आइसोस्टैसी शब्द ग्रीक शब्द ‘आइसो-स्टैसियोस’ से लिया गया है जिसका अर्थ है ‘समान स्थिति’ (समस्थिति में)। आइसोस्टैसी शब्द का प्रस्ताव सबसे पहले 1889 में एक अमेरिकी भूविज्ञानी क्लेरेंस डटन ने पृथ्वी की सतह के विशाल, ऊँचे क्षेत्रों, पर्वत श्रृंखलाओं और पठारों के बीच संतुलन की स्थिति को दर्शाने के लिए रखा था।
सिद्धांत कहता है कि पृथ्वी की सतह (सियाल) के कम घनत्व वाले पदार्थ पृथ्वी के आंतरिक भाग के सघन मैग्मा (सिमा) के ऊपर तैरते रहते हैं। इसी प्रकार, जैसे-जैसे हम पृथ्वी के आंतरिक भाग में गहराई तक जाते हैं, हम देखते हैं कि वहाँ कई संकेंद्रित परतें हैं।
सबसे सघन पदार्थ कोर का निर्माण करता है जबकि पृथ्वी की सतह सबसे हल्के पदार्थ से बनी है। प्रत्येक परत और पृथ्वी की सतह की विशेषताएँ एक समस्थितिक समायोजन के साथ एक दूसरे के ऊपर स्थित हैं। उदाहरण के लिए, कोर का औसत घनत्व 13.5 ग्राम/सेमी3 है; मेंटल का घनत्व 3.3 से 5.7 ग्राम/सेमी3 तक है; महाद्वीपीय क्रस्ट का घनत्व लगभग 2.7 ग्राम/सेमी3 है।
प्लीस्टोसीन महाहिमयुग के बाद स्कैंडिनेवियाई देशों में हो रहे ‘हिमनद समायोजन’ को समझाने के लिए आइसोस्टैसी (समस्थितिकी) की अवधारणा अत्यंत उपयोगी है। फ़िनलैंड के उभरे हुए समुद्र तट दर्शाते हैं कि पिछले 8000 वर्षों में आइसोस्टैसी (समस्थितिकी) समायोजन के कारण लगभग 250 मीटर का उत्थान हुआ है।
समस्थिति अवधारणा का विकास
आइसोस्टैसी की अवधारणा भूवैज्ञानिकों के दिमाग में आई थी, लेकिन यह अवधारणा विशाल पर्वतीय द्रव्यमानों के आकर्षण से विकसित हुई।
पियरे बूगर ने 1735-45 में एंडीज़ के अपने अभियान के दौरान पाया कि चिम्बोराज़ो का विशाल ज्वालामुखी शिखर प्लंब लाइन को उस तरह आकर्षित नहीं कर रहा था जैसा उसे करना चाहिए था। इस प्रकार उन्होंने यह तर्क दिया कि एंडीज़ का गुरुत्वाकर्षण आकर्षण ‘इन पर्वतों द्वारा दर्शाए गए द्रव्यमान से अपेक्षित गुरुत्वाकर्षण आकर्षण से बहुत कम है।’
1859 में भारत के तत्कालीन महासर्वेक्षक सर जॉर्ज एवरेस्ट की देखरेख में अक्षांशों के निर्धारण के लिए सिंधु-गंगा के मैदान के भूगणितीय सर्वेक्षण के दौरान भी इसी तरह की विसंगतियां देखी गई थीं। कलियानपुर और कलियाना (370 मील की दूरी पर) के अक्षांश का अंतर प्रत्यक्ष त्रिभुज विधि और खगोलीय विधि दोनों द्वारा निर्धारित किया गया था।
कलियाना हिमालय से केवल 96 किमी दूर था। दोनों परिणामों के बीच का अंतर 5.23 सेकंड था, जैसा कि नीचे दिया गया है।
त्रिभुजन के माध्यम से प्राप्त परिणाम = 5° 23′ 42.294”.
