Als Isotope werden alle Atome eines Elements bezeichnet, welche dieselbe Anzahl an Protonen aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen aufweisen. Damit einhergehend weisen Isotope desselben Elements unterschiedliche Massen auf. Während die chemischen Eigenschaften von Isotopen des gleichen Elements grundsätzlich einheitlich sind, führen die Massenunterschiede zu einem voneinander abweichenden physikalischen Verhalten der einzelnen Isotope.
Unterschieden werden hierbei stabile und instabile bzw. radioaktive Isotope. Die Stabilität der Isotope wird von der Masse und dem Verhältnis von Protonen zu Neutronen kontrolliert. Radioaktive, instabile Isotope zerfallen unter Abgabe von Energie in ihre jeweiligen Tochterisotope.
Der Massenunterschied von verschiedenen Isotopen desselben Elements führt zu einer sogenannten Isotopenfraktionierung während physikalisch-chemischer Prozesse. Grundsätzlich bedeutet dies, dass die leichten Isotope gegenüber den schwereren Isotopen leichter mobilisiert werden.
Besonders am Beispiel des Wassermoleküls ist dies gut zu veranschaulichen: Die isotopische Zusammensetzung von Wasser ändert sich durch die Isotopenfraktionierung während der Phasenübergänge. Somit gehen Wassermoleküle mit leichten Isotopen im Zuge der Verdunstung bevorzugt in die Gasphase über, was gleichzeitig zu einer Anreicherung schwererer Isotope in der Flüssigphase führt. Im Gegensatz dazu, reichern sich die schweren Isotope bei der Kondensation von Wasserdampf im Kondensat an, sodass die Dampfphase an schweren Isotopen verarmt.
Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit der Isotopenfraktionierung während der Phasenübergänge lassen sich auch jahreszeitliche Variationen der Isotopenverhältnisse in den Niederschlägen beobachten.
In Wasser sind die Isotope Sauerstoff-16 (16O) und Wasserstoff-1 bzw. Protium (1H) deutlich häufiger vorhanden, als die schweren Isotope Sauerstoff-17 (17O), Sauerstoff-18 (18O) und Deuterium (2H). Die Isotopenverhältnisse zwischen 18O und 16O sowie zwischen 2H und 1H spielen eine besondere Rolle für die hydrochemische Analyse von Grundwässern und Tiefenwässern, da diese wichtige Hinweise zur Herkunft, Verweilzeit oder mögliche Wechselwirkungen des Wassers mit der Umgebung liefern. In der Anwendung wird das Häufigkeitsverhältnis der schweren zu leichten Sauerstoff- bzw. Wasserstoff-Isotope relativ bestimmt und auf den internationalen Referenzwert V-SMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) bezogen.
Da Sauerstoff- und Wasserstoff-Isotope grundsätzlich in allen Wässern vorhanden sind, lassen sich diese optimal als natürliche Tracer für die Untersuchung verschiedener hydrologischer Fragestellungen einsetzen.
Kohlenstoff besitzt insgesamt drei natürliche Kohlenstoffisotope, unter anderem die zwei stabilen Isotope Kohlenstoff-12 (12C) und Kohlenstoff-13 (13C) sowie das instabile radioaktive Isotop Kohlenstoff-14 (14C) (mehr zu Kohlenstoff-14 unter „Natürliche Radioaktivität"). Dabei liegt 12C zu 98,9 % am häufigsten in der Natur vor, während 13C mit 1,1% selten und 14C sehr selten auftreten.
Das Isotopenverhältnis zwischen 13C und 12C wird durch Isotopenfraktionierung zwischen den unterschiedlichen Phasen des Kohlenstoffs maßgeblich gesteuert. Speziell in der organischen Verbindung des Kohlenstoffs ergeben sich zwischen beiden Kohlenstoff-Isotopen große Unterschiede. Hierbei ist 13C anhand seiner physikalischen Eigenschaften stabiler und erfordert mehr Energie für das Aufbrechen von bestehenden Verbindungen. Somit wird stattdessen 12C bevorzugt in organische Verbindungen eingebaut. Im Gegensatz dazu ist 13C meist als Kohlenstoffdioxid (CO2), als Karbonat sowie als im Wasser gelöstes Karbonat angereichert.
