同位素地球化学是地质学的一个方面，其基础是研究各种元素的同位素相对丰度的自然变化。同位素丰度的变化可以用同位素比值质谱法来测量，它可以揭示岩石、空气或水体的年龄和起源，或它们之间的混合过程。

稳定同位素地球化学主要研究质量同位素分馏引起的同位素变化，而放射成因同位素地球化学主要研究天然放射性的产物。

一、稳定同位素地球化学

对于大多数稳定同位素来说，动力学分馏和平衡分馏的分馏量都很小；由于这个原因，富集通常以“千分之一”(‰)来报告。这些相对富集系数(δ)代表重同位素比轻同位素样品在一个标准的比率。也就是：

1.氢（H）

氢同位素生物地球化学

2.碳（C）

研究主题：δ13C

碳有两个稳定的同位素，12C和13C，还有一个放射性同位素，14C。

δ13C稳定碳同位素比率的衡量参考Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB)标准。稳定碳同位素主要通过光合作用进行分离。13C/12C比值也是古气候的一个指标：植物残体比值的变化表明光合作用量的变化，从而表明环境对植物的有利程度。在光合作用过程中，C3途径的生物比C4途径的生物表现出不同的富集，使科学家不仅能够区分有机物和非生物碳，还能区分有机物所使用的光合作用途径的类型。全球13C/12C比值中偶尔出现的峰值也可作为化学地层学的地层标志，特别是古生代。

14C比率已被用于跟踪海洋环流等。

3.氮（N）

氮有两个稳定的同位素，14N和15N。它们之间的比率是相对于周围空气中的氮来测量的。氮比率经常与农业活动有关。利用温室气体N2O.的数据，氮同位素数据也被用来测量平流层和对流层之间的空气交换量

4.氧（O）

氧有三个稳定的同位素:16O、17O和18O。氧比是相对于维也纳标准平均海水Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOW)或Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB)来测量的。氧同位素比率的变化被用来跟踪水的运动、古气候和大气气体，如臭氧和二氧化碳。通常，VPDB氧基准用于古气候，而VSMOW用于大多数其他应用。氧同位素出现在大气臭氧的异常比例，由非质量分馏造成。化石中有孔虫的同位素比值被用来推断古代海洋的温度。

5.硫（S）

硫有4种稳定同位素，丰度分别为：32S(0.9502)、33S(0.0075)、34S(0.0421)和36S(0.0002)。这些丰度与Cayon Diablo陨硫铁的丰度相比较。利用硫同位素比值的变化来研究矿体中硫的来源和含硫矿物的形成温度。

二、放射性同位素地球化学

研究主题：放射性年代测定

放射性同位素为研究地球系统的年龄和起源提供了强有力的示踪剂。它们对于理解不同成分之间的混合过程特别有用，因为(重的)放射性同位素比率通常不被化学过程分离。

放射性同位素示踪剂与其他示踪剂一起使用时最有效：使用的示踪剂越多，对混合过程的控制就越强。这种应用的一个例子是地壳和地幔在地质年代中的演变。

2.1 铅同位素同位素地球化学

研究主题：铅-铅测年

铅有四种稳定的同位素:204Pb、206Pb、207Pb和208Pb。

铅是通过锕系元素衰变在地球上产生的，主要是铀和钍。

铅同位素地球化学对提供各种材料的同位素数据是有用的。因为铅同位素由不同的超铀元素由衰变产生，四个铅同位素的比率可以非常有用的跟踪火成岩熔体的来源、沉积物的来源,甚至可以通过牙齿、皮肤和骨头的同位素指纹来探索人类的起源。

它已被用于确定北极大陆架冰芯的年代，并提供有关大气铅污染来源的信息。

铅铅同位素已经成功地应用于法医学中的指纹符号，因为每批符号都有自己独特的204Pb/206Pb与207Pb/208Pb的比值。

2.2 钐-钕

研究主题：钐-钕年代测定法

钐-钕是一种同位素系统，可用于提供地质资料和各种其他材料，包括考古发现(罐、陶瓷)的日期和同位素指纹。

147Sm衰变产生143Nd，半衰期为1.06×1011年。

地质年代测定通常是通过在岩石样品中测定几种矿物的等时线来实现的。确定了初始143Nd/144Nd比。

这一初始比例是根据CHUR(球粒均一储库)建立的模型，CHUR是形成太阳系的球粒物质的近似模型。CHUR是通过分析球粒陨石和无球粒陨石确定的。

样品相对于CHUR的比率的差异可以给出从地幔中提取的时代的模式年龄(假定已经计算出相对于CHUR演化历史)，以及花岗质来源(放射产生的Nd亏损)、地幔或丰富来源。