खगोलीय विधि से प्राप्त परिणाम = 5° 23’37.058”.
अंतर = 5.236”
दोनों विधियों के बीच इस विसंगति का कारण विधि का कम आकर्षक होना बताया गया।
हिमालय के कारण अक्षांश के खगोलीय निर्धारण में प्रयुक्त साहुल रेखा विक्षेपित हो गई थी। विभिन्न भू-आकृतियों के बीच गुरुत्वाकर्षण आकर्षण, विक्षेपण और समस्थितिक संतुलन की व्याख्या करने के लिए कई सिद्धांत हैं।
सर जॉर्ज एरी की अवधारणा
एरी के अनुसार, पर्वतों का आंतरिक भाग खोखला नहीं हो सकता; बल्कि पर्वतों के अतिरिक्त भार की भरपाई (संतुलन) नीचे के हल्के पदार्थों द्वारा होती है। उनके अनुसार, अपेक्षाकृत हल्के पदार्थ की परत सघन पदार्थ के अधःस्तर में तैर रही है। दूसरे शब्दों में, ‘सियाल’, ‘सीमा’ के ऊपर तैर रहा है।
इस प्रकार, हिमालय सघन काँच जैसे मैग्मा में तैर रहा है। एरी के अनुसार, ‘हिमालय का विशाल द्रव्यमान केवल सतही घटना नहीं है – वे हल्की चट्टानें जिनसे वे बने हैं, केवल नीचे सघन पदार्थ की समतल सतह पर ही नहीं टिकी हैं, बल्कि पानी में नाव की तरह सघन पदार्थ में डूब जाती हैं।’
दूसरे शब्दों में, हिमालय सघन मैग्मा में तैर रहा है और उसका अधिकतम भाग मैग्मा में डूबा हुआ है, ठीक उसी तरह जैसे एक नाव पानी में तैरती है और उसका अधिकतम भाग पानी में डूबा हुआ है। इस अवधारणा में वास्तव में तैरने का सिद्धांत शामिल है।
उदाहरण के लिए, एक हिमखंड पानी में इस प्रकार तैरता है कि यदि उसका एक भाग जल स्तर से ऊपर रहे, तो उसके नौ भाग जल स्तर से नीचे रहेंगे। यदि हम भूपर्पटी और अधःस्तर का औसत घनत्व क्रमशः 2.67 और 3.0 मान लें, तो भूपर्पटी के प्रत्येक भाग के अधःस्तर से ऊपर रहने के लिए, भूपर्पटी के नौ भाग अधःस्तर में होने चाहिए।
दूसरे शब्दों में, प्लवन का नियम यह माँग करता है कि ‘फ्रीबोर्ड और ड्राफ्ट का अनुपात 1:9 हो।’ यह ध्यान देने योग्य है कि एरी ने हिमखंड के प्लवन का उदाहरण नहीं दिया। उन्होंने केवल इतना कहा कि भूपर्पटी के भाग (भूखंड) किसी नाव की तरह, अधःस्तर के मैग्मा में तैर रहे थे।
यदि हम एरी की अवधारणा के मामले में, जैसा कि ऊपर बताया गया है, प्लवन के नियम को लागू करते हैं, तो हमें यह मानना होगा कि हिमालय की 8,848 मीटर ऊँचाई के लिए, आधार में हिमालय की ऊँचाई से 9 गुना लंबी एक जड़ अवश्य होनी चाहिए। इस प्रकार, हिमालय के 8,848 मीटर ऊँचे भाग के लिए, पर्वत के नीचे 79,632 मीटर (लगभग 80,000 मीटर) की गहराई तक पहुँचने वाले हल्के पदार्थ का नीचे की ओर प्रक्षेपण होना चाहिए।
