समस्थिति की संकल्पना

आइसोस्टैसी (Isostasy) या समस्थिति शब्द का निर्माण ग्रीक भाषा के दो शब्दों—'Iso' (समान) तथा 'Stasis' (संतुलन अथवा समस्थिति)—से मिलकर हुआ है। 1889 ईस्वी में प्रसिद्ध अमेरिकी भूवैज्ञानिक क्लेरेंस एडवर्ड डटन (Clarence Edward Dutton) ने पृथ्वी के क्रस्ट और मैंटल के मध्य पाए जाने वाले गुरुत्वाकर्षणिक संतुलन को व्यक्त करने हेतु इस शब्द का प्रतिपादन किया था।

डटन के अनुसार: "पृथ्वी के उच्चावच के विभिन्न स्वरूपों (पर्वत, पठार, मैदान एवं महासागरीय बेसिन) का भू-गर्भ में स्थित भारी तथा प्लास्टिक मैग्मा या एस्थेनोस्फीयर के ऊपर संतुलित अवस्था में तैरते रहने की प्रक्रिया को ही समस्थिति कहते हैं।"

समस्थिति की वैज्ञानिक अवधारणा का उद्भव ब्रिटिश भारत में किए गए भू-मापन सर्वेक्षण से हुआ। 1859 में भारत के तत्कालीन सर्वेयर जनरल सर जॉर्ज एवरेस्ट (Sir George Everest) और उनके उत्तराधिकारी एंड्रयू वॉ (Andrew Waugh) के निर्देशन में भारत के उत्तर-दक्षिण देशांतरीय वृत्तचाप (Arc of the Meridian) को नापने का महान कार्य प्रारंभ हुआ। इस सर्वेक्षण के अंतर्गत दो प्रमुख स्टेशन स्थापित किए गए:

• कल्याना (Kaliana): अक्षांश $29^\circ 30' 48'' \text{ N}$—हिमालय की शिवालिक तलहटी (देहरादून के समीप) से मात्र 60 मील (96 किमी) दक्षिण में स्थित।
• कल्यानपुर (Kalianpur): अक्षांश $24^\circ 07' 11'' \text{ N}$—कल्याना से लगभग 370 मील (595 किमी) दक्षिण में मध्य भारत के मैदानी भाग में स्थित।

इन दोनों स्टेशनों के बीच की अक्षांशीय दूरी को दो पूर्णतः भिन्न और स्वतंत्र वैज्ञानिक विधियों द्वारा मापा गया:

1. त्रिकोणीय सर्वेक्षण विधि (Geodetic Triangulation Method): थियोडोलाइट तथा इनवार टेप द्वारा धरातल पर सीधी रेखा में वास्तविक स्थलीय दूरी का ज्यामितीय मापन।
2. खगोलीय प्रेक्षण विधि (Astronomical Method): जेनिथ दूरबीन तथा साहुल सूत्र (Plumb-line) द्वारा तारों की स्थिति देखकर अक्षांश का निर्धारण।

कलकत्ता के तत्कालीन आर्चडीकन और कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के ख्यातिप्राप्त गणितज्ञ जॉन हेनरी प्रैट (Archdeacon John Henry Pratt) को इस गणितीय अंतर की जांच सौंपी गई। प्रैट ने हिमालय के विशाल दृश्यमान द्रव्यमान तथा शैलों के औसत घनत्व ($2.75 \text{ g/cm}^3$) के आधार पर गुरुत्वाकर्षण की गणना की। प्रैट के अनुसार हिमालय के विशाल पर्वतभार के कारण कल्याना स्टेशन पर साहुल सूत्र उत्तर दिशा की ओर $15.885''$ आकर्षित होना चाहिए था।

किंतु धरातल पर वास्तविक मापा गया विचलन मात्र $5.236''$ निकला! इसका अर्थ था:

प्रैट यह देखकर चकित रह गए कि हिमालय अपने दृश्यमान भार की तुलना में साहुल सूत्र को एक-तिहाई से भी कम बल से आकर्षित कर रहा था। इस पहेली ने यह अकाट्य तथ्य प्रमाणित कर दिया कि धरातल पर दिखाई देने वाले ऊंचे हिमालय के गर्भ में कोई अदृश्य कम घनत्व वाला पदार्थ या द्रव्यमान की न्यूनता (Mass Deficiency) उपस्थित है। इसी पहेली ने एयरी तथा प्रैट के ऐतिहासिक सिद्धांतों को जन्म दिया।