Im gelöstem anorganischem Kohlenstoff im Grundwasser, unterliegt das 13C/12C-Verhältnis meist Respirationsreaktionen innerhalb der Bodenzone, Lösungsprozessen von Karbonatgestein und Wechselwirkungen mit atmosphärischem CO2. Somit lassen sich Rückschlüsse auf die Genese und Interaktion der gelösten organischen und anorganischen Kohlenstoffkomponenten im Grundwasser ziehen.
Strontium besitzt insgesamt vier stabile Isotope, darunter Strontium-84 (84Sr), Strontium-86 (86Sr), Strontium-87 (87Sr) und Strontium-88 (88Sr). Am häufigsten liegt hierbei Strontium-88 mit rund 83% und nachfolgend Stontium-86 mit 10%, Strontium-87 mit 7% und Strontium-84 mit kleiner 1% vor. Lediglich Strontium-87 wird radioaktiv durch den Zerfall von Rubidium-87 (87Rb) mit einer Halbwertszeit von 4,88 x 1010 Jahren gebildet. Besonders das Isotopenverhältnis zwischen Strontium-87 und Strontium 86 (87Sr/86Sr) eignet sich anhand ihrer ähnlichen Häufigkeit für geologische und hydrologische Untersuchungen.
Durch das Versickern von Niederschlagswasser in der Bodenzone und im Grundgestein wird Strontium gelöst, welches durch die Verwitterung Strontium-haltiger Minerale freigesetzt wurde. Somit ergibt sich bereits eine erste 87Sr/86Sr-Signatur im Grundwasser. Infolge weiterer Lösungsprozesse und Wechselwirkungen entlang des Fließwegs kann der Strontium-Gehalt im Grundwasser erhöht werden und so das anfängliche Strontium-Isotopenverhältnis verändern. Da das 87Sr/86Sr-Verhältnis selbst keinerlei Fraktionierungsprozesse unterliegt, gilt es als zuverlässiger Tracer für Strontium-haltige Gesteine. In der Hydrogeologie wird das Verhältnis daher meist für die Ermittlung potenzieller Gesteins-Wasser-Wechselwirkungen genutzt. Gleichzeitig lassen sich anhand des Verhältnisses Aussagen über den lithologischen Aufbau des Untergrunds treffen und im Vergleich zur Strontium-Meerwasserkurve auch das Alter der jeweiligen Probe bestimmen.
Einige Edelgase eignen sich anhand ihres Vorkommens im Erdmantel als Tracer für Mantel- und Krusteneinflüsse, sowie für die Ermittlung von Austauschprozessen und der Altersdatierung von Grund- und Tiefenwässern.
Eine bekannte Datierungsmethode ist hierbei die Helium-Methode. Helium besitzt zwei Isotope, das instabile Helium-3 (3He) und das stabile Helium-4 (4He). Im Grundwasser entsteht Helium-3 meist durch den Zerfall von Tritium. Helium-4 wird hingegen beim radioaktiven Zerfall über die Uran- und Thorium-Zerfallsreihen, welche in nahezu allen Gesteinen und Sedimenten vorkommen, gebildet. Durch Migration gelangt Helium-4 aus dem Erdmantel und der Erdkruste in das Grundwasser. Das Isotopenverhältnis zwischen Helium-3 und Helium-4 ermöglicht somit Zuflüsse aus dem Erdmantel und der Erdkruste zu identifizieren sowie auf das Alter des untersuchten Wassers zu schließen.
Bei der Krypton-Methode handelt es sich um eine Datierungsmethode für vergleichsweise jüngere Grundwässer. Durch die Freisetzung des Isotops Krypton-85 (85Kr) bei der Aufbereitung abgebrannter Kernelemente, nimmt die Konzentration des Isotops seit den fünfziger Jahren in der Atmosphäre annähernd linear zu. Je nach Konzentration des Isotops im untersuchten Grundwasser, lässt sich dieses zeitlich einordnen.