जोली ने पृथ्वी की पपड़ी के लिए प्लवन के सिद्धांत को लागू किया, जिसमें फ्रीबोर्ड और ड्राफ्ट का अनुपात 1:8 माना गया। उनके अनुसार, ‘पपड़ी के प्रत्येक उभरे हुए भाग के लिए, जो आधार के ऊपरी स्तर से ऊपर है, आठ भाग जलमग्न हैं।’ अगर हम जोली के प्लवन के दृष्टिकोण को एरी की अवधारणा पर लागू करें, तो हिमालय का आधार में 70,784 मीटर (8848 मीटर x 8) की गहराई तक नीचे की ओर प्रक्षेपण होगा।
इस प्रकार, एरी के अनुसार, हिमालय अपना वास्तविक आकर्षण बल इसलिए लगा रहा था क्योंकि आधार में हल्के पदार्थ की एक लंबी जड़ मौजूद थी जो ऊपर के पदार्थ की क्षतिपूर्ति कर रही थी। उपरोक्त अवलोकन के आधार पर, एरी ने यह अनुमान लगाया कि ‘यदि आधार के ऊपर का भू-स्तंभ बड़ा है, तो उसका बड़ा भाग आधार में डूबा होगा और यदि आधार नीचे है, तो उसका छोटा भाग आधार में डूबा होगा।’
एरी के अनुसार, भूमि के विभिन्न स्तंभों (जैसे पर्वत, पठार, मैदान आदि) का घनत्व समान रहता है। दूसरे शब्दों में, घनत्व गहराई के साथ नहीं बदलता, अर्थात ‘भिन्न मोटाई के साथ एकसमान घनत्व’।
इसका अर्थ है कि महाद्वीप एकसमान घनत्व वाली चट्टानों से बने हैं, लेकिन उनकी मोटाई या लंबाई जगह-जगह अलग-अलग होती है। इस अवधारणा को सिद्ध करने के लिए, एरी ने अलग-अलग लंबाई के लोहे के कई टुकड़े लिए और उन्हें पारे से भरे एक बेसिन में डाल दिया। ये लोहे के टुकड़े अपनी लंबाई के अनुसार अलग-अलग गहराई तक डूब गए। इसी पैटर्न को अलग-अलग लंबाई के लकड़ी के टुकड़ों को लेकर भी दर्शाया जा सकता है। अगर हम उन्हें पानी के बेसिन में डालें, तो वे अपनी लंबाई के अनुसार पानी में डूब जाएँगे।
हालाँकि सर जॉर्ज एरी की अवधारणा वैज्ञानिक समुदाय में काफ़ी सम्मान रखती है, लेकिन इसमें कुछ खामियाँ और त्रुटियाँ भी हैं। अगर हम एरी के आइसोस्टैसी के विचारों को स्वीकार करें, तो हर उभरे हुए हिस्से की ऊँचाई के अनुसार नीचे एक जड़ होनी चाहिए।
इस प्रकार, हिमालय की जड़ 79,632 मीटर (यदि हम फ्रीबोर्ड और ड्राफ्ट का अनुपात 1:9 के रूप में स्वीकार करते हैं) या 70,784 मीटर (यदि फ्रीबोर्ड और ड्राफ्ट का अनुपात 1:8 के रूप में स्वीकार करते हैं) के बराबर होगी। यह मान लेना गलत होगा कि हिमालय में पहाड़ के नीचे हल्के पदार्थ की जड़ का नीचे की ओर प्रक्षेपण 79,634 मीटर या 70,784 मीटर की इतनी गहराई तक पहुँच रहा होगा, क्योंकि इतनी लंबी जड़, भले ही स्वीकार कर ली जाए, वहाँ के अत्यधिक उच्च तापमान के कारण पिघल जाएगी (क्योंकि गहराई बढ़ने के साथ तापमान 1° सेल्सियस प्रति 32 मीटर की दर से बढ़ता है)।
आर्कडीकन प्रैट की अवधारणा
