Le rocce che compongono la crosta terrestre sono costituite da una varietà di minerali con diverse composizioni chimiche e proprietà fisiche. I minerali hanno origine nelle rocce ignee, che si sono solidificate dal magma, ei tipi di minerali presenti dipendono non solo dalla composizione chimica del magma originale, ma anche dalla sua temperatura, pressione e velocità con cui si è raffreddato. All’inizio del XX secolo, il geologo Norman L. Bowen del Geophysical Laboratory presso la Carnegie Institution di Washington, DC ha effettuato una serie di esperimenti volti a determinare la sequenza di cristallizzazione di diversi minerali dal magma. Ha sciolto campioni in polvere di roccia ignea, quindi li ha lasciati raffreddare a temperature predeterminate in modo da poter osservare la formazione di cristalli minerali e la sequenza in cui sono apparsi. Da questi risultati, ha compilato quella che divenne nota come serie di reazioni di Bowen, una sequenza di formazione di minerali ampiamente utilizzata in geologia, petrologia e vulcanologia.
Quando la roccia fusa si raffredda molto rapidamente, non c’è tempo sufficiente perché i minerali formino cristalli; il risultato è invece un vetro amorfo. La procedura sperimentale utilizzata da Bowen è stata progettata per sfruttare questo fenomeno per “congelare” il processo di cristallizzazione nelle diverse fasi. I campioni di roccia sono stati collocati in un contenitore estremamente robusto noto come “bomba” e riscaldato a circa 2,912 ° F (1,600 ° C), assicurando che tutto il materiale si sciogliesse. Il campione è stato lasciato raffreddare a una certa temperatura e mantenuto a quella temperatura abbastanza a lungo da consentire la cristallizzazione di alcuni minerali, quindi raffreddato improvvisamente con acqua per fornire una “istantanea” del processo in quella particolare fase. I minerali che si erano già cristallizzati sono stati conservati, mentre il resto del materiale, che era ancora fuso, si è solidificato in vetro.
Ripetendo questa procedura per diverse temperature, la serie di reazioni di Bowen è stata ampliata, dando un’immagine dei minerali cristallini prodotti a temperature che vanno da 2,552 ° F (1,400 ° C) fino a 1472 ° F (800 ° C). Bowen identificò due distinti rami della serie, distinti per la chimica dei minerali, che si unirono a temperature più basse. Uno, che chiamò la serie continua, descriveva la sequenza di cristallizzazione di minerali ricchi di sodio, calcio, alluminio e silice, noti collettivamente come plagioclasi. L’altro, chiamato serie discontinua, descriveva la sequenza dei minerali ricchi di ferro e magnesio, noti come minerali mafici.
La serie continua è così chiamata perché mostra una transizione graduale nella composizione dei minerali formati al diminuire della temperatura. Ciò è meglio illustrato dalle proporzioni relative di calcio e sodio. Quando la cristallizzazione avviene a temperature molto elevate, il materiale cristallino è molto ricco di calcio e molto povero di sodio. Con il calo della temperatura, il rapporto tra sodio e calcio aumenta costantemente, fino a quando queste proporzioni non si invertono. Anche la proporzione di silice nei minerali aumenta al diminuire della temperatura.
Nel ramo discontinuo della serie di reazioni di Bowen, i processi sono più complessi. Come per la serie continua, la proporzione di silice aumenta al diminuire della temperatura; tuttavia, invece di un costante aumento del contenuto di silice si ha una sequenza di minerali ben distinti: olivina, pirosseno, anfibolo e biotite. L’olivina è la prima a cristallizzare – a circa 2,552 ° F (1,400 ° C), ma quando la temperatura scende reagisce con il materiale ancora fuso, formando il successivo minerale della serie, il pirosseno. Processi simili convertono il pirosseno in anfibolo e l’anfibolo in biotite; tuttavia, ogni passaggio da un minerale all’altro avverrà solo se nel magma è ancora presente sufficiente silice. La sequenza può anche interrompersi in qualsiasi momento se il magma si raffredda molto rapidamente raggiungendo la superficie, lasciando minerali come olivina, pirosseno e anfibolo ancora presenti nella roccia solidificata, proprio come negli esperimenti di Bowen.
Dove i due rami si uniscono, la sequenza continua. I restanti minerali, in ordine crescente di contenuto di silice, sono l’ortoclasio, noto anche come feldspato di potassio, la muscovite e il quarzo. Nel complesso, la serie di reazioni di Bowen va da rocce ad alto contenuto di calcio, magnesio e ferro e a basso contenuto di sodio e silice – come il basalto – a rocce a basso contenuto di calcio, magnesio e ferro e ad alto contenuto di sodio e silice – come granito. In una grande camera magmatica sotterranea che si raffredda molto lentamente, l’olivina e il plagioclasio ad alto contenuto di calcio si cristallizzeranno per primi e affonderanno attraverso il magma liquido fino al fondo della camera, seguito da altri minerali nella sequenza, lasciando granito e rocce simili a la parte superiore quando l’intera massa si è solidificata. Buoni esempi di questa sequenza, che va dal granito nella parte superiore al gabbro – una roccia cristallina grossolana con la stessa composizione del basalto – nella parte inferiore si possono trovare in diverse località in tutto il mondo.