同位素平衡分馏，是指两种或多种物质、不同相态，或同一元素的不同化学形态之间，在可逆交换反应达到热力学平衡后，轻、重同位素发生有规律分配的现象。它并非某一种同位素“反应更快”造成的，而是体系为了达到最低自由能状态，使轻重同位素在不同物质或相中形成稳定而可预测的比例差异。

典型例子：

  同位素平衡分馏，是指两种物质之间发生可逆的同位素交换，经过足够时间后达到动态平衡。此时，正、逆反应仍在进行，但总体上各物质的同位素组成不再发生明显变化。由于不同化学键的稳定性和振动能不同，重同位素往往更倾向于进入键合较强、氧化态较高的化学物种，因此在不同物相或化学形态之间形成有规律的同位素分配。方解石—水氧同位素体系是典型例子：低温时方解石与水之间的氧同位素差异通常较大；温度升高，平衡分馏幅度减小。测定方解石的氧同位素组成，并结合水的同位素组成和实验标定关系，可以估算矿物形成或平衡温度。石英—水体系也可用于研究热液温度和水—岩反应。碳酸盐物种间的碳同位素分配，可反映水体碳循环及酸碱条件；硫酸盐—硫化物体系有助于认识硫循环和矿床流体演化；二氧化碳—甲烷体系则可为天然气热化学转化提供信息。应用平衡分馏时，关键是判断体系是否曾达到或接近平衡，并评估后期是否发生扩散、流体交换或热重置。温度计解释还需知道共存水的同位素组成，并采用适合该矿物和温度范围的标定关系。

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