研究天然物質中氫同位素的豐度、變異規律及地質意義。自然界氫有2個穩定同位素1H和2H（D），它們的豐度分別為99.985％和0.015％。氫的同位素組成用δD表示，δD的標準採用SMOW（見穩定同位素地球化學）。天然物質中δD值的分佈如圖所示。由圖看出，地球物質中大氣水（雨水）的δD變化範圍最大，由-5000～+50‰；而月球物質的δD變化范圍更大，由-917～+303‰。δD之所以變化范圍大，主要是由於1H和2H的相對質量差別最大，為100‰，因而同位素分餾更顯著。
在天然礦物中，氫僅存在於一些含水礦物中，如雲母類、閃石類等。在水圈和生物圈中氫廣泛分佈，甚至可達地幔的深度。實驗研究表明，在溫度400～800℃條件下，含水礦物中D由高到低的順序是：白雲母＞金雲母＞角閃石＞黑雲母。據實驗和計算，Al-OH（羥基）鍵的礦物顯著富D，而Mg-OH鍵礦物所含D比Al-OH鍵礦物少6‰，Fe-OH鍵礦物所含D比Al-OH鍵礦物少70‰。這就是說，含羥基（OH）礦物間氫同位素的分餾作用也是Al、Mg、Fe含量的函數。一些含水礦物與水之間的氫同位素交換速度按下列順序增加：白雲母＜角閃石＜黑雲母≤硬水鋁石＜黝簾石＜綠簾石＜水鋁石。當粘土礦物顆粒小於44微米時，在100～200℃溫度之間蒙脫石的交換速度比伊利石和高嶺石高3～5倍。當溫度低於100℃時，粘土礦物與水的氫同位素交換速度很低，甚至難以進行模擬實驗。這些情況說明氫同位素的分餾受礦物組分、結構、顆粒大小等諸多因素的影響。
在地質應用上，在確定成礦熱液來源和礦床成因方面氫同位素經常與氧同位素資料相結合應用，可以提供重要的信息。氫同位素在地質測溫中的應用正在探索中。