Die Gesteine der Erdkruste bestehen aus einer Vielzahl von Mineralien mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften. Mineralien stammen aus magmatischen Gesteinen, die aus Magma erstarrt sind, und die Art der vorhandenen Mineralien hängt nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des ursprünglichen Magmas ab, sondern auch von seiner Temperatur, seinem Druck und seiner Abkühlungsgeschwindigkeit. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte der Geologe Norman L. Bowen vom Geophysical Laboratory der Carnegie Institution of Washington, DC eine Reihe von Experimenten durch, die darauf abzielten, die Kristallisationssequenz verschiedener Mineralien aus Magma zu bestimmen. Er schmolz pulverförmige Eruptivgesteinsproben und ließ sie dann auf vorbestimmte Temperaturen abkühlen, um die Bildung von Mineralkristallen und die Reihenfolge ihres Auftretens beobachten zu können. Aus diesen Ergebnissen stellte er die so genannte Bowen-Reaktionsreihe zusammen, eine Abfolge von Mineralbildungen, die in der Geologie, Petrologie und Vulkanologie weit verbreitet ist.
Wenn geschmolzenes Gestein sehr schnell abgekühlt wird, haben Mineralien nicht genügend Zeit, um Kristalle zu bilden; das Ergebnis ist stattdessen ein amorphes Glas. Das von Bowen verwendete experimentelle Verfahren wurde entwickelt, um dieses Phänomen auszunutzen, um den Kristallisationsprozess in verschiedenen Stadien „einzufrieren“. Die Gesteinsproben wurden in einen extrem robusten Behälter, eine sogenannte „Bombe“, gelegt und auf etwa 2,912 °C erhitzt, um sicherzustellen, dass das gesamte Material schmilzt. Die Probe wurde auf eine bestimmte Temperatur abkühlen gelassen und bei dieser Temperatur lange genug gehalten, um die Kristallisation einiger Mineralien zu ermöglichen, dann wurde sie plötzlich mit Wasser gekühlt, um einen “Schnappschuss” des Prozesses in dieser bestimmten Phase zu liefern. Die bereits kristallisierten Mineralien blieben erhalten, während der Rest des noch geschmolzenen Materials zu Glas erstarrte.
Durch Wiederholen dieses Verfahrens für verschiedene Temperaturen wurde Bowens Reaktionsreihe erweitert und ergab ein Bild der kristallinen Mineralien, die bei Temperaturen von 2,552 ° F (1,400 ° C) bis 1472 ° F (800 ° C) produziert wurden. Bowen identifizierte zwei verschiedene Zweige der Reihe, die sich durch die Chemie der Mineralien auszeichneten, die sich bei niedrigeren Temperaturen vereinten. Eine, die er die kontinuierliche Reihe nannte, beschrieb die Kristallisationssequenz von Mineralien, die reich an Natrium, Kalzium, Aluminium und Kieselsäure sind, die zusammen als Plagioklasen bekannt sind. Die andere, diskontinuierliche Reihe genannt, beschrieb die Abfolge von Mineralien, die reich an Eisen und Magnesium sind, die als mafische Mineralien bekannt sind.
Die kontinuierliche Reihe wird so genannt, weil sie einen sanften Übergang in der Zusammensetzung der gebildeten Mineralien mit abnehmender Temperatur zeigt. Dies wird am besten durch die relativen Anteile von Calcium und Natrium veranschaulicht. Wenn die Kristallisation bei sehr hohen Temperaturen stattfindet, ist das kristalline Material sehr reich an Calcium und sehr natriumarm. Mit sinkender Temperatur nimmt das Verhältnis von Natrium zu Calcium stetig zu, bis sich diese Verhältnisse umkehren. Auch der Anteil an Kieselsäure in den Mineralien nimmt mit abnehmender Temperatur zu.
Im diskontinuierlichen Zweig der Bowenschen Reaktionsreihe sind die Prozesse komplexer. Wie bei der kontinuierlichen Serie steigt der Anteil an Kieselsäure mit sinkender Temperatur; Anstelle eines stetigen Anstiegs des Kieselsäuregehalts gibt es jedoch eine Abfolge ganz unterschiedlicher Mineralien: Olivin, Pyroxen, Amphibol und Biotit. Olivin kristallisiert als erstes – bei ungefähr 2,552 ° F (1,400 ° C), aber wenn die Temperatur sinkt, reagiert es mit dem noch geschmolzenen Material und bildet das nächste Mineral in der Reihe, Pyroxen. Ähnliche Prozesse wandeln Pyroxen in Amphibol und Amphibol in Biotit um; jeder Wechsel von einem Mineral zum nächsten findet jedoch nur statt, wenn noch genügend Kieselsäure im Magma vorhanden ist. Die Abfolge kann auch an jedem Punkt beendet werden, wenn das Magma sehr schnell an die Oberfläche gelangt und Mineralien wie Olivin, Pyroxen und Amphibole im erstarrten Gestein zurückbleiben, wie in Bowens Experimenten.
Wo die beiden Zweige verschmelzen, wird die Sequenz fortgesetzt. Die verbleibenden Mineralien, in aufsteigender Reihenfolge des Siliziumdioxidgehalts, sind Orthoklas – auch bekannt als Kaliumfeldspat – Muskovit und Quarz. Insgesamt reicht Bowens Reaktionsreihe von Gesteinen mit hohem Kalzium-, Magnesium- und Eisengehalt und niedrigem Natrium- und Siliziumgehalt – wie Basalt – bis zu Gesteinen mit niedrigem Kalzium-, Magnesium- und Eisengehalt und hohem Natrium- und Siliziumdioxidgehalt – wie z Granit. In einer großen, unterirdischen Magmakammer, die sehr langsam abkühlt, kristallisieren zuerst das Olivin und der kalziumreiche Plagioklas und sinken durch das flüssige Magma auf den Boden der Kammer, gefolgt von anderen Mineralien in der Folge, wobei Granit und ähnliche Gesteine bei bis die ganze Masse erstarrt ist. Gute Beispiele für diese Abfolge, die von Granit an der Spitze bis hin zu Gabbro – einem grobkristallinen Gestein mit der gleichen Zusammensetzung wie Basalt – am Boden reicht, finden sich an mehreren Orten auf der ganzen Welt.