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La geochimica isotopica è la branca della geochimica che si occupa dello studio delle concentrazioni relative e assolute degli elementi e dei loro isotopi nella Terra. Si distinguono due campi di studio relativi rispettivamente alla geochimica degli isotopi stabili e alla geochimica degli isotopi radioattivi.
La geochimica isotopica permette la datazione di rocce e minerali tramite l'utilizzo dei metodi di datazione assoluta che sfruttano la radioattività. Ha anche contribuito a una migliore comprensione della paleoclimatologia, delle strutture e della dinamica interna del globo terrestre. Con il progredire delle tecniche si è sviluppato lo studio degli isotopi stabili, che ha consentito un approfondimento più particolareggiato dei grandi processi geologici, come quelli riguardanti l'ambiente delle ere passate.