MAJ Unit I 3. Theory of Isostasy भू-संतुलन समस्थिति सिद्धांत

 

जय नारायण व्यास विश्वविद्यालय, जोधपुर

B.A. — Physical Geography

Theory of Isostasy 

समस्थिति/भू-संतुलन का सिद्धान्त

By Dr. N. K. Pareek

1. प्रस्तावना

पृथ्वी की सतह पर कहीं ऊँचे-ऊँचे पर्वत हैं, कहीं विशाल पठार, कहीं निम्न मैदान और कहीं गहरे महासागरीय बेसिन। प्रश्न उठता है कि इतनी असमान स्थलाकृति के बावजूद पृथ्वी की भूपर्पटी किस प्रकार संतुलित रहती है?

इस प्रश्न को समझाने के लिए Isostasy (समस्थिति/भू-संतुलन) की संकल्पना अत्यंत महत्वपूर्ण है। सामान्य अर्थ में Isostasy पृथ्वी की भूपर्पटी और उसके नीचे स्थित अधिक घने पदार्थ के बीच गुरुत्वीय एवं उछाल-आधारित संतुलन की अवस्था है। USGS भी इसे पृथ्वी की पर्पटी के मैंटल के ऊपर संतुलन या buoyancy की स्थिति के रूप में परिभाषित करता है।

2. Isostasy का अर्थ

Isostasy शब्द दो ग्रीक शब्दों से मिलकर बना है—

• Iso = समान (Equal)
• Stasis = स्थिरता/खड़ा होना (Standing)

अतः Isostasy का सामान्य अर्थ है—

“समान संतुलन की अवस्था” अथवा “भू-संतुलन”।

भूगोल में इसका तात्पर्य उस अवस्था से है जिसमें पृथ्वी की अपेक्षाकृत हल्की भूपर्पटी, अधिक घनत्व वाले नीचे के पदार्थ के ऊपर इस प्रकार संतुलित रहती है कि विभिन्न भू-भाग गुरुत्वीय संतुलन की स्थिति प्राप्त कर सकें।

3. Isostasy की संकल्पना का विकास

भू-संतुलन की धारणा को विकसित करने में कई विद्वानों का योगदान रहा है।

प्रमुख विद्वान

1. Pierre Bouguer — पर्वतीय क्षेत्रों में गुरुत्वीय विसंगतियों के अध्ययन से संबंधित प्रारम्भिक विचार।
2. George Everest — भारत में पर्वतीय क्षेत्रों के गुरुत्वीय प्रभावों के अध्ययन में योगदान।
3. John Henry Pratt — घनत्व में भिन्नता पर आधारित समस्थिति मॉडल।
4. George Biddell Airy — भूपर्पटी की मोटाई में अंतर तथा पर्वतों की “जड़ों” पर आधारित मॉडल।
5. Clarence Edward Dutton — 1882 में “Isostasy” शब्द को व्यवस्थित रूप से लोकप्रिय बनाया।
6. Hayford तथा Bowie — गुरुत्वीय मापन एवं compensation की अवधारणा को आगे विकसित किया।
7. बाद में Vening Meinesz आदि ने लचीली (flexural) भूपर्पटी के आधार पर समस्थिति को समझने में योगदान दिया         

 4. Isostasy की मूल अवधारणा

Isostasy को समझने के लिए एक सरल उदाहरण लें।

लकड़ी का टुकड़ा और पानी

यदि पानी में लकड़ी का टुकड़ा रखा जाए तो उसका कुछ भाग पानी के ऊपर और कुछ भाग पानी के नीचे रहता है।

इसी प्रकार पृथ्वी की अपेक्षाकृत हल्की भूपर्पटी नीचे के अधिक घने पदार्थ के ऊपर संतुलन की अवस्था में रहती है।

सरल रूप में:

             पर्वत
              /\
             /  \
            /    \
-----------/------\----------- सतह
          /        \
         /          \
        /   ROOT     \       ← गहरी जड़
-------/--------------\------
       अधिक घना मैंटल

