Termenii izostazie și izostatic sunt utilizați în domeniul Științelor Pământului (în special în Geologie, Geofizică și Geodinamică) în legătură cu sistemul format din cele două straturi superioare ale Pământului, litosferă și astenosfera terestră, pentru a desemna:
starea de izostazie = starea ideală de echilibru gravitațional spre care tinde acest sistem în absența unor forțe perturbatoare; procesul izostatic = procesul geodinamic complex și continuu de reechilibrare prin care acest sistem caută să ajungă în starea de izostazie ; fenomenele izostatice = manifestările exterioare ale procesului izostatic ; Teoria izostaziei = ansamblul sistematic de idei, ipoteze, concepte și modele fizice ce descriu și explică starea, procesul și fenomenele legate de izostazie .
Etimologie În lb. română cuvintele izostazie/izostatic au ajuns prin intermediul lb. fr. [ isostasie/isostatique ], care le-a preluat din lb. engl. [ isostasy/isostatic ] unde isostasy s-a format prin concatenarea cuvintelor grecești isos [egal, identic] + stasis [așezare] ceea ce are semnificația de stabilitate egală, imobilitate echilibrată.
Cei doi termeni au fost inventați în 1882 de geologul american Clarence E. Dutton (1841–1912) , care, în recenzia din 1882 la cartea geologului britanic Osmond Fisher (1817-1914) „Physics of the Earth`s Crust, 1881” nota în subsolul p. 289 :
„ Într-o lucrare nepublicată 1) , am folosit termenii izostatic [engl. isostatic ] și izostazie [engl. isostasy ] pentru a exprima această stare a suprafeței terestre în care scoarța plutește într-un substrat lichid sau foarte plastic …cred că izobaric era un termen de preferat dar el este deja folosit în hipsometrie.” [ 1) Lucrarea a fost publicată în anul 1889 .]
Istoricul apariției și dezvoltării Teoriei izostaziei Primele consemnări Primele consemnări privind manifestări ale fenomenelor izostatice datează din perioada Greciei antice. Mai mulți autori (printre care și Aristotel) au consemnat faptul că în rocile de pe vârfurile unor munți se găsesc fosile ale unor animale marine, concluzionând că acestea s-au format în mare și apoi au ajuns în poziția actuală, dar ei nu indică nici un mecanism plauzibil pentru acest fenomen.
În sec. XV , în perioada renașterii, Leonardo da Vinci (inginer, artist și umanist italian,1452-1519), postulează în însemnările sale că „diminuarea greutății munților prin eroziune face ca procesul de înălțare a acestora, început cu mult timp în urmă, să continue și azi”.
Primele idei Apariția primelor idei și ipoteze cu privire la ceea ce azi este cunoscut sub numele de izostazie este legată de una din controversele ce au frământat lumea științifică de la sfârșitul sec. al XVII - lea : stabilirea formei Pământului (turtit la poli sau la ecuator).
Măsurarea meridianului terestru a elucidat această dilemă dar a generat o altă problemă de geodezie: găsirea unei explicații pentru diferența dintre valoarea observată sau măsurată și valoarea teoretică a abaterii verticale observată lângă mase semnificative (lanțuri muntoase mari).
Explicarea acestei discrepanțe a condus l-a descoperirea anomaliilor locale ale câmpului gravitațional terestru, a determinat modificarea conceptelor privind compoziția și structura straturilor superioare ale Pământului, și, în subsidiar, la emiterea în anul 1885 de către Airy și Pratt a celor două ipoteze izostatice diferite dar complementare.
În 1749, matematicianul și astronomul francez Pierre Bouguer (1698 - 1758) publică lucrarea Figure de la Terre, unde consemnează că „ valoarea observată a abaterii verticale lângă Anzii peruvieni era mult prea mică față de valoare calculată în baza unui model folosit de el (un lanț muntos cu o masă semnificativă, așezat pe o scoarță rigidă normală, care exercită o forță de atracție gravitațională asupra firului cu plumb).
În 1755, astronomul și matematicianul italian R. G. Boschowich , (1711-1787) dă o explicație pentru problema care la nedumerit pe Bouguer : „ excesul de masă al muntelui este compensat într-un fel de deficitul de masă din straturile mai profunde, de sub munte". Deși valoroasă, ideea a avut un impact mic asupra gândirii geologice din timpul său.
