我国学者在高速远程滑坡动力学机理研究领域取得重要进展

 

在国家自然科学基金重点项目（项目编号：41530639 ）与国际（地区）合作与交流项目（项目编号：41761144080）等资助下，西南交通大学地质工程系程谦恭教授课题组近期在高速远程滑坡动力学机理研究工作中取得重要进展。相关成果以“Velocity-dependent frictional weakening of large rock avalanche basal facies: Implications for rock avalanche hypermobility?”（大型高速远程滑坡基底相的速度相依摩擦弱化：对高速远程滑坡高流动性的影响？）和“Normal stress-dependent frictional weakening of large rock avalanche basal facies: Implications for the rock avalanche volume effect”（大型高速远程滑坡基底相的正应力相依摩擦弱化：对高速远程滑坡体积效应的影响）为题，分别于2017年3月28日和2018年4月20日在Journal of Geophysical Research-Solid Earth（《地球物理研究杂志-固体地球》）发表，论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016JB013624，

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2018JB015602。

高速远程滑坡（rock avalanches，sturzstorms）作为具有极端破坏力的地质灾害现象，常表现出巨大的体积（一般在数百万方以上，可达几千万方、几亿方、十几亿方甚至几十亿方、上百亿方）、超常的高速度（迄今为止，已知两个高速远程滑坡的最大速度分别达213 m/s和278 m/s）、难以预料的超常滑距（最大水平滑距Lmax是最大垂直落差Hmax的30倍，甚至更大；滑程可达几公里、几十公里甚至上百公里）、巨大的能量（例如，在运动过程中往往能仰冲爬上并翻越相当高的山坡；最大爬越高度可达640 m）、异常高的流动性等滑坡几何学、运动学、动力学特征。

由此，高速远程滑坡研究中涉及到的关键科学问题在于具体解答以下挑战性的难题：对一次单一的高速远程滑坡事件，其运动最高速度有多快？运动的最大距离有多远？碎屑流堆积体的覆盖面积和影响范围有多大？亦即巨型滑坡出现高速低摩阻远程运动的原因究竟何在？

全球众多滑坡实例的调查统计资料表明，高速远程滑坡的等效摩擦系数一般在0.1-0.3之间变化，明显低于静态剪切实验中所得滑坡剪切带的摩擦系数（0.6-0.8）。然而，究竟是什么诱因使得滑坡体积增大，其相应等效摩擦系数呈衰减趋势？这一“令人惊异（astonishing）”和“迷惑不解（puzzling）”的现象，百余年来一直困惑着国际高速远程滑坡动力学研究领域的学者；揭示其内在动力学机理，一直是相关研究领域（工程地质、颗粒流力学、物理学）科学家孜孜追求的研究目标。

我国青藏高原发育的巨型高速远程滑坡，是开展其动力学机制研究的天然实验室。程谦恭教授课题组通过对西藏易贡滑坡堆积物质基底相（Basal facies）进行系列旋转剪切实验，认为：

(1) 高速远程滑坡基底相试样表现出明显的速度相依弱化特性和正应力相依弱化特性（即体积效应现象），随着剪切速率和正应力的增加，试样之等效摩擦系数迅速降低并逐渐趋于稳定（0.13-0.22），远远低于直剪试验中所得试样之残余摩擦系数值（0.5-0.6）；(2) 高速剪切条件下，摩擦生热将引起试样剪切带温度值的迅速增加，导致试样内水分子产生汽化现象，在剪切带中形成高密度气孔层，并同时促进试样内部细颗粒与水分子的活化能；(3) 试样受剪过程中摩擦生热所引起的热孔压效应和分子热活化效应是导致试样之动态抗剪特性发生明显弱化的重要原因；（4）高速远程滑坡动态剪切过程中，滑体底部相内部摩擦生热所引起的热孔压效应与底部相渗透性随正应力而降低的共同作用，是导致高速远程滑坡呈现“体积效应”的重要原因。

上述研究成果实现了对高速远程滑坡“体积效应”这一长期悬而未决的科学问题的半定量研究，首次揭示了滑坡“体积效应”产生的内在动力学机理，审稿人给予高度评价：“论文提出的一系列实验和结果是这一领域的一项原创性成果，也是研究大规模远程岩屑流的一个里程碑性成果（My feeling is that the set of experiments and results presented by Wang et al in this manuscript are an original contribution to the field and form a milestone in the study of large run-out rock flows Hence I recommend publication in JGR-Solid Earth.）。”对于“高流动性（hypermobility）”这一“棘手问题（Teaser）”的诠释，JGR杂志将该论文作为“宽广的地球和空间科学领域”的最佳接受论文而优选为“研究焦点”（Research Spotlight）；美国《地球与空间科学新闻》（Eos）对此项研究进行了报道，自由撰稿人以“什么引起高速远程滑坡？——在中国发生的致命的高速远程滑坡底部的摩擦弱化实验研究，有助于阐明造成这些灾难性自然灾害的机制（What Causes Rock Avalanches?  Experimental studies of frictional weakening beneath a deadly rock avalanche in China help to clarify the mechanisms that cause these devastating natural disasters.）”为标题评论指出：“该研究成果对于滑坡动力学，地震力学，以及危险性评估在内的许多地质学科领域的研究人员具有重要意义（The results have implications for researchers in many geologic disciplines, including landslide dynamics, earthquake mechanics, and risk assessment.）”。

美国《地球与空间科学新闻》（Eos）评论链接：

https://eos.org/research-spotlights/what-causes-rock-avalanches

图1  滑坡基底相试样等效摩擦系数之速度相依弱化特性

图2  滑坡基底相试样等效摩擦系数之正应力相依弱化特性