Cristallizzazione magmatica e differenzazione

I magmi basici, che si generano per fusione parziale del mantello, tendono a riunirsi in masse di dimensioni maggior e a risalire verso la superficie terrestre; questa tendenza alla risalita è legata alla minore densità (2,6-2,9 g/cm^3) dei fusi magmatici rispetto alle circostanti rocce peridotitiche del mantello (3,3 g/cm^3) ed è più accentuata quanto minore è la viscosità del magma. La risalita è facilitata dalla presenza di fratture e discontinuità varie nei materiali rocciosi della litosfera. La differenza di densità tra fusi magmatici salienti e le rocce attraversate si annulla e addirittura può invertirsi una volta giunti nella crosta con una densità di 2,7 g/cm^3; risulta un notevole rallentamento del loro infiltramento verso la superficie.
L'effetto principale della risalita dei magmi verso zone superficiali sempre più fredde è il loro progressivo raffreddamento il che comporta l'inizio della cristallizzazione (liquido in solido).
La serie di reazione è la successione ordinata di cambiamenti nella cristallizzazione magmatica. La serie di reazione si può verificare in due modi diversi:

• reazione continua, quando il minerale formatisi per primo cambia gradualmente di composizione mediante sostituzione di ioni (es. plagioclasi);
• reazione discontinua, quando la cristallizzazione procede da una specie minerale all'altra con cambiamento di struttura cristallina (tipica dei minerali mafici).

La serie di Bowen prevede che i minerali cristallizzino per progressiva diminuzione di temperatura, in successione dal basso verso l'alto, infatti consiste in due filoni convergenti, uno a reazione continua, l'altro a reazione discontinua. I minerali mafici seguono la reazione discontinua, iniziando con l'olivina e finendo con la mica (biotite). I feldspati seguono invece la serie continua in cui il plagioclasio calcico (anortite) si forma più o meno contemporaneamente all'olivina mentre il plagioclasio sodico (albite) si forma assieme agli anfiboli e alla biotite.

Ciascun minerale già cristallizzato tende a reagire con il liquido magmatico per formare il termine successivo della serie. Tuttavia questa sequenza completa delle reazioni non si realizza quasi mai in una singola roccia, infatti se il raffreddamento non è sufficientemente lento (nel caso delle condizioni vulcaniche o subvulcaniche) le trasformazioni da un minerale all'altro sono incomplete. Naturalmente, magmi a diverso contenuto in silice seguono tratti diversi della serie, generando quindi rocce che contengono solo una parte dei minerali della sequenza. 

Il processo della cristallizzazione frazionata separa i minerali già cristallizzati dalla restante massa fusa.

Per esempio, i cristalli formatisi per primi possono rimanere intrappolati in basso mentre il magma migra verso l'alto, oppure i primi cristalli che si formano possono decantare e accumularsi verso il fondo del serbatoio magmatico. In entrambi i casi, la separazione di questi cristalli cambia la composizione del restante liquido magmatico e modifica, di conseguenza la serie di reazioni che possono seguire.
Lo stadio finale della cristallizzazione del magma è chiamato idrotermale, a causa dell'abbondanza di acqua a temperature elevate (200-300°C)
Per riassumere la differenziazione magmatica è un processo nel quale il magma originario viene separato a formare rocce di differente composizione mineralogica. Concludendo, la composizione mineralogica di una roccia ignea dipende sia dalle caratteristiche del fuso iniziale, sia dalle modalità del processo di cristallizzazione.