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所谓同位素分馏作用，是指同位素在化学变化或物理变化过程中，受到化学动力学和热力学的作用，而使同位素组成发生改变的作用，称作同位素分馏作用。

平衡态下的矿物或分子之间的同位素分馏，可以用来指示物质形成温度和过程的一些信息，是地球化学最重要的基本研究工具之一。比如一棵植物（如棉花）它的根、茎、叶上，其O18和D同位素组成是不一样的。这就是同位素分馏的结果。

自然界中的化学反应，不可逆反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应等过程都能引起同位素分馏。