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某元素的同位素在物理、化学、生物等反应过程中以不同比例分配于不同物质之中的现象称为同位素分馏（isotopic fractionation）。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。物理化学上，可将同位素分馏分为热力学平衡分馏（thermodynamic equilibrium fractionation)、动力学非平衡分馏...