यह विचार विशेष रूप से Airy की Isostasy में स्पष्ट दिखाई देता है।

5. समस्थिति का आधार

Isostasy मुख्यतः निम्न विचारों पर आधारित है—

(1) घनत्व में अंतर

भूपर्पटी का औसत घनत्व नीचे के मैंटल की तुलना में कम है।

(2) उछाल का सिद्धान्त

हल्का पदार्थ अधिक घने पदार्थ पर तैरने की प्रवृत्ति रखता है।

(3) गुरुत्वीय संतुलन

लंबवत दिशा में विभिन्न भू-स्तम्भों के भार में एक निश्चित संतुलन स्थापित हो सकता है।

(4) Compensation Level

एक निश्चित गहराई पर विभिन्न भू-स्तम्भों के भार/दाब को संतुलित माना जाता है। इसे Compensation Level (क्षतिपूर्ति तल) कहते हैं।

6. क्षतिपूर्ति तल — Level of Compensation

Isostasy में क्षतिपूर्ति तल अत्यंत महत्वपूर्ण अवधारणा है।

यह वह काल्पनिक गहराई है जहाँ विभिन्न भू-स्तम्भों के भार का प्रभाव संतुलित माना जाता है।

उदाहरण—

        पर्वत          मैदान
          /\             ______
         /  \___________/      \
        /                       \
       |                         |
       |                         |
-------|-------------------------|---- क्षतिपूर्ति तल
       |                         |
       |        अधिक घना         |
       |          मैंटल          |

Airy मॉडल में अलग-अलग ऊँचाई वाले भू-भागों के नीचे भूपर्पटी की मोटाई अलग होती है, जबकि Pratt मॉडल में compensation level तक मोटाई समान मानी जाती है लेकिन घनत्व अलग-अलग होता है।

7. Isostasy के प्रमुख सिद्धान्त

समस्थिति को समझाने के लिए दो पारंपरिक सिद्धान्त सबसे महत्वपूर्ण हैं—

A. Airy का सिद्धान्त

B. Pratt का सिद्धान्त

8. Airy का Isostasy सिद्धान्त

George Biddell Airy

Airy ने 1855 में भूपर्पटी के संतुलन को समझाने के लिए अपना मॉडल प्रस्तुत किया।

मुख्य विचार

Airy के अनुसार—

भूपर्पटी का घनत्व लगभग समान है, लेकिन उसकी मोटाई स्थान-स्थान पर अलग-अलग होती है।

अर्थात् ऊँचे पर्वतों के नीचे भूपर्पटी की गहरी जड़ें (Roots) होती हैं।

उदाहरण

जैसे पानी में तैरता हुआ हिमखंड—

             पर्वत
              /\
             /  \
            /    \
-----------/------\-----------
          /        \
         /          \
        /            \
       /     ROOT     \
      /                \
-----/------------------\----
       अधिक घना मैंटल

Airy के अनुसार

ऊँचा पर्वत → गहरी जड़

कम ऊँचा भू-भाग → छोटी जड़

इस प्रकार पर्वतों का अतिरिक्त भार उनकी गहरी जड़ों के कारण संतुलित होता है।

9. Airy सिद्धान्त की प्रमुख मान्यताएँ

1. भूपर्पटी का घनत्व लगभग समान माना जाता है।
2. भूपर्पटी की मोटाई विभिन्न स्थानों पर अलग-अलग होती है।
3. पर्वतों के नीचे गहरी जड़ें होती हैं।
4. अधिक ऊँचाई वाले भू-भाग की जड़ अधिक गहरी होती है।
5. एक निश्चित क्षतिपूर्ति तल पर भू-स्तम्भ संतुलित होते हैं।
6. नीचे का पदार्थ अपेक्षाकृत अधिक घना माना जाता है।

USGS के isostatic-gravity modelling में Airy-Heiskanen model का उपयोग topographic load के कारण होने वाले बड़े पैमाने के gravity effects को समझने के लिए किया जाता है।