2.3 铼-锇

研究主题：铼-锇年代测定法

铼和锇是亲铁元素，在地壳中含量很低。铼经过放射性衰变产生锇。非放射成因锇与放射成因锇的比例随时间而变化。

铼比锇更容易进入硫化物。因此，在地幔熔融的过程中，铼被剥离出来，从而阻止了锇—锇比的明显变化。这锁定了样品在熔融时的初始锇比例。利用锇-锇初始比值确定地幔熔融事件的源特征和年龄。

三、惰性气体同位素

稀有气体中的自然同位素变异是由放射性和核生成过程造成的。由于其独特的性质，将它们与上述传统的放射性同位素系统区分开来是很有必要的。

3.1氦- 3

氦-3在行星形成时就被困在了里面。一些3He是由陨星尘增加的，主要聚集在海底(尽管由于俯冲作用，所有海洋构造板块都比大陆板块年轻)。然而，在俯冲过程中，海洋沉积物将脱气，所以宇宙成因并不影响地幔的浓度或惰性气体比率。

氦-3是由宇宙射线轰击和通常发生在地壳中的锂分裂反应产生的。锂分裂是高能中子轰击一个锂原子，产生一个3He和一个4He离子的过程。这需要大量的锂来对3He/4He比率产生逆影响。

由于氦的平均速度超过了地球的逃逸速度，所有被脱气的氦最终都会被释放到太空中。因此，假定氦的含量和地球大气的比例基本上保持稳定。

据观察，3He存在于火山排气和洋中脊样品中。人们正在研究氦是如何储存在行星上的，但它与地幔有关，并被用作深源物质的标志。

由于氦和碳在岩浆化学中的相似之处，氦的逸出需要从地幔中损失挥发性成分(水、二氧化碳)，这发生在60公里以下的深处。然而，3He被输送到表面，主要困在流体包裹体内矿物的晶格中。

氦-4是通过放射性物质(通过铀/钍系列元素的衰变)产生的。与地幔有关的那些元素使大陆地壳变得丰富，因此地壳中产生的He4比地幔中多。

3He与4He的比值(R)常被用来表征3He的含量。R通常以当前多个大气的比率(Ra)的形式给出。

常见的R / Ra值:

古陆壳：小于1

大洋中脊玄武岩(MORB): 7 – 9

扩张脊岩石：9.1±3.6

热点岩石：5 – 42

海洋和陆地水：1

沉积地层水：小于1

热泉水：3 – 11

3He/4He同位素化学用于地下水定年、地下水流速估计、跟踪水污染、提供热液过程的信息以及火成岩地质和矿床的成因。

(U-Th)/He磷灰石定年是一种热年代学工具

美国地质勘探局：猛犸山喷气孔的氦排放(MMF)

四、锕系元素衰变链中的同位素

锕系衰变链中的同位素在放射性同位素中是独特的，因为它们既是放射产生的又是具有放射性的。由于它们的丰度通常被引用为活度比而不是原子比，因此最好将它们与其他放射性同位素系统分开考虑。

4.1镤/钍- 231Pa / 230Th

铀在海洋中混合得很好，在恒定的活度比(0.093)下，其衰变产生231Pa和230Th。通过吸附沉降粒子，衰变产物被迅速去除，但速率不同。231Pa的停留时间相当于大西洋盆地的深水停留时间(大约1000年)，但230 Th的迁移速度较快(几百年)。温盐环流有效地将231Pa从大西洋输送到南大洋，而其余的230Pa大部分留在大西洋沉积物中。因此，大西洋沉积物中231Pa/230Th比值与倾覆率之间存在一定的关系：倾覆越快，沉积物231Pa/230Th的比值越低，倾覆越慢，沉积物231Pa/230度的比值越高。δ13C和231Pa/230Th可以提供一个更完整的了解过去的循环变化。

五、人为的同位素

5.1氚/氦- 3

氚是在核弹大气试验中释放到大气中的。氚的放射性衰变产生惰性气体He-3。比较氚和氦-3 (3H/3He)的比例，可以估算出最近地下水的年龄。

美国地质调查局的氚/氦- 3定年

水文同位素示踪剂-氦