इंग्लैंड के शाही खगोलशास्त्री सर जॉर्ज बिडेल एयरी (Sir George Biddell Airy) ने 1855 में रॉयल सोसाइटी की पत्रिका में अपनी व्याख्या प्रकाशित की। उनके सिद्धांत को 'जड़ संकल्पना' (Root Theory) अथवा 'उत्प्लावन नियम' (Law of Flotation) कहा जाता है।

एयरी का सिद्धांत आर्किमिडीज के उत्प्लावन के भौतिक नियम पर आधारित है। उनकी तीन प्रमुख अभिधारणाएं निम्न हैं:

• क्रस्ट का समान घनत्व (Uniform Density): पर्वत, पठार, मैदान आदि सभी भू-आकृतिक स्तंभ एक समान हल्के सियालिक (SIAL / ग्रेनाइट) पदार्थों से निर्मित हैं, जिनका औसत घनत्व सर्वत्र समान और लगभग $2.67 \text{ g/cm}^3$ है।
• सघन अधःस्तर या एस्थेनोस्फीयर: यह हल्का क्रस्ट अपने नीचे स्थित अधिक सघन, भारी एवं प्लास्टिक सिमा (SIMA) अथवा एस्थेनोस्फीयर पर तैर रहा है, जिसका औसत घनत्व लगभग $3.0 \text{ से } 3.3 \text{ g/cm}^3$ है।
• विभिन्न गहराई एवं जड़ों की उपस्थिति (Varying Depth of Roots): धरातल के विभिन्न स्तंभ समान गहराई तक नहीं जाते। जिस प्रकार जल में तैरते हुए हिमशैल (Iceberg) या लकड़ी के लट्ठे का अधिकांश भाग जल के नीचे डूबा रहता है, उसी प्रकार जो भू-भाग जितना अधिक ऊंचा होगा, भू-गर्भ में उसकी जड़ (Crustal Root) उतनी ही अधिक गहराई तक धंसी होगी।

एयरी ने अपने सिद्धांत को जल में तैरती बर्फ की उपमा से समझाया। यदि बर्फ का घनत्व $0.9$ और जल का घनत्व $1.0$ हो, तो बर्फ का $9$ में से $8$ भाग जल में डूबा रहता है और केवल $1$ भाग ऊपर तैरता है। इसी प्रकार क्रस्ट और अधःस्तर के संतुलन में:

जहां $h$ पर्वत की समुद्र तल से ऊंचाई है, $R$ भू-गर्भ में जड़ की गहराई है, $\rho_c$ क्रस्ट का घनत्व ($2.67$) तथा $\rho_m$ मैंटल का घनत्व ($3.00$) है:

अर्थात धरातल पर यदि पर्वत 1 किमी ऊंचा है, तो भू-गर्भ में उसकी लगभग 8 से 9 किमी गहरी जड़ एस्थेनोस्फीयर में प्रविष्ट होगी!

माउंट एवरेस्ट ($h = 8.848 \text{ किमी}$) के उदाहरण पर:

आर्चडीकन जॉन हेनरी प्रैट ने एयरी की जड़ संकल्पना का खंडन किया। उनके अनुसार अत्यधिक भू-गर्भिक तापमान के कारण क्रस्ट की ठोस जड़ों का बने रहना संभव नहीं है। अतः उन्होंने 'क्षतिपूर्ति तल संकल्पना' (Compensation Theory) अथवा 'विभिन्न घनत्व एवं समान गहराई' का सिद्धांत प्रस्तुत किया।

प्रैट के सिद्धांत की मुख्य अभिधारणाएं निम्न हैं:

