Interdisciplinary study of the synthesis of the origin of the chemical elements and their role in the formation and structure of the Earth

part of adestroyed planet, but the ”pieces”
that did not form one. Finally, large planetesimals spread
to orbits beyond Pluto, forming the so-called
Kuiper belt
,
discovered in the last decade through high-resolution
images. We will see later that there is still plenty of room
for surprises in the study of theSolar System, some of
them recently revealed.
Recent discoveries back up the idea that planetesimals
formed by gravitational collapse of dust and pebbles in
the solar nebula. On Jan. 1
st
2019, the
New Horizons
spacecraft flew by a 36 km wide object in the Kuiper
Belt named
Arrokoth
, obtaining information about its ge-
ometry, composition and structure. Its shape, formed by
two lobes, indicates the merging of two separate objects
in a scenario where impacts had a
low speed
(simulations
indicate that it must have been lower than 15 km/h).
The object has craters that indicate the surface’s age
to be about 4 billion years, and its mostly homogenous
outer layer presents methanol ices and carbon organic
Figure 12:
The New Horizons image of the body Arrokoth in
the Kuiper Belt, showing the two pieces joined by a low-velocity
collision. This is likely a remnant of the stage c) in Figure
10. (Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics
Laboratory/Southwest Research Institute/Roman Tkachenko).
materials. All evidence points towards gravitational col-
lapse of local matter being the main mechanism that
formed planetesimals like Arrokoth. A view of this object
can be found in Figure 12.
7. Earth’s current structure: Core,
Mantle and Crust
After the initial stages and under the influence of its own
gravitational field, the young Earth underwent a process
called differentiation: in the existing fluid, the heavier ele-
ments (
F e, N i
)
ended up sinking to the center, while the
lighter ones (
Si, M g, O, Al
)
formed a layer that cooled
and produced the currently observed structure. Detailed
studies concluded that this process was completed in a
few
Myr
[28]. We can compare the current Earth to a
cherry covered in chocolate (!): The external chocolate
is analogous to Earth’s crust, a solid layer of varying
thickness (always thinner than
∼
70 km) which is much
smaller than its radius. Below the crust we find the man-
tle (the cherry pulp), composed essentially of
Si, O
and
M g
, and towards the center we find the nucleus (core)
that contains heavier elements like
F e
and
N i
. This layer
structure is complex and dynamic, since the Earth shows
many signs of activity, such as volcanism and earthquakes.
To better describe Earth it is necessary to look a little
Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 42, e20200160, 2020
DOI: https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2020-0160

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Horvath et al.
e20200160-13
more closely at the composition and structure of the
crust, mantle and core.
The crust
: It is the outermost solid layer, and the only
one accessible by direct studies. It’s mainly made up of
basalts and granites, corresponding to the regions of the
oceanic and continental crust respectively. The overall
composition is roughly 2/3 of basalt (igneous rocks, or
solidified lava), 1/3 metamorphic rocks (i.e. rocks that
have been subjected to changes in pressure and tempera-
ture, thus changing their structure) and 1/3 sedimentary
rocks (produced by weathering and subsequent processes).
Over 90% of all rocks in the crust contain
silicates
. When
subjected to tensions, the crust deforms, and can fracture
beyond a certain critical threshold, thus giving origin
of the “shallow” earthquakes that originate there (see
below).
The mantle
: the mantle begins immediately below the
crust, and can be divided into upper and lower mantle.
The upper mantle is more rigid and forms, together
with the crust, the lithosphere. The main composition
throughout the mantle is of iron and magnesium silicates,
in particular the compounds olivine and pyroxene formed
under high pressure. The main differentiation in the
mantle comes from changes in the stability of certain
silicates. There is a transition zone (from 410-660 km),
and the lower mantle extends from there down to about
2900 km. The region between 2700 and 2900 km has
anomalous seismic wave propagation and is known by
geophysicists as the
D
00
layer.
The core
: It consists of two different regions separated
by a transition from liquid to solid phase. The liquid core
(2900 to 5150 km) is composed of nickel-iron. Convective
movements of the electrically charged material take place
there. The solid core, of little over 1200 km radius, where
iron and nickel have solidified has a crystalline structure
(the cherry core) and movements are not possible there.
The core temperature is high, certainly higher than 7000
K
, and it remains so due to residual heat from Earth’s
formation, the decay of radioactive elements that were in
the primordial nebula (thorium, nickel, titanium, etc.),
and the latent heat released by the material that solidifies
from the inside out, gradually increasing the solid core’s
size.
There are some controversies regarding the structure
and composition of the Earth, for example, the nature of
the most central region and the energy balance and core
temperatures. Of course, some changes from new research
are always possible. In addition to well-known tools such
as the study of seismic waves that bring structure infor-
mation when they cross the Earth, other methods are
developed to complement and assist in the study of our
planet. The structure and composition that have been
described above are shown to scale in Figure 13.