10. Airy सिद्धान्त का उदाहरण

मान लीजिए तीन क्षेत्र हैं—

• पर्वत
• पठार
• मैदान

तो Airy के अनुसार:

भू-भाग	सतह की ऊँचाई	भूपर्पटी की जड़
पर्वत	अधिक	बहुत गहरी
पठार	मध्यम	मध्यम
मैदान	कम	कम गहरी
महासागर	बहुत कम	सामान्यतः पतली oceanic crust

याद रखने की ट्रिक:

Airy = समान Density + अलग-अलग Depth/Thickness

11. Pratt का Isostasy सिद्धान्त

John Henry Pratt

Pratt ने भी 1855 में भू-संतुलन को समझाने का एक अलग मॉडल प्रस्तुत किया।

Airy के विपरीत Pratt ने माना कि—

भूपर्पटी की गहराई/मोटाई लगभग समान है, लेकिन विभिन्न भू-भागों के पदार्थों का घनत्व अलग-अलग है।

अर्थात् ऊँचे भू-भागों के नीचे अपेक्षाकृत कम घनत्व वाला पदार्थ और निम्न क्षेत्रों के नीचे अपेक्षाकृत अधिक घनत्व वाला पदार्थ माना जाता है।

12. Pratt मॉडल का सरल चित्र

        पर्वत          मैदान
          /\          ______
         /  \________/      \
        | कम घनत्व | अधिक घनत्व |
        |           |           |
        |           |           |
--------|-----------|-----------| ← क्षतिपूर्ति तल
        |      अधिक घनत्व वाला   |
        |          मैंटल         |

Pratt का मूल विचार

ऊँचाई अधिक → घनत्व कम

ऊँचाई कम → घनत्व अधिक

इस प्रकार अलग-अलग घनत्व के कारण भू-भाग संतुलित रहते हैं।

13. Pratt सिद्धान्त की प्रमुख मान्यताएँ

1. भूपर्पटी की गहराई लगभग समान मानी जाती है।
2. विभिन्न भू-भागों के पदार्थों का घनत्व अलग-अलग होता है।
3. ऊँचे भू-भाग कम घनत्व वाले पदार्थ से बने होते हैं।
4. निम्न भू-भाग अपेक्षाकृत अधिक घनत्व वाले पदार्थ से बने होते हैं।
5. एक निश्चित क्षतिपूर्ति तल तक अलग-अलग भू-स्तम्भों का भार संतुलित माना जाता है।                          

14. Airy और Pratt में अंतर

आधार	Airy सिद्धान्त	Pratt सिद्धान्त
प्रमुख विचार	मोटाई में अंतर	घनत्व में अंतर
घनत्व	लगभग समान	अलग-अलग
भूपर्पटी की मोटाई	अलग-अलग	लगभग समान
पर्वत	गहरी जड़ वाले	कम घनत्व वाले
निम्न क्षेत्र	छोटी जड़	अधिक घनत्व
मुख्य आधार	Root Theory	Density Theory
Compensation	निश्चित तल	निश्चित तल

परीक्षा की दृष्टि से सबसे महत्वपूर्ण पंक्ति:

Airy = समान घनत्व, भिन्न मोटाई
Pratt = समान गहराई, भिन्न घनत्व

 15. Isostasy और पर्वतों की जड़

Airy सिद्धान्त के अनुसार पर्वत केवल ऊपर दिखाई देने वाले भाग से ही नहीं बने हैं, बल्कि उनके नीचे भी भूपर्पटी का विस्तृत भाग होता है।

इसे Mountain Root कहा जाता है।

इसकी तुलना अक्सर हिमखंड (Iceberg) से की जाती है—जैसे हिमखंड का एक भाग पानी के ऊपर और बड़ा भाग पानी के नीचे होता है, उसी प्रकार पर्वत के नीचे भूपर्पटी की जड़ हो सकती है।