• स्तंभों का विभिन्न घनत्व (Variable Density): धरातल के विभिन्न उच्चावचों का घनत्व एक समान नहीं होता। स्तंभ की ऊंचाई और उसके घनत्व में व्युत्क्रमानुपाती संबंध होता है:
  $$\text{पर्वतों का घनत्व} < \text{पठारों का घनत्व} < \text{मैदानों का घनत्व} < \text{महासागरीय तलहटी का घनत्व}$$
• समान क्षतिपूर्ति तल (Line of Compensation): भू-गर्भ में एक निश्चित काल्पनिक समतल रेखा (धरातल से लगभग 100 किमी गहराई पर) पाई जाती है, जिसे क्षतिपूर्ति तल कहते हैं। इस रेखा पर सभी स्तंभों की गहराई एक समान क्षैतिज रेखा पर समाप्त होती है।
• क्षतिपूर्ति तल पर समान दबाव: क्षतिपूर्ति तल के ऊपर स्थित प्रत्येक इकाई अनुप्रस्थ-काट वाले स्तंभ का कुल भार सर्वत्र एक समान होता है:
  $$\text{ऊंचाई} \times \text{घनत्व} = \text{स्थिरांक} \quad \implies \quad H_1 \cdot \rho_1 = H_2 \cdot \rho_2 = H_3 \cdot \rho_3 = C$$

प्रैट ने अपने सिद्धांत की पुष्टि हेतु पारे के टब का अत्यंत प्रसिद्ध उदाहरण प्रस्तुत किया:

• उन्होंने समान भार तथा समान अनुप्रस्थ-काट वाले किंतु विभिन्न घनत्व की धातुओं के टुकड़े लिए—जैसे सीसा ($ ho = 11.34$), लोहा ($ ho = 7.87$), जस्ता ($ ho = 7.14$), सुरमा/एंटीमनी ($ ho = 6.68$) और टिन ($ ho = 7.31$)।
• इन धातु स्तंभों को जब पारे ($ ho = 13.6$) से भरे टब में रखा गया, तो सबसे कम घनत्व वाला सुरमा पारे से सबसे ऊंचा उठा रहा, जबकि सबसे अधिक घनत्व वाला सीसा सबसे नीचा रहा।
• किंतु सबसे महत्वपूर्ण बात यह रही कि सभी टुकड़ों का भार समान होने के कारण पारे के भीतर उनके निचले तल एक ही समान क्षैतिज रेखा (क्षतिपूर्ति तल) पर स्थित रहे। नीचे कोई अलग-अलग जड़ें नहीं बनीं!

अमेरिकी भू-गणितज्ञ जे. एफ. हेफोर्ड (J.F. Hayford) तथा विलियम बोवी (William Bowie) ने प्रैट के सिद्धांत को गणितीय रूप से सुदृढ़ बनाया:

• हेफोर्ड ने 1909 में संयुक्त राज्य अमेरिका के गुरुत्वीय आंकड़ों का विश्लेषण करके क्षतिपूर्ति तल की गहराई 113.7 किमी और बाद में 96 किमी निर्धारित की।
• 1912 में विलियम बोवी ने अंतरराष्ट्रीय मानक के रूप में क्षतिपूर्ति तल की गहराई 112.7 किमी (लगभग 70 मील) स्थापित की।
• बोवी के अनुसार 112.7 किमी की गहराई पर धरातल के प्रत्येक इकाई स्तंभ का भार लगभग 3000 किग्रा प्रति वर्ग सेमी होता है, जिससे सर्वत्र संतुलन बना रहता है।

डच भू-भौतिकविद् एफ. ए. वेनिंग मीनिज (F.A. Vening Meinesz) ने पनडुब्बियों में विशेष पेंडुलम यंत्र द्वारा समुद्री गुरुत्वाकर्षण का मापन किया। उन्होंने पाया कि न तो एयरी और न ही प्रैट का स्थानीय ब्लॉक मॉडल महासागरीय गर्तों और ज्वालामुखीय द्वीपों के गुरुत्वीय विचलन को पूर्णतः समझा पाता है।

उन्होंने प्रादेशिक समस्थिति (Regional / Flexural Isostasy) का सिद्धांत दिया:

