Fensfeltet består i stor grad (mer enn 60 prosent) av en type relativt sjeldne magmatiske bergarter kjent som karbonatitter. Disse bergartene representerer bergsmelte som trengte opp mot overflaten gjennom grunnfjellsgneiser sør for Norsjø i Telemark for 540 millioner år siden. De dannet trolig en vulkan på datidens overflate, men selve vulkanen er for lengst erodert bort. Det vi i dag ser er et 2–3 kilometer dypt snitt gjennom vulkanenes tilførselsrør. De øvrige bergartene i feltet er karbonatitter med silikatmineraler og bergarter som hovedsakelig består av mineralene nefelin og klinopyroksen (melteigitt, ijolitt, urtitt). Den mest interessante bergarten i økonomisk forstand heter rauhaugitt og er en jernholdig dolomitt-karbonatitt.

Rundt Fensfeltet er det en rekke spesielle gangbergarter og eksplosjonsbreksjer. I noen av disse finnes fragmenter som er revet med fra 60–70 kilometers dyp i Jordens mantel.

De omgivende grunnfjellsgneisene er omdannet ved kontakten mot Fenkomplekset til den feltspatrike bergarten fenitt ved en prosess som kalles for fenittisering, først beskrevet herfra av Waldemar Christopher Brøgger. Han hadde hevdet at karbonatittene og de andre bergartene var dannet ved størkning fra smeltemasser i dypet, men dette ble mottatt med skepsis av samtidige geologer. Først 40 år senere, i 1961, ble teorien sannsynliggjort ved at man fant den aktive karbonatittvulkanen Ol Doinyo Lengai i Tanzania, som spyr ut lettflytende strømmer av karbonatittlava. Vulkanen ligger i Den østafrikanske riften. Fensfeltet og Sør-Norge var også preget av skorpestrekning for 540 millioner år siden, og i begge tilfeller kommer bergsmelten fra mantelen under jordskorpen.

Fensfeltet har en av verdens største forekomster av thorium. Usikre anslag antyder at utvinnbare ressurser ligger mellom 56 500 tonn (lavt anslag ved dybde ned til 100 meter) og 675 000 tonn (høyt anslag ved dybde ned til 500 meter).

Selv om dette i internasjonal sammenheng er svært store forekomster, er det et problem at thorium opptrer i så ørsmå mineralkorn, finfordelt i bergartene, at dagens metoder ikke er gode nok for industriell ekstrahering.

Påviste forekomster av thorium i Fensfeltet representerer svært store energimengder. Ved spalting (se fisjon) av ett tonn thorium frigjøres energi tilsvarende 83,1 petajoule (PJ). For de påviste ressursene blir energiinnholdet:

• Lavt anslag: 4,78 zettajoule (10²¹ J)
• Høyt anslag: 56,1 zettajoule

Til sammenligning er Sokkeldirektoratets anslag over alle norske petroleumsressurser 0,461 zettajoule. Dette omfatter alt som er produsert, påvist som reserve og antatt uoppdagede ressurser.

Den samme karbonatitt-bergarten (rauhaugitt) som inneholder store mengder thorium inneholder enda mer sjeldne jordarter eller jordmetaller (REE) samt grunnstoffene niob (Nb) og fosfor (P).

Disse grunnstoffene har en rekke forskjellige anvendelser innen moderne teknologi, deriblant mobiltelefoner, vindturbiner, batterier, elbiler og forsvarsmateriell. Mineralene som inneholder de mest sjeldne jordartene er fluorokarbonater og monazitt. Også mineralet apatitt kan inneholde noe REE.

• Norges geologi
• sjeldne jordarter