آب زیرزمینی، در بخش­های شمالی آبخوان شاهرود، داری تیپ بی­کربناته و کیفیتی مطلوب است، لیکن به‌صورت ناگهانی در بخش جنوب شرقی کیفیت آن کاهش می­یابد و در نهایت تبدیل به آبی شور با تیپ کلراید سدیم می­شود. در پژوهش حاضر جهت تعیین منشأ شوری آبخوان شاهرود تعداد 120 نمونه از بخش­های مختلف برداشت شده و مورد آنالیز شیمیایی و ایزوتوپی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مهم­ترین منشأ شوری آّب آبخوان، انحلال سازند تبخیری مارن ژیپسی حاوی ژیپس و هالیت است. قرارگیری نمونه­های آب شیرین روی خط ایزوتوپی بارش محلی، نشان می­دهد که منشأ این آب­ها، آب­های جوی حاصل از بارش کنونی منطقه می­باشد. اما نمونه­های آب شور بخش­های جنوب شرقی علی­رغم تشابه در محتوای ایزوتوپی اکسیژن، تهی­شدگی مشخص در دوتریم نسبت به بارش­های کنونی را نشان می­دهند. محتوای ایزوتوپی تریتیم در آب­های شور کمتر از TU 0.8 بود؛ در حالی‌که در نمونه­های شیرین، به حدود TU 2.7 افزایش یافت. با توجه به غیر محتمل بودن پدیدة تبخیر در شوری آبخوان بر اساس نتایج ایزوتوپی و عمق زیاد سطح ایستابی، منشأ آب­های شور در آبخوان شاهرود به بارش­های قدیمی­تر شاهرود با محتوای ایزوتوپی تهی­تر و وضعیت جوی مرطوبت­تر، مرتبط است. غنی­شدگی ایزوتوپی آب­های شور در محتوای اکسیژن (شیفت ¹⁸O) ناشی از واکنش­های آب-سنگ و پدیدة انحلال ژیپس است. بررسی­های هیدروژئولوژیکی ضمن تأیید کاهش سرعت جریان آب زیرزمینی در بخش­های جنوب شرقی، به دلیل عملکرد خط تقسیم آب زیرزمینی، نشان­دهندة کاهش ارتباط هیدرولیکی آب­های شور بخش جنوب شرقی با سایر بخش­های آبخوان بود. اختلاط آب­های شور قدیمی و آب­های جوی فعلی در محدوده خط تقسیم آب زیرزمینی مشاهده می­شود.