这张图把同位素地球化学的理论基础分为三层。严格地说，“第一性原理”并没有一份公认的固定清单；图中展示的是支撑同位素地球化学的一组基本规律及其应用关系。

第一层是物理化学基础。同一元素的同位素质子数相同、中子数不同，因此质量和核结构有所差异。质量差会影响分子的振动能级，也会使同位素在化学反应、扩散和传输中的速率略有不同。热力学决定不同物质间同位素分配的平衡状态，动力学则影响反应过程中同位素被消耗或保留的先后。此外，放射性同位素会按一定规律衰变，母体减少、子体增加，为地质定年提供基础。

第二层是同位素地球化学的基本关系。同位素比值通常写作重同位素与轻同位素之比，两个物质间比值的相对差异可用分馏系数α表示。质量守恒则要求混合物的同位素组成由各端元及其含量共同决定；端元不同、混合比例不同，最终测得的同位素组成也会不同。图中混合公式用于说明这一关系，严格计算时须按各端元的元素含量和同位素原子数进行质量平衡。放射性衰变关系则把母体同位素的变化与时间联系起来。

第三层是地质应用。比较不同岩石、矿物、气体或水体的同位素组成，可以识别物质来源；分析分馏和混合，可追踪溶解、沉淀、扩散、流体—岩石反应等过程；利用分馏与温度的关系，可约束形成温度和环境；利用放射性衰变，可确定矿物或地质事件的年龄。

图中的δ值是样品相对于标准物质的表达方式，方便比较同位素组成，本身不是自然定律。核心思路是从同位素的物理性质和基本守恒、衰变规律出发，建立可计算、可检验的解释，再用它回答地质问题。

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