研究天然物质中氢同位素的丰度、变异规律及地质意义。自然界氢有 2个稳定同位素1H和2H(D)，它们的丰度分别为99.985％和0.015％。氢的同位素组成用δD表示,δD的标准采用SMOW（见稳定同位素地球化学）。天然物质中δD值的分布如图所示。由图看出，地球物质中大气水（雨水）的δD变化范围最大，由-500～+50‰；而月球物质的δD变化范围更大，由-917～+303‰。δD之所以变化范围大，主要是由于1H和2H的相对质量差别最大,为100‰，因而同位素分馏更显著。

在天然矿物中，氢仅存在于一些含水矿物中，如云母类、闪石类等。在水圈和生物圈中氢广泛分布，甚至可达地幔的深度。实验研究表明，在温度400～800℃条件下，含水矿物中D由高到低的顺序是:白云母＞金云母＞角闪石＞黑云母。据实验和计算,Al-OH（羟基）键的矿物显著富D,而Mg-OH键矿物所含D比Al-OH键矿物少6‰，Fe-OH键矿物所含D比Al-OH键矿物少70‰。这就是说,含羟基(OH)矿物间氢同位素的分馏作用也是Al、Mg、Fe含量的函数。一些含水矿物与水之间的氢同位素交换速度按下列顺序增加：白云母＜角闪石＜黑云母≤硬水铝石＜黝帘石＜绿帘石＜水铝石。当粘土矿物颗粒小于44微米时，在100～200℃温度之间蒙脱石的交换速度比伊利石和高岭石高3～5倍。当温度低于100℃时,粘土矿物与水的氢同位素交换速度很低，甚至难以进行模拟实验。这些情况说明氢同位素的分馏受矿物组分、结构、颗粒大小等诸多因素的影响。

在地质应用上，在确定成矿热液来源和矿床成因方面氢同位素经常与氧同位素资料相结合应用，可以提供重要的信息。氢同位素在地质测温中的应用正在探索中。