研究氢同位素在天然物质中的丰度、变异规律和地质含义。天然氢中有两种稳定的同位素1H和2H(D)，它们的丰度分别为99.985％和0.015％。氢的同位素组成δD表示,δSMOW(见稳定同位素地球化学)是D标准。天然物质中的天然物质。δD值的分布显示在图中。从图中可以看出，地球物质中的大气水(雨水)。δD变化最大，从-500变化。～ 50‰；而月球物质δD的变化范围很大，从-917变化。～ 303‰。δD的变化范围很大，主要是因为1H和2H的相对质量差异最大，为100。‰，因此，同位素分馏更为明显。
氢只存在于云母、闪石等天然矿物中的一些含水矿物中。氢气在水圈和生物圈中广泛分布，甚至可以达到地幕的深度。研究表明，温度为40000。～800℃以下含水矿物D由高到低的顺序为：白云母＞金云母＞角闪石＞黑云母。根据实验和计算，Al-OH(羟基)键矿物显著富含D，而Mg-OH键矿物含D比Al-OH键矿物少66。‰，Fe-D比Al-低7000的OH键矿物含量‰。也就是说，含羟基(OH)矿物间氢同位素在Al中的分馏作用，Mg、Fe含量函数。
一些含水矿物与水之间的氢同位素交换速度按以下顺序增加：白云母亲＜角闪石＜黑云母≤硬水铝石＜黝帘石＜绿帘石＜水铝石。若粘土矿物颗粒小于44微米，则为100微米。～蒙脱石在200℃下的交换速度比伊利石和高岭石高300℃。～5倍。当温度低于100℃时，粘土矿物和水中的氢同位素交换速度非常低，甚至难以进行模拟试验。这表明氢同位素的分馏受矿物成分、结构、粒径等因素的影响。
氢同位素通常与地质应用中的氧同位素数据相结合，以确定矿热液的来源和矿床的原因，从而提供重要信息。氢同位素在地质温度测量中的应用正在探索中。
