同位素分馏可由反应速率差异造成，也可由不同物质达到平衡后的同位素分配造成。两者都源于轻、重同位素质量不同，但控制机制和记录的信息并不相同。动力学分馏常见于单向反应或非平衡传输过程。由于轻同位素分子通常反应或扩散略快，它们更容易先参与反应或离开原有物质。以甲烷微生物氧化为例，微生物通常优先消耗¹²CH₄，早期生成的CO₂相对富集¹²C；随着氧化持续，剩余甲烷中的¹³C比例逐步升高，δ¹³C值也随之增大。因而，动力学分馏常反映反应进行程度、底物消耗过程或传输条件。平衡分馏则发生在两种物质之间可逆的同位素交换过程中。正、逆反应持续进行，达到动态平衡后，同位素在共存物质间形成相对稳定的分配。分配方向和幅度受化学键、物质结构、氧化态及温度影响。以方解石—水氧同位素体系为例，方解石和水之间的δ¹⁸O差值通常随温度升高而减小。因此，在已知水的同位素组成、矿物与水曾达到或接近平衡且后期未明显重置的条件下，可依据方解石δ¹⁸O估算其形成温度。两者可以这样记：动力学分馏关注“谁反应或扩散得快”，平衡分馏关注“同位素最终如何分配”。前者适合追踪反应与迁移过程，后者常用于温度计和环境条件重建。实际地质体系可能同时经历反应、交换、扩散和混合，解释同位素信号时需要结合矿物共生关系、流体来源及地质背景综合判断。

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