कलियाना और कलियानपुर के भूगणितीय सर्वेक्षण के दौरान 5.236 सेकंड के गुरुत्वाकर्षण विक्षेपण के अंतर का अध्ययन करते हुए, आर्कडीकन प्रैट ने हिमालय का औसत घनत्व 2.75 मानकर उसके गुरुत्वाकर्षण बल की गणना की और पाया कि यह अंतर 15.885 सेकंड होना चाहिए था। प्रैट ने कहा कि “किसी तारे के कोण को मापने के लिए, एक सर्वेक्षक को क्षैतिज तल निर्धारित करना होगा। यदि दो स्थलों के बीच क्षैतिज तल तिरछा है, तो ऊर्ध्वाधर दिशा भी तिरछी होनी चाहिए।”
फिर, उन्होंने हिमालय और उसके आस-पास के मैदानों की चट्टानों (और उनके घनत्वों) का अध्ययन किया और पाया कि प्रत्येक ऊँचे भाग का घनत्व निचले भाग से कम है। दूसरे शब्दों में, पर्वतों का घनत्व पठार के घनत्व से कम होता है, पठार का घनत्व मैदान के घनत्व से कम होता है और मैदान का घनत्व महासागरीय तल के घनत्व से कम होता है, इत्यादि। इसका अर्थ है कि उच्चावचों की ऊँचाई और घनत्व के बीच एक व्युत्क्रम संबंध है।
प्रैट के अनुसार, क्षतिपूर्ति का एक स्तर होता है जिसके ऊपर भूमि के विभिन्न स्तंभों के घनत्व में भिन्नता होती है, लेकिन इस स्तर से नीचे घनत्व में कोई परिवर्तन नहीं होता। एक स्तंभ के भीतर घनत्व में परिवर्तन नहीं होता, बल्कि क्षतिपूर्ति के स्तर से ऊपर एक स्तंभ से दूसरे स्तंभ में घनत्व में परिवर्तन होता है।
इस प्रकार, प्रैट की समस्थितिकी अवधारणा का केंद्रीय विषय ‘परिवर्ती घनत्व के साथ एकसमान गहराई’ के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। प्रैट के अनुसार, क्षतिपूर्ति रेखा के अनुदिश समान द्रव्यमान के अंतर्गत समान पृष्ठीय क्षेत्रफल होना चाहिए। इस कथन को एक उदाहरण द्वारा समझाया जा सकता है।
क्षतिपूर्ति रेखा के अनुदिश दो स्तंभ, A और B, हैं। दोनों स्तंभों, A और B, का पृष्ठीय क्षेत्रफल समान है, लेकिन उनकी ऊँचाई में अंतर है। क्षतिपूर्ति रेखा के अनुदिश दोनों स्तंभों का द्रव्यमान समान होना चाहिए, इसलिए स्तंभ A का घनत्व स्तंभ B के घनत्व से कम होना चाहिए ताकि क्षतिपूर्ति रेखा के अनुदिश दोनों स्तंभों का भार समान हो जाए।
इस प्रकार, विभिन्न स्तंभों की ऊँचाई और उनके घनत्वों के बीच व्युत्क्रम संबंध की प्रैट की अवधारणा को निम्नलिखित तरीके से व्यक्त किया जा सकता है- ‘स्तंभ जितना बड़ा होगा, घनत्व उतना ही कम होगा और स्तंभ जितना छोटा होगा, घनत्व उतना ही अधिक होगा।’ प्रैट के अनुसार घनत्व केवल स्थलमंडल में ही भिन्न होता है, पाइरोस्फीयर और बैरीस्फीयर में नहीं।
इस प्रकार, प्रैट की आइसोस्टैसी की अवधारणा ‘क्षतिपूर्ति के नियम’ से संबंधित थी न कि ‘प्लवन के नियम’ से। प्रैट के अनुसार विभिन्न उच्चावच आकृतियाँ केवल इस तथ्य के कारण विद्यमान हैं कि उनके घनत्वों में भिन्नता के कारण क्षतिपूर्ति रेखा के अनुदिश उनका संबंधित द्रव्यमान समान है।
