同位素地球化学是研究地球和宇宙物质中核素的形成、丰度，以及根据这些核素在自然作用中的衰变和分馏来追踪各种地质地球化学作用过程的学科。它是地质学和物理学化学等相结合的新型学科，是建立在高精度分析测试和实验技术基础之上的。近一二十年来，同位素地球化学获得了广泛的应用和发展，它几乎渗透到地质学的各个领域，是当代地球化学学科的生长点之一。

同位素地球化学有二个重要分支学科。其一是放射性同位素地球化学及放射成因同位素示踪，主要根据放射性同位素的衰变进行地质体系计时、以及根据放射成因产物子体同位素组成进行示踪分析，大量的、尤其是早期的工作主要是计时，所以也称为同位素地质年代学。其二是稳定同位素地球化学，主要利用轻稳定同位素在自然界中的分馏进行地质作用示踪。

自然界同位素组成的变化具有以下一些重要特征:

绝对时标特征：由于放射性衰变、核裂变的速度不受外界温度、压力、电磁场等物理化学条件的影响，因此对于一个自然体系形成之后，并一直保持母子体元素比值不变或母子体比值变化遵循一定规律的体系，只要测定体系现在的子体同位素组成和母子体比值，就可计量体系所经历的时间，这一特征是同位素地质年代学的理论基础。

示踪特征：当一个自然体系发生变化形成新的体系时，其元素组成和母子体比值将随之发生变化，但是，只要发生变化的时间不是相当漫长，体系的同位素组成仍保持原来的特征，这种特征与原体系母子体的比值密切相关，只要通过一定的方法确定体系发生变化时的子体同位素组成，就可追索原体系的地球化学特征和演化历史。这种示踪特征对于近代岩浆作用具有特别意义，如通过新生代玄武岩的研究可以了解地幔源的地球化学特征和演化史。由于地球已经经历了复杂的化学过程，形成了上、下地壳及上、下地幔等层圈构造，长期的母子体分异、核过程和同位素分馏作用已造成了不同层圈放射成因子体同位素和轻质量稳定同位素组成上的明显差异，因此，根据成岩成矿物质的同位素组成可以推断物质的来源及不同源区之间的混合情况。上述二个方面构成了同位素示踪研究的正演和反演两条不同的途径。

能量特征：自然界的核裂变、衰变过程同时也产生可观的能量，这些能量构成了地球演化的主要能源。可以通过放射性母子体同位素组成与分布的研究，探讨地球各区域或各层圈的能量分布情况。同时，核过程所产生的射线、粒子与碎片的动能将在物质中留下径迹和辐射损伤，这些构成了裂变径迹年代学、热发光年代学和电子自旋共振年代学等的研究领域。

物理化学特征：自然界的同位素分馏效应是物理、化学、生物化学等过程所引起的，而一切过程的速度、化学过程的平衡常数等均与环境的物理化学条件(温度、压力、氧逸度、值等)密切相关，因此根据体系中不同矿物相在轻元素同位素组成上的差异。可以反推、计算体系曾经存在过的物理化学条件。

上述同位素丰度变化的四个特征便构成了同位素地质年代学和稳定同位素地球化学最基本的基础理论和研究范畴。