हालाँकि आधुनिक भू-विज्ञान में वास्तविक पृथ्वी की संरचना Airy या Pratt के सरल मॉडल से अधिक जटिल मानी जाती है; crustal thickness, density, lithospheric strength और mantle processes सभी योगदान कर सकते हैं। USGS के अध्ययन भी बताते हैं कि सतही ऊँचाई और crustal thickness का संबंध सरल एक-से-एक संबंध नहीं है।

16. Isostatic Adjustment — समस्थिति समायोजन

जब पृथ्वी की सतह पर भार में परिवर्तन होता है तो भूपर्पटी अपनी स्थिति को बदलकर नए संतुलन की ओर बढ़ सकती है।

भार बढ़ने पर

जैसे—

• हिम/बर्फ का जमना
• भारी अवसादों का जमाव
• ज्वालामुखीय पदार्थ का संचय

तो crust नीचे धँस सकती है।

इसे Isostatic Subsidence कहते हैं।

भार हटने पर

जैसे—

• हिमनद का पिघलना
• अपरदन द्वारा पदार्थ का हटना

तो crust ऊपर उठ सकती है।

इसे Isostatic Rebound/Recovery कहते हैं।

17. हिमनद और Isostasy

हिमयुग के दौरान बड़े-बड़े हिमावरणों का भार पृथ्वी की सतह पर पड़ता है।

          बर्फ
   ███████████████
   ███████████████
------------------------- सतह
       ↓ भार
       ↓
      crust
      ↓↓↓
------------------------- नीचे

बर्फ पिघलने के बाद भार कम होता है और पृथ्वी की भूपर्पटी धीरे-धीरे ऊपर उठ सकती है।

इस प्रक्रिया को Post-glacial rebound / Glacial Isostatic Adjustment कहा जाता है। आधुनिक भूभौतिकी में इसे crust और mantle के दीर्घकालीन समायोजन की प्रक्रिया के रूप में देखा जाता है।

18. अपरदन और Isostasy

अपरदन द्वारा पर्वतों से पदार्थ हटता है।

पर्वत का भार ↓ → भूपर्पटी का उत्थान ↑

इसलिए अपरदन और Isostatic uplift के बीच संबंध स्थापित किया जाता है।

इसी प्रकार नदी द्वारा मैदानों में भारी मात्रा में अवसाद जमा होने पर वहाँ subsidence हो सकता है।

19. Isostasy का भौगोलिक महत्त्व

1. पर्वत निर्माण को समझने में

पर्वतीय क्षेत्रों के नीचे crustal roots की अवधारणा को समझने में सहायता मिलती है।

2. पठारों और मैदानों की ऊँचाई समझने में

भिन्न घनत्व और crustal thickness के आधार पर स्थलाकृति की व्याख्या की जा सकती है।

3. हिमनद क्षेत्रों के उत्थान में

हिमावरण हटने के बाद होने वाले crustal rebound को समझने में सहायता मिलती है।

4. अपरदन और उत्थान के संबंध में

अपरदन से भार घटने पर isostatic uplift हो सकता है।

5. अवसादन क्षेत्रों को समझने में

अवसाद के बढ़ते भार से crustal subsidence हो सकता है।

6. गुरुत्वीय विसंगतियों के अध्ययन में

Isostatic models का उपयोग gravity observations की व्याख्या में किया जाता है।

7. पृथ्वी की आंतरिक संरचना के अध्ययन में

भूपर्पटी की मोटाई, घनत्व और नीचे के पदार्थों के संबंध को समझने में इसका महत्त्व है।

20. Isostasy की सीमाएँ

Airy और Pratt दोनों मॉडल महत्वपूर्ण हैं, लेकिन वे पृथ्वी की वास्तविक संरचना को पूरी तरह नहीं समझाते।