Prin anii 1802 , rezultatele lui Bouguer sunt confirmate de către geograful și geologul german Alexander von Humboldt (1769-1859) care, în urma executării unor măsurători geodezice în Anzi sugerează că „în acești munți ar putea exista caverne”.
În 1836, legat de teoria contracției, matematicianul englez John Federick Wiliam Herschel (1792-1871) scrie într-o scrisoare adresată geologului englez C. Lyell (1797-1875), că, în opinia sa, „scoarța Pământului este într-un echilibru dinamic cu substratul de dedesubt numit de el marea de lavă ”. Ideea a fost preluată și dezvoltată mai târziu ( 1847 ) de matematicianul englez Charles Babbage (1790-1871).
În 1840 geologii francezi Ours-Pierre-Armand Petit Dufrénoy (1792-1857) și Elie de Beaumont (1798-1874) observă în Pirinei o abatere negativă de la verticală pe care o explică astfel: „scoarța situată sub munte nu poate fi decât mai puțin densă decât densitatea medie a rocii din jurul ei”.
În decembrie 1854, matematicianul englez Henry Pratt (1809-1871), într-o comunicare făcută la Royal Society arată că adevăratul motiv al discrepanței constatate de topometrul și geograful englez George Everest (1790-1866), între distanțele calculate prin triangulație și cele determinate prin măsurători astronomice pentru două stații (Kalina și Kaliaanpur) din apropierea munților Himalaia, India, nu este cel indicat de acesta (un elipsoid de referință incorect ales și mici erori de închidere în măsurătorile de triangulație). Pratt reia ideea lui Bourger (atracția gravitațională a muntelui perturbă local direcția firului cu plumb ceea ce introduce erori în poziția astronomică dacă pentru stabilirea acesteia se folosește această direcție). Pentru calcule, Pratt împarte muntele Himalaia într-un număr de „compartimente”, calculează atracția gravitațională pentru fiecare „compartiment” și însumează rezultatul. El ajunge la concluzia că muntele are o masă suficient de mare pentru a determina o abatere de la verticală de 3 ori mai mare decât cea observată, afirmă că nu înțelege cauza acestei diferențe, dar că va investiga problema mai târziu.
Formularea primelor ipoteze Pentru a explica anomalia gravitațională negativă locală observată în aproprierea munților (scăderea atracției gravitaționale), Pratt și Airy au emis în perioada 1854-1870 , două ipoteze diferite și complementare, ambele fiind caracterizate mai târziu ca izostatice . Atât Airy cât și Pratt presupun că iregularitățile suprafeței terestre sunt echilibrate de diferențele de densitate a rocilor de sub elementele topografice ale scoarței terestre. Esența (în ambele ipoteze), este că coloanele de rocă de secțiune egală situate deasupra unui anumit nivel din stratul profund al Pământului, numit „nivel de compensație” sunt egale în greutate (sub „nivelul de compensație” densitatea rocilor este aceeași peste tot). Diferența fundamentală între cele două ipoteze este că la Pratt cota „nivelului de compensație” este uniformă (aceeași peste tot, sub continente cât și sub oceane) iar densitatea rocilor ce formează coloanele este variabilă pe verticală, în timp ce la Airy cota „nivelului de compensație” este variabilă iar coloanele, pe toată înălțimea lor, au o densitate uniformă .
Ipoteza lui Airy În 1855, la puțin timp după comunicarea din 1854 a lui Pratt , astronomul englez George Biddell Airy (1801-1892) prezintă o comunicare la Royal Society în care oferă o altă explicație pentru discrepanțele constatate de G. Everest , bazată pe concepte simple de fizică și nu pe calcule matematice. Spre deosebire de Pratt , Airy nu este surprins de discrepanțe, pe care, spune el, le anticipase.
În concepția lui Airy , straturile superioare ale Pământului consistă dintr-o coajă subțire, rigidă și friabilă ce acoperă un substrat (numit de el „lavă”) mult mai fluid și mai dens . În anumite condiții la marginea regiunilor înalte (cum ar fi platourile continentale) apar fisuri sau crăpături . Airy compară starea scoarței menținându-se pe „lavă” cu starea unor bucăți de lemn cu diferite forme și secțiuni plutind în apă.