बोवी का मत है कि यद्यपि प्रैट, सर जॉर्ज एरी द्वारा प्रतिपादित प्लवन के नियम में विश्वास नहीं करते, फिर भी यदि हम प्रैट की अवधारणा पर सूक्ष्मता से विचार करें, तो हमें प्लवन के नियम की अप्रत्यक्ष झलक अवश्य मिलती है। इसी प्रकार, यद्यपि प्रैट ‘मूल निर्माण’ की अवधारणा में प्रत्यक्ष रूप से विश्वास नहीं करते, फिर भी उनके समस्थितिकी संबंधी सिद्धांत का गहन अध्ययन करने पर इस विचार (मूल निर्माण) की अप्रत्यक्ष झलक अवश्य मिलती है।
आइसोस्टैसी पर एरी और प्रैट के विचारों का तुलनात्मक विश्लेषण करते हुए बोवी ने देखा है कि “एरी और प्रैट के विचारों के बीच मूलभूत अंतर यह है कि पूर्व ने अलग-अलग मोटाई के साथ एक समान घनत्व की परिकल्पना की थी, जबकि बाद वाले ने अलग-अलग घनत्व के साथ एक समान गहराई की परिकल्पना की थी”।
हेफोर्ड और बॉवी की अवधारणा
हेफोर्ड और बॉवी ने प्रैट की अवधारणा के लगभग समान ही समस्थितिकी की अपनी अवधारणाएँ प्रतिपादित की हैं। उनके अनुसार, एक ऐसा तल है जहाँ भूपर्पटी के भागों की पूर्ण क्षतिपूर्ति होती है। इस क्षतिपूर्ति तल से ऊपर भूपर्पटी के भागों के स्तंभों की ऊँचाई के साथ घनत्व में परिवर्तन होता है।
पर्वतों का घनत्व महासागर तल की तुलना में कम होता है। दूसरे शब्दों में, पर्वतों के नीचे की भूपर्पटी महासागर तल की तुलना में हल्के पदार्थ से बनी होती है। क्षतिपूर्ति तल के नीचे एक ऐसा क्षेत्र होता है जहाँ घनत्व पार्श्व दिशा में एकसमान होता है।
इस प्रकार, हेफोर्ड और बॉवी के अनुसार, क्षतिपूर्ति रेखा के ऊपर भूपर्पटी के स्तंभों की ऊँचाई और उनके घनत्वों (जैसा कि प्रैट ने माना है) के बीच व्युत्क्रम संबंध है। क्षतिपूर्ति तल (क्षतिपूर्ति स्तर) लगभग 100 किमी की गहराई पर स्थित माना जाता है। कम घनत्व वाली चट्टानों वाले स्तंभ, अधिक घनत्व वाली चट्टानों वाले स्तंभों की तुलना में ऊँचे होते हैं। इस कथन को नीचे दिए गए चित्र की सहायता से समझा जा सकता है:
चार काल्पनिक स्तंभ (आंतरिक मैदान, पठार, तटीय मैदान और अपतटीय क्षेत्र) हैं जो क्षतिपूर्ति स्तर पर पहुँचते हैं। उनकी ऊँचाई अलग-अलग होती है, लेकिन वे अपने अलग-अलग घनत्वों द्वारा संतुलित रहते हैं। ‘मान्यता यह है कि विभिन्न स्तंभों में पदार्थ के अलग-अलग आयतन की क्षतिपूर्ति उनके घनत्व द्वारा इस प्रकार की जाती है कि वे क्षतिपूर्ति स्तर पर समान नीचे की ओर दबाव डालते हैं और इस प्रकार एक-दूसरे को संतुलित करते हैं।’
