研究稀有氣體在宇宙和地球中的產生、分佈、同位素演化以及地球化學示蹤作用的學科。元素地球化學的分支。稀有氣體氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)，它們又各由2～9種同位素組成；在地球上屬微量元素，但據實測氦、氬等在太陽大氣圈中有高的豐度。因此，稀有氣體地球化學對研究天體演化、大氣圈成因、地球物質分異和脫氣作用，以及地球和地質年齡測定有重要意義。
地球各圈層稀有氣體同位素組成| 層圈 | 3He/4He | 40Ar/36Ar | 4He/20Ne | 4He/40Ar | 129Xe |
|---|---|---|---|---|---|
| 大氣 | 1.4×10−6 | 295.6 | 0.318 | 5.8×10−3 | 過剩6.8％（相對隕石） |
| 地殼 | 10−7～10−8 | >295.6 | n×108 | >20 | — |
| 上地幔 | 1.2×10−5 | ～104 | >104 | ～2 | — |
| 下地幔 | (3～5)×10−5 | ～400 | >104 | — | 過剩8%(相對大氣) |
| 太陽系原始值 | 3×104 | ≤1.4×10−3 | — | — | 原始129Xe |
早期對稀有氣體元素的觀察和研究，就註意到它們在天體系統中分佈的特殊性，如元素氦是1868年首先在太陽大氣圈光譜中發現的，27年後才在地球上找到氦。20世紀30年代V.M.戈爾德施密特發現惰性氣體在地球大氣圈中富集，其中氬為大氣圈第三富集元素（含量為1.44%）。同時指出氦因原子量低而發生宇宙逃逸作用，並將惰性氣體劃為親氣元素。40年代以來，放射性元素地球化學及同位素地質年代學的研究確認瞭氦、氬、氡等由自然放射性同位素衰變產生的成因。60年代以來，稀有氣體地球化學及其同位素示蹤理論研究和應用，取得瞭具重要意義的進展。
地球上稀有氣體元素和核素主要形成於宇宙原始核聚變反應、宇宙射線撞擊核反應、自然放射性同位素衰變、人工核爆等作用。稀有氣體元素因其原子結構特征具化學惰性，基本不參加化學反應形成固體化合物或進入礦物晶格，而易呈單體元素或單原子氣體狀態存在。它們的同位素豐度和比值不受地質作用和化學環境影響，而與各種核反應及環境的物理條件有關。如巖石圈40Ar因由40K不斷衰變產生並聚集，因而其地殼和地球豐度異常高。地球和地質體中，多源稀有氣體同位素組成特征，通過對同位素比值的測量和對比，可以對其成因和演化歷史進行識別，因此，有重要的地球化學示蹤作用。常用的示蹤指標有：3He/4He、40Ar/36Ar、4He/20Ne和4He/40Ar等。已積累瞭主要3種自然成因的稀有氣體元素同位素比值的實測統計數據，作為示蹤應用的參照。但自然產出的稀有氣體還會因多種物理作用，如擴散分異、地球脫氣化及兩種成因氣體混合等，而發生同位素組成的變異。實用的示蹤指標參照值常有一定的變化范圍（見表）。
以氦、氬、氙指標為例：地球深源He的3He/4He比值大，為n×10−5，大氣中該比值為1.4×10−6。若在氣體樣品中出現3He高含量，可確定有地幔源氣體參與，其R/Ra＞1(R為觀測樣品中3He/4He比值，Ra為大氣的平均值)。R值高於Ra愈多，則幔源He占的成分愈大。20Ne、136Xe、129Xe過剩也是幔源氣的特征。129Xe是129I衰變產物，136Xe是244Pu衰變成因，均反應地球的原始氣體。如He中4He很高表明為殼源成因，因為作為4He的衰變母體元素U、Th在地殼中高度富集。根據3He/4He比值判別巖漿活動的幔源成分取得良好效果。有關資料表明，大多數火山噴氣中混入有幔源He；年輕的大洋玄武巖有十分一致的3He/4He比值，其平均值比大氣圈Ra值高達8倍，代表上地幔源巖漿。東太平洋中脊上方海水中有大范圍分佈的富3He(δ3He=50‰)的氣體異常區，同時有CH4、H2的排出。紅海底熱水3He高於飽和值3 400倍；大西洋海水中3He量也很高，達2‰～9‰。1993年在加拉帕戈斯海底的玄武巖橄欖石中測出3He/4He=23Ra，認為是相對未脫氣的地幔柱組分，並發現該區熱泉中原始He排氣與排熱為統一過程。此外，在冰島的高3He/4He與高熱流一致；夏威夷熱點地區3He/4He值比大氣高15倍，說明地幔成因氣占有高的比重。南非兩個金剛石礦區R/Ra分別為168和226。據1994年實驗，在地幔的溫度條件下，金剛石對3He和4He有良好的保存性，表明仍保留宇宙成因原始He。
40Ar/36Ar值在上地幔中大於下地幔，認為是上地幔強烈脫氣作用的結果，而下地幔隻經歷瞭緩慢和不完全的脫氣。由於K在地殼中富集，40K衰變形成40Ar，隨時間的演化地球表層中40Ar/36Ar比值不斷增高，且不均勻；大氣氬中40Ar/36Ar為從地球形成初期的零演化到現在的295.6。在四川威遠震旦紀氣藏中，根據40Ar/36Ar值過剩，4He/36Ar值低，以及Ne/Ar比值極高，可以判別該氣層含有深部幔源氣成分。異常噴氣作用與活動斷層和地震有密切關系，其中Rn、He、Hg、CO2、Ar、H2、CH4和N2的釋放最為強烈。在地震預報中，土壤氣、大氣、水體中突跳的3He、40Ar和Rn高值，以及3He/4He、40Ar/36Ar、δ13CCH4、δ13CCO2、δ18O、δD異常是重要的震前判據。目前，稀有氣體地球化學研究在向理論深化和廣泛的實際應用方向迅速發展。