铀、钍的原子结构相似，化学性质相近。二者在自然界都以四价氧化态存在，并有相似的离子半径(U4+=1.05Å，Th4+=1.10Å)，可以广泛地相互置换;在氧化环境中，铀形成六价的络离子(UO2+2)，其化合物溶于水，钍仅以四价形式存在，它的化合物不溶于水，故铀在氧化条件下可与钍分离。铀、钍在球粒陨石中的丰度很低，分别为1×10－8和4×10－8，基本上代表地幔的丰度值。由于地球演化及地幔、地壳分离过程中，铀、钍富集于地壳，特别是在花岗质岩类中。在常见的硅酸盐造岩矿物中，铀、钍的含量都低，它们主要富集于一些副矿物中，如沥青铀矿、方钍石、锆石、钍石、褐帘石、独居石、磷钇石和屑石等。
铅是自然界最常见的一种元素，原子序数82，原子量为207.2，位于元素周期表第六周期第ⅣA族。铅属亲硫元素，原子半径为2.15Å，常以硫化物矿物的形式存在。它也具有亲氧特征，与钾、锶、钡、钙常产生类质同象代换。铅有8种同位素，其中4种是放射性同位素，4种是稳定同位素。同位素地球化学的研究只涉及稳定同位素部分。
铅的稳定同位素有:204Pb、206Pb、207Pb和208Pb，204Pb是非放射性成因的，迄今未发现它的放射性母体，故被认为是元素合成过程中产生的。206Pb、207Pb、208Pb都与放射性衰变有关，它们的放射性母体同位素分别是238U、235U和232Th。它们都释放α和β－粒子而最终衰变成稳定的铅同位素。其衰变速度差异很大，235U衰变很快，半衰期为0.70381×109年;238U居中，半衰期为4.4683×109年;232Th最慢，半衰期为14.01×109年。故而在地球形成的早期207Pb增长最快，而现在主要是206Pb的增长。由于204Pb绝对含量自地球形成至今仍保持不变，在同位素地球化学中经常以206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb的原子数目比表示铅同位素组成的变化。