Das Einzugsgebiet des Pegels Martinstein liegt im Hunsrück und im Saar-Nahe-Bergland. Der Hunsrück ist geprägt von devonischen Schiefer, Quarziten und Grauwacken, während das Saar-Nahe-Bergland aus Sedimenten und Vulkaniten des Rotliegenden aufgebaut ist.

Der Hunsrück ist der südwestliche Teil des Rheinischen Schiefergebirges. Er wird aus diagenetisch verfestigten, devonischen Sedimentgesteinen, im Wesentlichen Tonschiefer (Hunsrückschiefer) und Quarzite (Taunusquarzit), aufgebaut. Die devonischen Flachwasserablagerungen wurden zu mächtigen Schichtfolgen angehäuft und durch die variskische Gebirgsbildung verfaltete, verschiefert und herausgehoben. Durch die damit verbundene starke Verdichtung der Gesteine ist eine Wasserzirkulation nur in Klüften und Spalten möglich. Besonders die Quarzitzüge sind regional bedeutende Kluftwasserleiter, an deren Hangfüßen häufig Quellaustritte zu finden sind.

Im Einzugsgebiet des Pegels Martinstein wird der nordwestliche Teil vom Hunsrück eingenommen. Dieser Teil des Einzugsgebietes ist gekennzeichnet durch drei variszisch südwest-nordost streichende Gebirgszüge aus Taunusquarzit (Darustwald- und Hermeskeil-Schichten), die die Schieferhochflächen durchziehen und sie als Härtlingszüge überragen: der Große Soon (Soonwald), der Idarwald und die Dollberge und Herrsteiner Forst, Teile des Schwarzwälder Hochwaldes (Hoch- und Idarwald). Der schwer verwitterbare Taunusquarzit besteht aus Quarzsandstein und quarzitischem Sandstein mit Einschaltungen von Ton- und Siltstein. Die Quarzithärtlinge sind von Fließerden und Abschwemmmassen (Hangschutt) umgeben, die in Muldenlagen zu Moorbildung führen.
Der größte Teil des Einzugsgebietes wird vom Hunsrückschiefer eingenommen. Im Norden, im Bereich der Hunsrückhochflächen, steht Schiefer der Singhofen-Schichten (sandig-schiefrige Fazies) aus einer Wechsellagerung aus Ton-, Silt- und Sandstein an. In der Simmerner Mulde liegt der Hunsrückschiefer i.e.S. vor, der überwiegend aus Ton- und Siltstein mit Einschaltungen von Sandstein besteht. 

Der Übergang vom Hunsrück zum Saar-Nahe-Beckern wird durch die Hunsrück-Südrand-Störung gekennzeichnet. Von den im Zusammenhang mit dieser Störung auftretenden Gesteine treten im Einzugsgebeit metamorphen Gesteine nördlich des Pegels Martinstein aus Grünschiefer und Gneisen der metamorphen Zone des Hunsrücksüdrandes  auf. Auch das Auftreten eines dunkel-graugrünem, dichten bis kleinkörnigen, oft porphyrischem Metabasalt snördlich des Pegels im Schiefergebiet ist in diesem Zusammenhang zu sehen.

Das sich südöstlich an den Hunsrück anschließende Saar-Nahe-Becken ist das größte geschlossene Rotliegend-Gebiet Deutschlands. Über Schichten des Karbon, die vor allem im Saargebiet zu Tage treten, liegen mehr als 3000 m mächtige Rotliegend-Sedimente, in die teilweise sehr große Körper von Vulkaniten eingeschaltet sind.

Das Saar-Nahe-Becken entstand als intramontane Senkungszone des variszischen Gebirges. Durch terrestrische Sedimentation des Abtragungsschutts umgebender Gebirge entstanden im Permokarbon Konglomerate, Breccien, Sand- und Tonsteine und Kohleflöze. Im Zusammenhang mit tektonischen Ereignissen im Rotliegenden kam es zu Beginn des Oberen Rotliegenden zum Aufdringen von vulkanischen Gesteinen, dem sog. Grenzlager. Teils basische, teils intermediäre und sauge vulkanische Gesteine und deren Tuffe flossen aus oder indtrudierten in die Sedimentgesteine des Unteren Rotliegenden. Besonders große derartige Körper sind der Melaphyr-Komplex von Baumholder-Kirn-Idar-Oberstein. Über diese Vulkanite folgen meist rote Fanglomerate, Arkosen, Sandsteine und Tonsteine, die teilweise schon reichlich Abtragungprodukte der Grenzlager-Vulkanite enthalten. zur beckeninternen Förderung von Laven, Tuffen und sauren bis basischen Intrusionen. 

Die Sedimente des Rotliegenden bestehen aus Wechsellagerungen aus grauen und roten Ton-Silt-und Sandsteinen, Konglomeraten sowie Tuff und Kalksstein der Glan-Subgruppe, bzw. Wechsellagerungen aus rotem Ton-, Silt- und Sandstein, gebietsweise mit äolischem Fein- bis Mittelsandsteinen, und führen besonders in den Randbereichen rote Bekzien und Konglomerate. Diese Sedimente werden zur Nahe-Subgruppe gezählt.

Die Vulkanite am Übergang zum Hunsrück sind überwiegend intermediäre bis basische, grauschwarze basaltische Andesite und tholeyitische Basalte als Intrusiva mit einer feinkörnigen Matrix aus Plagioklas und wenig Pyroxen. Die meisten Vulkanite im Einzugsgebiet bestehen aus basischen bis intermediären Effusiva: grauschwarze bis grünschwarze basaltische Andesite und Andesit mit subophitischem bis intergranularem Gefüge. Südwestlich von Birkenfeld befinden sich saure bis intermediärenIntrusiva: mittelgrauer Rhyolith, Dazit bis Altkalifeldspat-Trachyt mit einer dichten Grundmasse mit Einsprenglingen aus Quarz, Sanidin und Biotit.

Für den südlichen Teil des Einzugsgebietes liegen keine darstellbaren Daten vor. Dieser Bereich ist in der Karte weiss dargestellt. Im nicht dargestellten Bereich hat der Hunsrück nur noch einen kleinen Anteil. Die überwiegende Fläche gehört zum Oberen Nahebergland, der durch permische Sedimente und Vulkanite gekennzeichnet ist.

Die geologische Karte basiert auf einem Auszug der Geologische Übersichtskarte von Rheinland Pfalz 1:300.000 (GÜK 300). Für die Darstellung wurden ähnliche geologische Einheiten unter Berücksichtigung der Durchlässigkeit der Gesteine vereinfachend zusammengefasst.

Quellen: GÜK 300 Stand 3/3003; Hennigsen/Katzung 1997; Kneidl1984).