Las rocas que componen la corteza terrestre consisten en una variedad de minerales con diferentes composiciones químicas y propiedades físicas. Los minerales se originan en rocas ígneas, que se han solidificado a partir del magma, y los tipos de minerales presentes dependen no solo de la composición química del magma original, sino de su temperatura, presión y velocidad a la que se enfrió. A principios del siglo XX, el geólogo Norman L. Bowen del Laboratorio Geofísico de la Carnegie Institution de Washington, DC llevó a cabo una serie de experimentos destinados a determinar la secuencia de cristalización de diferentes minerales del magma. Derritió muestras en polvo de roca ígnea, luego las dejó enfriar a temperaturas predeterminadas para poder observar la formación de cristales minerales y la secuencia en la que aparecían. A partir de estos resultados, compiló lo que se conoció como la serie de reacciones de Bowen, una secuencia de formación de minerales que se usa ampliamente en geología, petrología y vulcanología.
Cuando la roca fundida se enfría muy rápidamente, no hay tiempo suficiente para que los minerales formen cristales; el resultado es, en cambio, un vidrio amorfo. El procedimiento experimental utilizado por Bowen fue diseñado para aprovechar este fenómeno para «congelar» el proceso de cristalización en diferentes etapas. Las muestras de roca se colocaron en un recipiente extremadamente robusto conocido como «bomba» y se calentaron a aproximadamente 2,912 ° F (1,600 ° C), asegurando que todo el material se derritiera. La muestra se dejó enfriar a una cierta temperatura y se mantuvo a esa temperatura el tiempo suficiente para permitir la cristalización de algunos minerales, luego se enfrió repentinamente con agua para proporcionar una «instantánea» del proceso en esa etapa en particular. Los minerales que ya habían cristalizado se conservaron, mientras que el resto del material, que aún estaba fundido, se solidificó en vidrio.
Al repetir este procedimiento para diferentes temperaturas, la serie de reacciones de Bowen se expandió, dando una imagen de los minerales cristalinos producidos a temperaturas que van desde 2,552 ° F (1,400 ° C) hasta 1472 ° F (800 ° C). Bowen identificó dos ramas distintas de la serie, que se distinguían por la química de los minerales, que se unían a temperaturas más bajas. Uno, al que llamó serie continua, describía la secuencia de cristalización de minerales ricos en sodio, calcio, aluminio y sílice, conocidos colectivamente como plagioclasas. La otra, llamada serie discontinua, describía la secuencia de minerales ricos en hierro y magnesio, conocidos como minerales máficos.
La serie continua se llama así porque muestra una transición suave en la composición de los minerales formados a medida que disminuye la temperatura. Esto se ilustra mejor con las proporciones relativas de calcio y sodio. Cuando la cristalización tiene lugar a temperaturas muy altas, el material cristalino es muy rico en calcio y muy bajo en sodio. Con la disminución de la temperatura, la proporción de sodio a calcio aumenta constantemente, hasta que estas proporciones se invierten. La proporción de sílice en los minerales también aumenta al disminuir la temperatura.
En la rama discontinua de la serie de reacciones de Bowen, los procesos son más complejos. Al igual que con la serie continua, la proporción de sílice aumenta a medida que desciende la temperatura; sin embargo, en lugar de un aumento constante en el contenido de sílice, existe una secuencia de minerales bastante distintos: olivino, piroxeno, anfíbol y biotita. La olivina es la primera en cristalizar, a aproximadamente 2,552 ° F (1,400 ° C), pero a medida que baja la temperatura, reacciona con el material aún fundido, formando el siguiente mineral de la serie, el piroxeno. Procesos similares convierten el piroxeno en anfíbol y el anfíbol en biotita; sin embargo, cada cambio de un mineral al siguiente solo ocurrirá si todavía hay suficiente sílice presente en el magma. La secuencia también puede detenerse en cualquier punto si el magma se enfría muy rápidamente al llegar a la superficie, dejando minerales como olivino, piroxeno y anfíbol todavía presentes en la roca solidificada, al igual que en los experimentos de Bowen.
Donde las dos ramas se fusionan, la secuencia continúa. Los minerales restantes, en orden creciente de contenido de sílice, son la ortoclasa, también conocida como feldespato potásico, moscovita y cuarzo. En general, la serie de reacciones de Bowen va desde rocas con alto contenido de calcio, magnesio y hierro, y bajas en sodio y sílice, como el basalto, hasta rocas con bajo contenido de calcio, magnesio y hierro, y alto contenido de sodio y sílice, como granito. En una gran cámara de magma subterránea que se enfría muy lentamente, el olivino y la plagioclasa con alto contenido de calcio cristalizarán primero y se hundirán a través del magma líquido hasta el fondo de la cámara, seguido de otros minerales en la secuencia, dejando granito y rocas similares en la parte superior para cuando toda la masa se haya solidificado. Buenos ejemplos de esta secuencia, que van desde el granito en la parte superior hasta el gabro, una roca cristalina gruesa con la misma composición que el basalto, en la parte inferior se pueden encontrar en varios lugares del mundo.