प्रमुख सीमाएँ

1. पृथ्वी की भूपर्पटी का घनत्व हर स्थान पर समान नहीं है।
2. crust की मोटाई भी सभी क्षेत्रों में समान नहीं है।
3. lithosphere पूर्णतः द्रव की तरह व्यवहार नहीं करता।
4. tectonic forces भी स्थलाकृति को प्रभावित करती हैं।
5. mantle convection जैसे आंतरिक कारकों का प्रभाव होता है।
6. पर्वतों की ऊँचाई केवल isostatic balance से निर्धारित नहीं होती।
7. आधुनिक अध्ययनों में flexural isostasy तथा dynamic support जैसे विचार भी महत्वपूर्ण हैं। आधुनिक geodynamic models classical isostasy की तुलना में lithosphere की elastic/viscoelastic प्रकृति को भी ध्यान में रखते हैं।                  

  21. आधुनिक दृष्टिकोण

आज Isostasy को केवल Airy बनाम Pratt के रूप में नहीं देखा जाता।

आधुनिक दृष्टिकोण में निम्न कारकों को भी शामिल किया जाता है—

• Crustal thickness
• Rock density
• Lithospheric rigidity
• Mantle density
• Surface loading
• Sedimentation
• Erosion
• Glacial loading
• Tectonic processes
• Mantle convection

इसलिए वास्तविक पृथ्वी में स्थैतिक (static), लचीली (flexural) तथा गतिशील (dynamic) समस्थिति के विभिन्न रूपों पर विचार किया जाता है।

---

22. Airy और Pratt को याद रखने की आसान विधि

AIRY → ROOT

Airy = पर्वत की गहरी जड़

PRATT → DENSITY

Pratt = घनत्व में अंतर

एक लाइन में:

“Airy ने Thickness बदली, Pratt ने Density बदली।”

---

23. परीक्षा के लिए मॉडल उत्तर

प्रश्न: Isostasy के सिद्धान्त की व्याख्या कीजिए।

उत्तर की रूपरेखा:

भूमिका → Isostasy का अर्थ → Dutton → Compensation level → Airy सिद्धान्त → Pratt सिद्धान्त → दोनों में अंतर → महत्त्व → सीमाएँ → निष्कर्ष।

निष्कर्ष

समस्थिति सिद्धान्त पृथ्वी की भूपर्पटी के संतुलन को समझाने वाला Physical Geography का महत्वपूर्ण सिद्धान्त है। Airy ने भूपर्पटी की समान घनत्व लेकिन असमान मोटाई तथा पर्वतीय जड़ों की अवधारणा प्रस्तुत की, जबकि Pratt ने समान गहराई पर अलग-अलग घनत्व के आधार पर संतुलन को समझाया। आधुनिक भू-विज्ञान में इन दोनों पारंपरिक मॉडलों के साथ lithospheric flexure, crustal density, mantle processes और loading-unloading जैसे कारकों को भी ध्यान में रखा जाता है। अतः Isostasy पृथ्वी की स्थलाकृति, गुरुत्वीय संतुलन और crustal adjustment को समझने का एक मूलभूत सिद्धान्त है।

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⭐ अति-महत्त्वपूर्ण परीक्षा बिंदु

• Isostasy = भू-संतुलन/समस्थिति
• Dutton = Isostasy शब्द को लोकप्रिय बनाने वाले विद्वान
• Airy = Root Theory
• Pratt = Density Theory
• Airy → समान घनत्व + असमान मोटाई
• Pratt → असमान घनत्व + लगभग समान मोटाई
• Compensation Level = क्षतिपूर्ति तल
• भार बढ़ना → Subsidence
• भार हटना → Isostatic Rebound
• अपरदन → भार में कमी → संभावित Isostatic Uplift
• हिमनद पिघलना → Post-glacial rebound

संभावित विश्वविद्यालय परीक्षा प्रश्न

1. समस्थिति (Isostasy) से आप क्या समझते हैं?
2. Airy के समस्थिति सिद्धान्त की व्याख्या कीजिए।
3. Pratt के समस्थिति सिद्धान्त की व्याख्या कीजिए।
4. Airy एवं Pratt के सिद्धान्तों में अंतर स्पष्ट कीजिए।
5. समस्थिति सिद्धान्त का भौगोलिक महत्त्व बताइए।
6. Isostatic adjustment क्या है? उदाहरण सहित समझाइए।
7. पर्वतों की जड़ों की अवधारणा को Airy सिद्धान्त के संदर्भ में समझाइए।
8. **Isostasy की आधुनिक अवधारणा पर टिप्पणी लिखिए।**

