尽管稀土元素的原子结构、化学性质与晶体化学性质很相似，但自然界各稀土元素之间在结构上仍然存在一定差异（表5.2），这是稀土元素在自然界发生分馏的内在原因，各稀土元素之间性质的差异性可归纳为以下五方面：
（1）晶体化学性质的差异。各稀土元素的离子半径、离子电位等有差别，决定了元素的类质同象及迁移能力各异。
（2）元素碱性差异。由于电负性低，稀土元素均具有明显的碱性，但各元素碱性强度不同。稀土元素氢氧化物的碱性介于Mg（OH）2和Al（OH）3之间，与碱土金属的氢氧化物最接近。由于各稀土元素离子电位不同，碱性也有别。总的来说，从La→Lu随离子半径的减小，稀土元素的碱性减弱，氢氧化物溶解与沉淀的pH值也逐渐降低（pH：8→6），决定了稀土元素迁移能力与沉淀先后的不同。
（3）元素的价态。某些稀土元素的价态对外界氧化还原条件的反应很灵敏。稀土元素主要呈+3价，但部分可呈+4价（Ce4+）和+2价（Eu2+）。在还原条件下形成Eu2+，在氧化条件下形成Ce4+，当价态变化时，半径和酸碱性相应也发生变化，导致Ce、Ed与3价稀土元素整体分离。
（4）形成络合物的稳定性不同。从La到Lu稀土元素的配合能力逐渐增强，络合物稳定性也相应加大（K不稳定常数变小）。∑Y形成络合物的能力远大于∑Ce，在自然界∑Y的迁移能力较∑Ce强。
（5）离子被吸附的能力不同。根据库仑定律，正负电荷间的作用力与两者间距离的平方成反比，离子半径小的REE3+比离子半径大的容易被吸附。被吸附能力从La3+→Lu3+逐渐增加。水中呈电解质的离子受水合作用的影响，从La→Lu水合离子半径逐渐增大，被胶体、有机质和粘土矿物吸附的能力将减弱，故水合REE离子被吸附能力按下列顺序递增：Lu→Er→Y→Ho→Gd→La→Eu→Ce。
稀土元素在自然界的上述差异性，导致其在外界条件发生变化时发生分馏。反之，也可根据地质体中稀土元素组成的特征来分析岩石成因及成岩成矿的物理化学条件。