उपरोक्त चित्र उपरोक्त अवधारणा को स्पष्ट करता है। उपरोक्त चित्र से स्पष्ट है कि विभिन्न धातुओं और अयस्कों से काटे गए समान अनुप्रस्थ काट के विभिन्न स्तंभ, जिनका घनत्व भिन्न-भिन्न है, पारे के एक बेसिन में तैरते हुए दिखाई देते हैं, लेकिन वे सभी एक ही रेखा (क्षतिपूर्ति स्तर) पर पहुँचते हैं और इस प्रकार क्षतिपूर्ति रेखा के अनुदिश समान भार डालते हैं।
बोवी ने आइसोस्टैसी पर एरी और प्रैट के विचारों का तुलनात्मक अध्ययन किया और निष्कर्ष निकाला कि उनके विचारों में काफ़ी समानता थी। वास्तव में, ‘दोनों विचार उन्हें समान तो लगे, लेकिन एक जैसे नहीं।’
बोवी, प्रैट के विचारों में, यद्यपि अप्रत्यक्ष रूप से, एरी के मूल निर्माण और प्लवन के नियम की एक झलक देख सकते थे। हेफोर्ड और बोवी की यह अवधारणा कि भूपर्पटी के भाग (विभिन्न उभार) ऊर्ध्वाधर स्तंभों के रूप में हैं, मान्य नहीं है क्योंकि भूपर्पटी की विशेषताएँ क्षैतिज परतों के रूप में पाई जाती हैं।
जॉली की अवधारणा
जोली ने वर्ष 1925 में आइसोस्टैसी पर अपने विचार प्रस्तुत किए। उन्होंने लगभग 100 किमी की गहराई पर क्षतिपूर्ति के स्तर के अस्तित्व के बारे में हेफोर्ड और बोवी के दृष्टिकोण को इस आधार पर अस्वीकार कर दिया कि इस गहराई पर तापमान इतना अधिक होगा कि यह पूर्ण द्रवीकरण का कारण बनेगा और इस प्रकार क्षतिपूर्ति का स्तर संभव नहीं होगा।
उन्होंने हेफोर्ड और बोवी की इस अवधारणा का खंडन किया कि ‘घनत्व क्षतिपूर्ति के स्तर से ऊपर भिन्न होता है, लेकिन क्षतिपूर्ति के स्तर से नीचे एक समान रहता है, इस आधार पर कि ऐसी स्थिति व्यवहार में संभव नहीं होगी, क्योंकि ऐसी स्थिति भूवैज्ञानिक घटनाओं से आसानी से प्रभावित हो जाएगी और इस प्रकार क्षतिपूर्ति का स्तर प्रभावित होगा।
जोली के अनुसार, एकसमान घनत्व वाले आवरण के नीचे 10 मील (16 किमी) मोटाई की एक परत होती है। 10 मील मोटाई वाले इस क्षेत्र में घनत्व अलग-अलग होता है। इस प्रकार, जोली ने क्षतिपूर्ति के स्तर को एक रेखीय घटना नहीं, बल्कि एक क्षेत्रीय घटना माना। दूसरे शब्दों में, वह क्षतिपूर्ति की ‘रेखा (स्तर)’ में नहीं, बल्कि एक ‘क्षतिपूर्ति के क्षेत्र’ (10 मील मोटाई) में विश्वास करते थे।
इस प्रकार, हमें प्लवन के नियम की भी झलक मिलती है (यह ध्यान देने योग्य है कि जोली ने इसका उल्लेख नहीं किया है, हम केवल जोली की अवधारणा से प्लवन के विचार का अनुमान लगाते हैं) और उनकी अवधारणा हेफोर्ड और बोवी की अवधारणा की बजाय एरी की अवधारणा के अधिक निकट है।
‘यह प्लवन के विचार से पूर्णतः सहमत है; 10-इंच परत में कम घनत्व वाले क्षेत्र हल्के महाद्वीपीय क्रस्ट के नीचे की ओर उभारों के अनुरूप हैं, जबकि उच्च घनत्व वाले क्षेत्र भारी निचली परत की सामग्री से भरे मध्यवर्ती क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं।’
