地层由Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、H、C和O等元素构成的各种矿物和流体组成，其中矿物像人的骨架一样支撑着整个地层，所以各种矿物又称为岩石骨架。作为常见的地层骨架组分，砂岩主要含量为二氧化硅（SiO2），碳酸盐岩主要为碳酸钙（CaCO3），白云岩主要为碳酸镁钙［CaMg（CO3）2］，它们的分子组成不同导致其物理性质存在差异。如何通过测井方法来确定这些不同的矿物和岩石骨架类型呢？常规的测井方法，如自然伽马、电阻率和声波时差等，由于会同时受到地层流体和骨架等多种因素的影响，准确确定矿物和元素成分比较困难。为解决地层元素准确评价面临的难题，测井科学家发明了元素测井。
井下地层中不仅岩石矿物的类型很多，不同矿物的组合和含量不同，而且井下地层中具体含有哪几种矿物事先也是不知道的。因此，想要直接确定地层中的骨架矿物成分是很困难的。而元素测井采取“反向思维”的策略，将研究对象从矿物或化合物层面转化为元素层面，直接确定地层中含有哪些元素，再通过相关的数学算法反过来确定骨架矿物组分。据统计，地壳中分布最广的是下述8种元素，占地壳物质总量的98．26％：O（46．50％）、Si（25．70％）、Al（7．65％）、Fe（6．24％）、Ca（5．79％）、Mg（3．23％）、Na（1．81％）、K（1．34％）。其中O、Si、Al元素总量为地壳总质量的79．85％。只要精确测量到这些元素的含量，便可以鉴别地层主要矿物含量。
地面实验室进行岩石元素和矿物成分分析的主要技术手段有X射线衍射、中子活化分析等技术。像密度测井一样，既然在地面上可以通过实验能够测量岩石的骨架组成，那么能否将这个“实验室”搬到地层下来测量呢？X射线衍射实验设备无法做到小型化，但中子仪器却可以实现，因此，元素能谱测井应运而生。
不同元素能谱测井仪结构不同，但都是由一个中子源及若干个伽马探测器组成。当仪器在井下工作时，元素能谱测井仪利用平均能量约为4．6兆电子伏的镅—铍（Am－Be）中子源或能量为14兆电子伏的氘—氚（D－T）中子源发射中子，中子与地层中的原子核发生非弹性散射、弹性散射及辐射俘获等相互作用。地层中不同的原子核有着各自的“身份证”，在中子的非弹性散射过程和热中子的俘获过程中，地层原子核与中子相互碰撞产生出能代表自己特征的不同能量伽马射线，这就是非弹和俘获伽马能谱的由来。
将探测器测量的响应能谱看作所有元素标准谱按照其含量的线性叠加，再利用不同元素的“身份证”也就是标准谱解析测量能谱，可把不同元素的含量计算出来，也就是获取地层元素产额，利用氧化物闭合模型（地层元素主要以氧化物形式组成，每种元素含量由元素产额与灵敏度因子的比值及归一化因子乘积得到，其中归一化因子满足闭合条件，即所有元素的质量百分含量之和等于1）等方法确定元素含量。获取了地层各个元素含量以后，再利用矿物化学式中各种元素的原子数量来计算矿物含量，就能实现地层矿物的识别。这就是“反向思维”所带来的好处。
元素测井作为能够精确确定地层骨架组分的测井方法，能够提供极其丰富的信息供地质学家和测井工程师参考。尤其是对于近年来世界各国大力发展的页岩气、致密油等非常规复杂油气资源的勘探开发，元素测井可谓是功不可没，在岩性评价、有机碳含量计算等方面发挥了巨大的作用。此外，应用在套管井中的碳氧比能谱测井技术同样也是基于碳和氧元素的“身份证”来识别地层中碳元素和氧元素的多少，判断地层孔隙中是否含有油气的。