Les roches qui composent la croûte terrestre se composent d’une variété de minéraux avec différentes compositions chimiques et propriétés physiques. Les minéraux proviennent de roches ignées, qui se sont solidifiées à partir du magma, et les types de minéraux présents dépendent non seulement de la composition chimique du magma d’origine, mais aussi de sa température, de sa pression et de la vitesse à laquelle il s’est refroidi. Au début du 20e siècle, le géologue Norman L. Bowen du Laboratoire de géophysique de la Carnegie Institution de Washington, DC a réalisé une série d’expériences visant à déterminer la séquence de cristallisation de différents minéraux à partir du magma. Il a fait fondre des échantillons de poudre de roche ignée, puis les a laissés refroidir à des températures prédéterminées afin qu’il puisse observer la formation de cristaux minéraux et la séquence dans laquelle ils sont apparus. À partir de ces résultats, il a compilé ce qui est devenu la série de réactions de Bowen, une séquence de formation minérale largement utilisée en géologie, pétrologie et volcanologie.
Lorsque la roche en fusion est refroidie très rapidement, il n’y a pas assez de temps pour que les minéraux forment des cristaux ; le résultat est plutôt un verre amorphe. La procédure expérimentale utilisée par Bowen a été conçue pour exploiter ce phénomène pour geler le processus de cristallisation à différentes étapes. Les échantillons de roche ont été placés dans un conteneur extrêmement robuste connu sous le nom de « bombe » et chauffé à environ 2,912 1,600 °F (XNUMX XNUMX °C), garantissant que tout le matériau fondrait. L’échantillon a été laissé refroidir à une certaine température et maintenu à cette température suffisamment longtemps pour permettre la cristallisation de certains minéraux, puis refroidi soudainement avec de l’eau afin de fournir un instantané du processus à ce stade particulier. Les minéraux qui avaient déjà cristallisé ont été conservés, tandis que le reste de la matière, qui était encore en fusion, s’est solidifié en verre.
En répétant cette procédure pour différentes températures, la série de réactions de Bowen a été élargie, donnant une image des minéraux cristallins produits à des températures allant de 2,552 1,400 °F (1472 800 °C) à XNUMX °F (XNUMX °C). Bowen a identifié deux branches distinctes de la série, distinguées par la chimie des minéraux, qui se sont unies à des températures plus basses. L’un, qu’il a appelé la série continue, décrivait la séquence de cristallisation de minéraux riches en sodium, calcium, aluminium et silice, connus collectivement sous le nom de plagioclases. L’autre, appelée la série discontinue, décrivait la séquence des minéraux riches en fer et en magnésium, appelés minéraux mafiques.
La série continue est ainsi appelée car elle montre une transition douce dans la composition des minéraux formés lorsque la température diminue. Ceci est mieux illustré par les proportions relatives de calcium et de sodium. Lorsque la cristallisation a lieu à très haute température, le matériau cristallin est très riche en calcium et très pauvre en sodium. Avec la baisse de la température, le rapport sodium/calcium augmente régulièrement, jusqu’à ce que ces proportions soient inversées. La proportion de silice dans les minéraux augmente également avec la diminution de la température.
Dans la branche discontinue de la série de réactions de Bowen, les processus sont plus complexes. Comme pour la série continue, la proportion de silice augmente au fur et à mesure que la température baisse ; cependant, au lieu d’une augmentation constante de la teneur en silice, il existe une séquence de minéraux bien distincts : olivine, pyroxène, amphibole et biotite. L’olivine est la première à cristalliser – à environ 2,552 1,400 °C (XNUMX XNUMX °F), mais lorsque la température baisse, elle réagit avec le matériau encore en fusion, formant le minéral suivant de la série, le pyroxène. Des processus similaires convertissent le pyroxène en amphibole et l’amphibole en biotite ; cependant, chaque changement d’un minéral à l’autre ne se produira que s’il y a suffisamment de silice encore présente dans le magma. La séquence peut également s’arrêter à tout moment si le magma se refroidit très rapidement en atteignant la surface, laissant des minéraux tels que l’olivine, le pyroxène et l’amphibole encore présents dans la roche solidifiée, tout comme dans les expériences de Bowen.
Là où les deux branches fusionnent, la séquence continue. Les minéraux restants, par ordre croissant de teneur en silice, sont l’orthose – également connu sous le nom de feldspath de potassium – la muscovite et le quartz. Dans l’ensemble, la série de réactions de Bowen va des roches riches en calcium, magnésium et fer et pauvres en sodium et en silice – comme le basalte – aux roches pauvres en calcium, magnésium et fer, et riches en sodium et silice – comme granit. Dans une grande chambre magmatique souterraine qui se refroidit très lentement, l’olivine et le plagioclase à haute teneur en calcium cristalliseront d’abord et couleront à travers le magma liquide jusqu’au fond de la chambre, suivis par d’autres minéraux de la séquence, laissant du granit et des roches similaires à le sommet au moment où toute la masse s’est solidifiée. De bons exemples de cette séquence, allant du granite en haut au gabbro – une roche cristalline grossière avec la même composition que le basalte – en bas, peuvent être trouvés à plusieurs endroits dans le monde.