自20世纪中期起，地质勘探开发朝向地壳深部寻找各类矿产资源，诸如:热水、卤水、盐类、油气和金属等矿床以及地球科学研究的需要，至今揭露盆地沉积层的深度已达到5～7km;个别的近12km，该钻井位于前苏联科拉半岛以北靠近挪威边境的地区，但这个深度仅为地壳厚度的1/6～1/7。
发现盆地沉积体系剖面较深部位的深层地下水(以下简称深层水)在溶解固体量(TDS)、化学组分构成、物理性质、温度、压力、介质环境特性、经济价值等，与接受大气降水补给、在侵蚀基准面以上的水交替流畅带的潜水及其下伏相邻沉积层水交替较流畅带的承压水存在本质的差别。据此，将沉积盆地深层水定义为:埋藏和赋存于较深部位沉积层中承压水的统称，隶属于外生成因水。
水文地质学的基本理论和方法面临深层水形成演化和成因，以及与其密切相关的金属和非金属矿床的成矿作用等问题的挑战。诸如:
其一，深层水的现代浓度、化学组分含量及其比值，微量、痕量组分的增高浓度构成的化学特性等，与其赋存的沉积层岩性、岩相之间存在不协调的现象和事件，如水化学可出现正向变质浓缩盐化或出现反向变质稀释淡化;在深层水中普遍分布着不同浓度的氯化钠钙型水，无论从其赋存的不同沉积相的普遍性方面，还是化学成分的特殊性方面均是典型的。氯的增高浓度有人谓之深部存在水氯圈，更甚者将此归因于与内生水上升有关。与水化学适应的渗流场呈现特殊的运动规律，究竟怎样解读深层水的成因，是外生水还是内生水，外生水是沉积成因水还是渗入成因水，沉积成因水是同生的还是后生的，渗入成因水是何时形成的古渗入水还是现代渗入水，何时发生成因类型的转化等。
其二，现代揭露和观察到的沉积层中油气藏的产状和分布乃是地质历史过程中历经了地质、构造、水文地质等综合作用的产物。石油是遭受了强烈变质作用的生物化学成因的矿物。石油形成的基本条件首先是在地表上必须形成很大的、具有化学成分的聚集体，其次必须具备有利于这些聚集体在水中分解的一定条件。从烃源岩中生物有机体的分解至生成油气，呈分散状的油气从生烃岩运移至储集层，在储集层中再运移，在不同性质的圈闭中浓集成藏;油气藏形成后可能出现两种情况，油气藏保存下来抑或遭到破坏。不言而喻，油气的生、运、聚、保、散的过程中均是在水的参与下进行的，地下水是油气运移的驱动力和载体，在地史过程中相互伴生、依存和演化。因此，依据现代水文地质资料，可归纳为评价含油性的各类指标，仅能描述预测油气藏存在的有利位置，指出找油的方向，但不能回答油气生成于何时，在地史时期里经历了几次运移以及运移和主运期发生于何时，运移指向于何地浓集成藏，在地史过程中能否保存下来等深层次的问题。
其三，20世纪60年代以来，美国加利福尼亚南部、红海深部和前苏联里海切列谦半岛和堪察加尔现代地热异常区附近都陆续发现了含金属高盐度的热卤水，含有大量的金属组分，包括铁、锰、锌、铜、铅、银等氯化物，伴有或正在沉淀着各种金属和非金属矿物。美国、加拿大研究者研究密西西比型矿床硫化物(闪锌矿、方铅矿)和萤石中的液态包裹体的温度为70～180℃，液体主要是高浓度卤水，其中钠、钙、氯的含量高，而钾、镁、硫酸根和硼的含量低，且含有微石油;硫化物和萤石中包裹体的Cl-Na·Ca卤水与北美大陆的油田卤水很相似，不同的是包裹体卤水K/Na比值，铜、锌、锰含量远高于大多数油田卤水的含量。前苏联研究者研究了世界各国层状铅锌矿矿床发现，铅锌矿石富含硫的重同位素，且矿层内同位素比值相当稳定，并对某些含铜砂岩的矿化层硫同位素成分进行分析，均得出了热卤水参与金属成矿作用。热卤水成矿学说的崛起冲破了金属矿床传统的岩浆热液成矿说的束缚，但金属矿床外生成因论无疑需要获得更多的证据，还应深入研究现代含金属热卤水及其沉积层周围环境的特征;研究沉积物成岩作用各阶段伴生的水岩作用引发地层水化学属性的变化;加强气液包裹体、同位素的研究力度;开展水动力、水化学模拟实验研究等，旨在查明成矿金属的来源、搬运方式、运移通道、成矿作用机制和规律。
上述三个方面的问题，推动和促进了水文地质学采用古水文地质的理念和方法进行研究，这也是水文地质学发展创新的必由之路。