Făcând o analogie cu aisbergurile, Airy sugerează că sub regiunile înalte (cum ar fi platourile continentale) sunt regiuni cu o densitatea mai mică (există un deficit de masă) ca și cum scoarța mai ușoară ar fi substituit „lava” mai grea (scoarța s-a extins în „lava” subiacentă). Prin urmare, regiunilor înalte le corespund în profunzime „rădăcini” sau „extensii” ce pătrund în materialul interior al Pământului așa cum aisbergurile se prelungesc sub suprafața apei. Cu cât este mai mare altitudinea topografiei, cu atât mai profundă este penetrația „rădăcinii”.
Ipoteza lui Pratt În 1858, într-o altă comunicare , Pratt critică ideile lui Airy (ce nu erau în concordanță cu teoria contracției al cărui adept era Pratt ), reluând și dezvoltând ideile sale (enunțate în 1857 ) cu privire la echilibrul straturilor superioare ale Pământului.
Conform lui Pratt , sub nivelul mării (atât sub oceane cât și sub continente), scoarța terestră are o grosimea constantă . Echilibrul se realizează în profunzime, la o adâncime constantă (nivel de compensație), aceeași sub continente și oceane. Aceasta implică variația densității rocilor în funcție de relief: cu cât este mai mare altitudinea reliefului la suprafață, cu atât este mai mică densitatea rocilor de dedesubt.
În 1864 și 1870 Pratt prezintă alte două comunicări la Royal Society în care-și expune punctul său de vedere (bazat pe teoria contracției), cu privire la cauza existenței depresiunilor și elevațiilor de la suprafața Pământului: acestea sunt produsul contracției și dilatării termice .
Completarea celor două ipoteze În 1881, geologul britanic Osmond Fisher (1817-1914) publică lucrarea „Physics of the Earth`s Crust, 1881” unde combate teoria contracției și completează conceptul izostatic cu o precizare importantă: scoarța trebuie să fie într-o stare de echilibru hidrostatic aproximativ astfel că orice creștere majoră a încărcării unei regiuni va produce o coborâre a acesteia și orice descărcare majoră a ei va produce o înălțare . Fisher face și o analogie între scoarță și gheața care se sparge în blocuri ce se înalță sau coboară, reîngheață și plutesc în continuare deasupra apei.
În 1882, ofițerul și geologul american Clarence E. Dutton (1841–1912), dă un nume acestei stări de echilibru pe care-l propune comunității științifice în 1889 (vezi Etimologie). Contribuția majoră a lui Dutton la dezvoltarea izostaziei constă însă în faptul că, preluând și dezvoltând ideile lui Fisher evidențiază importanța acesteia pentru geologie: prin izostazie pot fi explicate destule realități și fenomene geologice, printre care fenomenul de subsidență a bazinelor sedimentare și înălțarea progresivă a lanțurilor muntoase. În viziunea sa, ambele fenomene sunt rezultatul reechilibrării izostatice a unor regiuni unde s-au produs perturbații majore a încărcărilor prin sedimentare, respectiv eroziune.
Modelul Pratt - Hayford În 1899, inginerul și geodezul american John Fillmore Hayford (1868-1925) pune într-o formă mai precisă modelul de compensare izostatică propus de Pratt :
compensarea izostatică este uniformă; stratul compensator este situat sub munte și se întinde până la adâncimea de compensație [ DC ], unde echilibrul predomină; densitatea scoarței deasupra nivelului mării este aceeași cu densitatea scoarței în zona de coastă (pe litoral) [ ρl ]; densitatea scoarței sub nivelul mării [ ρl ] variază lateral, fiind mai mică sub munte decât sub ocean; adâncimea de compensație [ DC ] este peste tot (pe întreg pământul) egală.
Presiunea la baza unei coloane de rocă situate: sub un munte: PC=(DCρc+hρzc)g în zona de coastă: PZC=DC ρzcg sub bazinul oceanic: POC=(DCρoc - hoρo)g