एयरी का भू-संतुलन समस्थिति सिद्धांत (Airy’s Theory of Isostasy)

एयरी का भू-संतुलन सिद्धांत 1855 में सर जॉर्ज एयरी (Sir George Biddell Airy) द्वारा प्रस्तुत किया गया था।

यह सिद्धांत पृथ्वी की सतह पर पाए जाने वाले विभिन्न ऊँचाई वाले भू-भाग (जैसे पर्वत, पठार, मैदान) के संतुलन को समझाने के लिए है।

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मुख्य विचार

एयरी के अनुसार,

पृथ्वी की पर्पटी (Crust) अलग-अलग ऊँचाई पर होते हुए भी गुरुत्वीय संतुलन बनाए रखती है।

पर्पटी का घनत्व लगभग समान होता है, लेकिन उसकी मोटाई अलग-अलग होती है।

पर्वत क्षेत्रों में पर्पटी मोटी होती है और वह गहरे में "जड़ों" (Roots) के रूप में मैन्टल में धँसी होती है।

मैदानों में पर्पटी पतली होती है और उसकी जड़ें भी उथली होती हैं।

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मुख्य सिद्धांत

1. पर्पटी का घनत्व स्थिर माना गया है।

2. ऊँचे भू-भाग के नीचे गहरी जड़ें होती हैं, जो उनके भार को संतुलित करती हैं।

3. कम ऊँचाई वाले क्षेत्रों में पर्पटी पतली और जड़ें छोटी होती हैं।

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उदाहरण

हिमालय के नीचे पर्पटी की मोटाई बहुत अधिक है, इसलिए वहाँ मैन्टल में गहरी जड़ें हैं।

गंगा के मैदानी क्षेत्र में पर्पटी पतली है, इसलिए वहाँ जड़ें भी उथली हैं।

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चित्र द्वारा समझना

मान लो लकड़ी का टुकड़ा पानी में रखा है — मोटा टुकड़ा पानी में ज्यादा धँसता है और पतला टुकड़ा कम धँसता है।

ठीक इसी तरह, पर्वत "मैन्टल" में ज्यादा धँसते हैं और मैदान कम।

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सीमाएँ (Limitations)

यह मान लिया गया कि पर्पटी का घनत्व हर जगह समान है, जबकि वास्तव में यह अलग-अलग हो सकता है।

यह सिद्धांत मैन्टल की लचक (rigidity) और प्रवाहशीलता (plasticity) की पूरी तरह व्याख्या नहीं करता।

Airy’s Theory of Isostasy

Airy’s isostasy theory was presented by Sir George Biddell Airy in 1855.

This theory is to explain the balance of different heights of land (such as mountains, plateaus, plains) found on the surface of the earth.

Main idea

According to Airy,

The earth’s crust maintains gravitational equilibrium despite being at different heights.

The density of the crust is almost the same, but its thickness varies.

In mountainous regions, the crust is thick and it is deeply embedded in the mantle in the form of “roots”.

In plains, the crust is thin and its roots are also shallow.

Main principle

The density of the crust is considered constant.

 There are deep roots beneath high land masses, which balance their weight.

In low altitude regions, the crust is thin and the roots are short.

Example

The thickness of the crust beneath the Himalayas is very high, so there are deep roots in the mantle.

The crust is thin in the Gangetic plains, so the roots are shallow there.

Understanding through a diagram

Suppose a piece of wood is placed in water - the thick piece sinks more in water and the thin piece sinks less.

Similarly, mountains sink more in the "mantle" and plains less.

Limitations

It is assumed that the density of the crust is the same everywhere, whereas in reality it may vary.

This theory does not fully explain the rigidity and plasticity of the mantle.