• भू-पर्पटी अलग-अलग स्वतंत्र ऊर्ध्वाधर स्तंभों में विभाजित नहीं है।
• बल्कि लिथोस्फीयर एक सतत, दृढ़ एवं प्रत्यास्थ पटल (Elastic Plate) की भांति व्यवहार करता है, जो नीचे स्थित प्लास्टिक एस्थेनोस्फीयर पर फैला है।
• जब क्रस्ट पर कोई भारी पर्वत या ज्वालामुखीय भार पड़ता है, तो यह प्रत्यास्थ पटल विस्तृत क्षेत्र में नीचे झुक जाता है (Flexural Downwarping), जिससे भार केवल एक बिंदु पर न रहकर सैकड़ों किलोमीटर के प्रादेशिक क्षेत्र में वितरित हो जाता है।

प्रसिद्ध ब्रिटिश भूवैज्ञानिक आर्थर होम्स (Arthur Holmes) ने अपनी पुस्तक Principles of Physical Geology में इस विवाद का सुंदर समाधान प्रस्तुत किया:

• प्रकृति में दोनों प्रक्रम सक्रिय हैं: एयरी और प्रैट दोनों के विचार आंशिक रूप से सत्य हैं।
• पर्वतीय भागों में एयरी का मॉडल मान्य: नवीन वलित पर्वतों (हिमालय, एंडीज, रॉकीज) के नीचे भूकंपीय तरंगों ने स्पष्ट कर दिया है कि वहां 70 किमी तक गहरी सियालिक जड़ें पाई जाती हैं (एयरी का विचार 80% सत्य)।
• महाद्वीप-महासागर सीमा पर प्रैट का मॉडल मान्य: महाद्वीपीय क्रस्ट ($2.7$) और महासागरीय बेसाल्टिक क्रस्ट ($3.0$) के घनत्व का अंतर यह सिद्ध करता है कि समुद्री बेसिनों की गहराई प्रैट के घनत्व संतुलन नियम द्वारा नियंत्रित होती है।

समस्थिति कोई स्थाई या अपरिवर्तनीय स्थिर स्थिति नहीं है। धरातल पर अपरदन तथा निक्षेपण जैसे बहिर्जात प्रक्रमों द्वारा जब पदार्थों का स्थानांतरण होता है, तो गुरुत्वाकर्षणिक संतुलन बिगड़ जाता है। इस संतुलन को पुनः स्थापित करने के लिए क्रस्ट जो ऊर्ध्वाधर हलचल करता है, उसे समस्थितिक समायोजन (Isostatic Adjustment) कहते हैं।

हिमयुग के बाद क्रस्ट का पुनः ऊपर उठना समस्थिति का सबसे प्रत्यक्ष एवं अकाट्य प्रमाण है:

• हिमानी भार एवं अवतलन: पिछले प्लीस्टोसीन हिमयुग में स्कैंडिनेविया (बाल्टिक शील्ड) और कनाडा (हडसन की खाड़ी) पर 2 से 3 किमी मोटी बर्फ की विशाल चादरें जमा हो गई थीं। बर्फ के भारी दबाव से लिथोस्फीयर सैकड़ों मीटर नीचे धंस गया और नीचे का प्लास्टिक मैंटल किनारों की ओर विस्थापित हो गया।
• हिम पिघलना एवं भू-उत्थान: लगभग 10,000 वर्ष पूर्व जब जलवायु गर्म हुई और बर्फ पिघल गई, तो क्रस्ट से भारी बोझ हट गया। परिणामस्वरूप धंसा हुआ क्रस्ट पुनः स्प्रिंग की भांति ऊपर उठने लगा, जिसे पोस्ट-ग्लेशियर रीबाउंड कहते हैं।
• प्रत्यक्ष प्रमाण:
  • स्कैंडिनेविया एवं बाल्टिक सागर: बोथनिया की खाड़ी में क्रस्ट प्रतिवर्ष लगभग 10 मिमी (शताब्दी में 1 मीटर) की दर से ऊपर उठ रहा है। 18वीं शताब्दी में वैज्ञानिक आंद्रे सेल्शियस द्वारा तटीय चट्टानों पर बनाए गए जल-चिह्न आज समुद्र तल से काफी ऊपर आ चुके हैं। स्वीडन तट पर उत्थित समुद्री तट (Raised Beaches) स्पष्ट दिखाई देते हैं।
  • हडसन की खाड़ी, कनाडा: बर्फ हटने के बाद से क्रस्ट 300 मीटर से अधिक ऊपर उठ चुका है और पूर्ण संतुलन प्राप्त करने हेतु लगभग 100 मीटर का उत्थान अभी शेष है।

