viii
2.6.2 Radiogenic Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.3 Cosmogenic Isotopes: Beryllium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
CHAPTER 3
THERMODYNAMICS AND KINETICS: AN INTRODUCTION
3.1 WHY IS THERMODYNAMICS IMPORTANT? . . . . . . . . . . . . 51
3.2 ELEMENTARY CONCEPTS OF THERMODYNAMICS . . . . . 52
3.2.1 Thermodynamic States, Processes, and State Variables . . . . . . . . . 52
3.2.2 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.3 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.4 Entropy and the Second and Third Laws of Thermodynamics . . . . . 54
3.2.5 Gibbs Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 STABILITY (PHASE) DIAGRAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1 Slope of the Melting Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3.2 Determination of Phase Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 THERMODYNAMICS OF SOLUTIONS: SOME
BASIC CONCEPTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.1 Components and Mole Fractions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.2 Partial Molar Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.3 Partial Molar Gibbs Free Energy: The Chemical Potential . . . . . . 60
3.4.4 P-T-X Phase Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5 APPLICATION OF THERMODYNAMICS
TO SOLUTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.1 Fugacity and Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.2 Equilibrium Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.5.3 Silica Activity, Silica Buffers, and Silica Saturation . . . . . . . . . . . . 63
3.5.4 Oxygen Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.5.5 Fe-Ti Oxide Buffers: Oxygen Geobarometers
and Geothermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6 KINETICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.6.1 Activation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.6.2 Overstepping and Metastable Persistence and Growth . . . . . . . . . 68
CHAPTER 4
SILICATE MELTS AND VOLATILE FLUIDS IN MAGMA SYSTEMS
4.1 NATURE OF MAGMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.1 Atomic Structure of Melts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 VOLATILE FLUIDS IN MELTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.1 Nature of Volatiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.2.2 Solubilities of Volatiles in Silicate Melts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.3 Exsolution of Volatiles from a Melt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 CONSEQUENCES OF FLUID EXSOLUTION
FROM MELTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.1 Explosive Volcanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3.2 Global Atmosphere and Climate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.3 Fumaroles, Hydrothermal Solutions, Ore Deposits, and
Geothermal Reservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84