De bergarter som utgör jordskorpan består av en mängd olika mineraler med olika kemiska sammansättningar och fysikaliska egenskaper. Mineraler har sitt ursprung i magma bergarter, som har stelnat från magma, och vilka typer av mineral som finns beror inte bara på den ursprungliga magmans kemiska sammansättning, utan på dess temperatur, tryck och hastigheten med vilken den kyls. I början av 20-talet genomförde geologen Norman L. Bowen från Geophysical Laboratory vid Carnegie Institution i Washington, DC en serie experiment som syftade till att bestämma sekvensen för kristallisering av olika mineraler från magma. Han smälte pulveriserade prover av magmatisk bergart och lät dem sedan svalna till förutbestämda temperaturer så att han kunde observera bildandet av mineralkristaller och sekvensen i vilken de uppträdde. Från dessa resultat sammanställde han vad som blev känt som Bowens reaktionsserie, en sekvens av mineralbildning som används flitigt inom geologi, petrologi och vulkanologi.
När smält sten kyls mycket snabbt finns det inte tillräckligt med tid för mineraler att bilda kristaller; resultatet blir istället ett amorft glas. Den experimentella proceduren som användes av Bowen var utformad för att utnyttja detta fenomen för att ”frysa” kristalliseringsprocessen i olika stadier. Stenproverna placerades i en extremt robust behållare känd som en ”bomb” och värmdes till cirka 2,912 1,600 °F (XNUMX XNUMX °C), vilket säkerställde att allt material skulle smälta. Provet fick svalna till en viss temperatur och hölls vid den temperaturen tillräckligt länge för att tillåta kristallisering av vissa mineraler att äga rum, kyldes sedan plötsligt med vatten för att ge en ”ögonblicksbild” av processen i det specifika skedet. De mineraler som redan hade kristalliserat bevarades medan resten av materialet, som fortfarande hade smält, stelnade till glas.
Genom att upprepa denna procedur för olika temperaturer utökades Bowens reaktionsserie, vilket gav en bild av de kristallina mineraler som produceras vid temperaturer från 2,552 1,400 °F (1472 800 °C) ner till XNUMX °F (XNUMX °C). Bowen identifierade två distinkta grenar av serien, kännetecknade av mineralernas kemi, som förenades vid lägre temperaturer. En, som han kallade den kontinuerliga serien, beskrev sekvensen av kristallisering av mineraler rika på natrium, kalcium, aluminium och kiseldioxid, gemensamt kända som plagioklaser. Den andra, som kallas den diskontinuerliga serien, beskrev sekvensen för mineraler rika på järn och magnesium, kända som maffiska mineraler.
Den kontinuerliga serien kallas så eftersom den visar en mjuk övergång i sammansättningen av de bildade mineralerna när temperaturen sjunker. Detta illustreras bäst av de relativa proportionerna av kalcium och natrium. När kristallisation sker vid mycket höga temperaturer är det kristallina materialet mycket rikt på kalcium och mycket lågt natrium. Med sjunkande temperatur ökar förhållandet mellan natrium och kalcium stadigt, tills dessa proportioner vänds. Andelen kiseldioxid i mineralen ökar också med sjunkande temperatur.
I den diskontinuerliga grenen av Bowens reaktionsserie är processerna mer komplexa. Liksom med den kontinuerliga serien ökar andelen kiseldioxid när temperaturen sjunker; men istället för en stadig ökning av kiseldioxidhalten finns det en sekvens av ganska distinkta mineraler: olivin, pyroxen, amfibol och biotit. Olivin är den första att kristallisera – vid cirka 2,552 1,400 ° F (XNUMX XNUMX ° C), men när temperaturen sjunker reagerar den med det fortfarande smälta materialet och bildar nästa mineral i serien, pyroxen. Liknande processer omvandlar pyroxen till amfibol och amfibol till biotit; varje förändring från ett mineral till ett annat kommer dock bara att ske om det fortfarande finns tillräckligt med kiseldioxid i magman. Sekvensen kan också stoppa när som helst om magman kyls ned mycket snabbt genom att nå ytan och lämna kvar mineraler som olivin, pyroxen och amfibol kvar i den stelnade bergarten, precis som i Bowens experiment.
Där de två grenarna går samman fortsätter sekvensen. De återstående mineralerna, i ökande ordning av kiseldioxidinnehåll, är ortoklas – även känd som kaliumfältspat – muskovit och kvarts. Sammantaget går Bowens reaktionsserie från stenar som är höga i kalcium, magnesium och järn, och låga i natrium och kiseldioxid — som basalt — till bergarter som har låga halter av kalcium, magnesium och järn, och höga i natrium och kiseldioxid — som t.ex. granit. I en stor, underjordisk magmakammare som svalnar mycket långsamt, kommer plagioklas från olivin och högkalcium att kristallisera först och sjunka genom den flytande magman till botten av kammaren, följt av andra mineraler i sekvensen, vilket lämnar granit och liknande bergarter vid toppen när hela massan har stelnat. Bra exempel på denna sekvens, som går från granit i toppen till gabbro – en grov kristallin sten med samma sammansättning som basalt – längst ner kan hittas på ett antal platser över hela världen.