नदियों के अपरदन और अवसादन से भी समस्थितिक संतुलन लगातार पुनर्संयोजित होता रहता है:

• हिमालयी शिखरों का उत्थान (Denudation Rebound): गंगा, सिंधु और ब्रह्मपुत्र नदियां हिमालय के शिखरों को अपरदित करके करोड़ों टन मलबा हटाती हैं। इससे पर्वत हल्के हो जाते हैं और नीचे के मैंटल के उत्प्लावन बल के कारण हिमालयी शिखर समस्थितिक रूप से पुनः ऊपर उठते रहते हैं।
• बंगाल डेल्टा एवं सुंदरवन का भू-धंसाव (Sediment Loading): हिमालय से अपरदित यह गाद गंगा-ब्रह्मपुत्र नदियों द्वारा बंगाल बेसिन और सुंदरवन में निक्षेपित की जाती है। प्रतिवर्ष लगभग 100 करोड़ टन से अधिक गाद यहां जमा होती है।
• धंसाव की प्रक्रिया: इस विशाल तलछट के भार से बंगाल बेसिन की पर्पटी प्रतिवर्ष 1 से 4 मिमी की दर से निरंतर धंसती रहती है। किंतु गाद जमा होने की दर और धंसाव की दर लगभग समान होने के कारण, करोड़ों वर्षों में यहां 10 से 15 किमी मोटा उथले जल का अवसादी स्तर जमा हो गया है, फिर भी सुंदरवन कभी समुद्र में विलीन नहीं हुआ!

धरातल के किसी निश्चित बिंदु पर ग्रेविमीटर द्वारा मापे गए वास्तविक गुरुत्व बल ($g_{obs}$) तथा मानक भू-आभ संदर्भ उपवृत्तक पर गणितीय रूप से आकलित सैद्धांतिक गुरुत्व बल ($g_{theor}$) के अंतर को गुरुत्व विसंगति कहते हैं:

धरातल की ऊंचाई तथा शैलों के द्रव्यमान के प्रभाव को संतुलित करने के लिए तीन प्रमुख संशोधन किए जाते हैं:

• पर्वतों पर तीव्र ऋणात्मक बूगे विसंगति:
  • हिमालय तथा तिब्बत के पठार पर बूगे विसंगति अत्यधिक ऋणात्मक, लगभग $-250 \text{ से } -500 \text{ mgal}$ पाई जाती है।
  • कारण: जब बूगे संशोधन द्वारा धरातल पर स्थित पर्वत के दृश्यमान भार को घटा दिया जाता है, तो ग्रेविमीटर भू-गर्भ में भारी द्रव्यमान की कमी दर्ज करता है। यह कमी इसलिए है क्योंकि पर्वत के नीचे भारी मैंटल के स्थान पर 70 किमी गहरी हल्की ग्रेनाइटिक जड़ें ($2.67$) धंसी हुई हैं, जो एयरी की जड़ संकल्पना को प्रत्यक्ष रूप से सिद्ध करती हैं।
• महासागरों पर धनात्मक बूगे विसंगति:
  • गहरे महासागरीय बेसिनों पर बूगे विसंगति अत्यधिक धनात्मक, लगभग $+200 \text{ से } +400 \text{ mgal}$ होती है।
  • कारण: महासागरीय क्रस्ट बहुत पतला (~6 किमी) होने के कारण भारी मैंटल पदार्थ सतह के निकट आ जाता है, जो प्रैट के घनत्व सिद्धांत का समर्थन करता है।
• भारत-गंगा के अग्रगर्त की विसंगति:
  • हिमालय के ठीक दक्षिण में उत्तर बंगाल एवं गंगा के मैदान में ऋणात्मक विसंगति पाई जाती है, जो हिमालय के भार से झुकी हुई भारतीय प्लेट तथा उसमें भरे हल्के जलोढ़ को दर्शाती है।