在同位素混合物中，质量不同的轻重同位素由于物理-化学的作用，同位素会产生分离，轻同位素由于质量轻，比较活泼，易进入另一介质或另一相中，而重同位素由此得到富集，如用蒸馏法分离同位素时，轻同位素易进入气相，而重同位素留在液相中，氢与氘的同位素分离就是这样，又如12C、13C和14C同位素的分离，在它们进行交换过程中，轻同位素容易进入有机质中，而重同位素在无机碳酸盐得到富集，这样碳在交换循环链上的有机质和无机碳酸盐中所含14C的放射性比活度就会产生明显的差别，以上所产生的同位素分离，即通常所谓的同位素分馏。
大气中的二氧化碳和海洋碳酸盐进行交换时，碳酸盐中14C含量比例增加，比大气中的二氧化碳高1.6%。
为确定样品的同位素分馏效应，国际上采用南卡罗来纳庇弟层侏罗纪地层中产生的一种箭石(Belemnitella a-mericama)做标准，称为PDB标准。每个样品用质谱分析测得的同位素之比与此标准直接比较，用δ样品表示样品的同位素分馏效应，即
式中δ即同位素偏差(或叫偏离 )值表示同位素分馏效应的大小，其单位以千分值表示; R样品为样品中同位素之比，RPDB为标准同位素之比。
如从碳同位素的分馏情况来看，碳酸盐中的13C高，而有机质中则以12C较高，海生植物中的13C比陆生植物高。
海洋环境中放射性同位素和稳定同位素所产生的同位素分馏是一个普遍的现象。