有巴音河-阿尔金山山前冲洪积扇，在西部有库木拉克河洪积扇等，这些冲洪积扇的中上部都为大厚度的单一潜水含水层。准噶尔盆地前冲洪积扇单一潜水含水层主要分布于环准噶尔盆地南缘的北天山山前地带、乌鲁木齐南部柴窝堡盆地周边山前地带、西部玛依勒山-成吉思汗山南麓山前地带。北天山山前地带含水层介质粒径纵向上南粗北细的变化规律，即由南部粗大颗粒的卵砾石向北部较细颗粒的砂砾石，垂向上厚度及岩性特征变化较大，总体上表现为上粗下细的特征，即上部为卵砾石、下部为砂砾石。一般扇轴部位含水层较厚，沉积物颗粒粗，而扇间含水层较薄，沉积物粒度相对较细。乌鲁木齐南部柴窝堡盆地周边山前地含水层由含砂卵石和砾石组成，含水层厚度大。依勒山-成吉思汗山南麓山前地带含水层岩性为厚薄不均的卵砾石、砂砾石、砂，厚度变化较大。
(二)冲洪积扇前缘及冲湖积平原潜水-承压水双层或多层结构含水层
主要分布于冲洪积扇前缘及细土平原带。上部为潜水含水层，下部为多个承压含水层。含水层的沉积颗粒较山前有所减小，含水层岩性为砂砾石，粗中砂夹砾卵石、粗中砂、细砂。
柴达木盆地昆仑山前那陵格勒河洪积扇、格尔木河洪积扇、香日德河冲洪积扇、都兰地区察汗乌苏河冲洪积扇、北盆地巴音河-阿尔金山山前冲洪积扇，西部库木拉克河洪积扇的前缘以及冲湖积平原区(细土平原区)，都为典型的潜水－承压水双层或多层结构含水层。含水层冲洪积扇前缘不连续分布，在冲湖积平原含水介质横向上呈大面积连续展布，垂向上有较大差异，承压-自流水含水层厚度、岩性、水头均呈不规则的变化。自洪积扇前缘向盆地中心含水层厚度由厚变薄，岩性由粗变细，隔水层变厚，水头升高。准噶尔盆地冲湖积平原潜水-承压水双层或多层结构含水层主要分布于古尔班通古特沙漠南缘以南至天山北麓潜水溢出带以北的大部分地区，乌鲁木齐南部柴窝堡盆地也有小面积分布;表现为上部潜水、下伏承压水或自流水的双层或多层含水层结构;上覆潜水含水层从山前向汇流中心(玛纳斯湖和艾比湖)呈现有规律的变化，颗粒由山前向下游由粗变细，岩性由山前溢出带的砂砾石向下游渐变为砂，厚度由上游向下游逐渐变薄。承压含水层结构由上游向下游呈现有规律的变化，由上游向下游，含水层厚度和单层厚度逐渐变薄，弱透水层增厚，含水层颗粒变细。
(三)湖积平原承压-自流水多层结构含水层
主要分布于盆地的湖积平原区，一般由数个承压含水层;含水层单层较薄，含水层岩性一般为中细砂、粗中砂和粉细砂，隔水层主要由不透水的亚砂土、亚粘土、粘土等构成，与含水层互层状分布。
如柴达木盆地湖积平原承压-自流水多层结构含水层主要分布在尕斯库勒湖—东西台吉乃尔湖地区，东、西达布逊湖地区，大柴旦湖-小柴旦湖地区、托素湖-尕海地区。承压含水层一般数层。自湖积平原边缘至盐湖中心，一般依次分布微咸、半咸水、咸水、卤水。准噶尔盆地湖积平原承压-自流水多层结构含水层主要分布南部艾比湖、玛纳斯湖及其周边地带。
三、含水层系统
西北内陆盆地山区含水层系统非常复杂，有山间河谷第四系松散岩类孔隙含水层亚系统、古近-新近系碎屑岩类孔隙裂隙含水层亚系统、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层亚系统、岩浆岩类孔隙裂隙含水层亚系统、变质岩类裂隙含水层亚系统以及多年冻结层含水层亚系统等。每个盆地周边山区含水层的地质时代和空间分布差异都较大。
西北内陆盆地平原区含水层系统主要为第四系松散岩类孔隙含水层，它们是盆地地下水的主要赋存空间。平原区第四系松散岩类孔隙含水层系统在平面上受次级构造盆地或从山区到盆地汇水中心流域控制，可进一步划分为多个亚系统。在垂向上，根据水循环交替强弱分为浅层含水层系统、中深层含水层系统。如柴达木盆地浅层含水层水系统指山前洪积扇150～200m以浅的潜水含水层以及冲湖积平原的潜水含水层、多层承压含水层的上部，该系统内地下水循环强烈，是地下水积极交替带，地下水平均年龄为数十年;中深层含水层系统在山前洪积扇一般为200m以深的潜水含水层，以及冲湖积平原和湖积平原的多层承压含水层的中下部，该系统内地下水循环缓慢，地下水平均年龄在数千年到数万年左右。准噶尔盆地浅中层含水系统在山前冲洪积扇顶部指埋藏深200m以浅的潜水含水层，在冲洪积扇中部、前缘以及细土平原为整个潜水含水层及多层承压含水层的上部，地下水径流较快，交替较迅速;深层承压水含水层系统，埋深超过200m，含水岩组多为Qp1、Qp2时期的冰水沉积物，唯一的补给来源为山前冲洪积扇深部潜水的侧向径流，地下水径流非常缓慢。
四、西北内陆盆地含水层典型特征
1)西北内陆盆地山区含水层系统复杂，含水层组地质时代和岩性多样。各盆地周边山区含水层的地质时代和空间分布差异较大。
2)西北内陆盆地平原区主要为第四系松散岩类含水层系统，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。
西北内陆盆地平原区含水层主要为第四系冲洪积物，山前地带以下中更新统冰水、洪积卵砾相沉积地层为主，盆地中心渐变为冲洪积砂与粘土互层。上更新统为砂卵石层、冰水相砂砾石、砂，洪积、冰洪积物为主。全新统多以风沙为主，形成了西北地区沙漠。中更新统和上更新统形成了西北内陆盆地主要含水层。各盆地含水层以山前倾斜平原第四系孔隙介质为主。由山边向盆地中心，含水层具有明显的分带规律，从山前到盆地的排泄中(湖泊及尾闾湖)，含水层从单层含水层向多层承压含水层变化，含水介质由粗颗粒向细颗粒变换。
3)各内陆盆地平原区含水层空间结构非常相近，从山前冲洪积扇到湖积平原，基本都由单一含水层向潜水-承压水多层含水层呈规律性变化。
山前冲洪积扇中上部为单一潜水含水层，冲洪积扇前缘及冲湖积平原潜水-承压水双层或多层结构含水层，湖积平原承压-自流水多层结构含水层。
4)平原区含水层在山前冲洪积扇常常形成相对独立的体系，在冲洪积扇前缘—冲湖积平原区，含水层相互连通，形成大范围分布、相互间具有水力联系的统一的多层含水层系统。
5)由山前倾斜平原向盆地中心，含水介质在纵向上岩性颗粒由粗变细，即由卵砾石层逐渐过渡为砂砾石、粗细砂及粉砂、亚砂土;在垂向上由单一卵砾石层过渡为砂砾石、砂层、亚砂土、亚粘土相互叠置的多层结构。