连续固体-流态化转变是泥石流等地质过程中常见的过程，因其直接影响泥石流的危害程度，了解其诱发机制至关重要。针对这一问题，我系地质工程研究团队成员王新刚教授指导王道正博士后开展工作，通过水槽试验和流变学试验研究了黄土泥流的相变动力学和触变性，旨在揭示其潜在机制并评估其现实意义。相关成果以发表在国际顶尖学术期刊JGR: Earth Surface。

研究表明，黄土泥流的相变过程主要包括固体-流态化转变阶段、固体-流态化转变阶段、固体-流态化转变阶段和固体-流态化转变阶段四阶段。相态再转变显著增加了泥流跳动能力，与初始跳动相比，相变后的流动距离增加了39.5%。此外，在强降雨条件下，移动距离和沉积厚度都更大（图1）。

图1 黄土泥流的固态-流态-固态再转变过程特征

流变试验表明，水槽试验材料具有显著的触变性，在流滑体的快速剪切牵引下，其粘度和模量迅速下降（下降了3个数量级），表现出剪切稀化特征（图2）。这种强度和粘度降低的过程增加了土体的流动性，并导致土体固体向流态化转变。随着能量的耗散，泥流的速度降低并最终停止运动。由于其触变性，土体的粘度和模量逐渐恢复，导致流态化又向固体转变。在水槽试验中，观察到了黄土的固态-流态-固态过渡特性，即在静态和流动状态之间，土体表现出间歇性流动和沉积行为，这被称为“剪切稀化”和“老化效应”（图3）。

图2 触变性试验中土体模量和粘度变化特征

图3 黄土泥流相态转变过程中的流变学响应。

 

此外，具有良好剪切稀化行为和触变性的土体更有利于发生相态转变，触变性所表现出的变形和恢复特性不仅影响土体的固体-流态化转变过程，还影响其沉积和再激活后的流动。从宏观机制角度看，触变性是指土体在动态和静态变化过程中粘度（模量）的变化，土体的固体-流态化转变是由储能模量和粘度降低（数个数量级）引起的。由于土体的剪切稀化特性，当土体从静止状态转变为流动态状态时，土体颗粒的絮凝结构和颗粒间作用力会被破坏，其颗粒倾向于沿剪切方向运动，从而导致粘度（模量）降低。当剪切应力衰减到一定程度且不足以破坏内部结构时，土体运动速度减慢并最终停止（流态化-固体转变），这是变形与恢复之间竞争的结果（图4）。

图4 土体触变性机理示意图

通过与自然地质流特征相比，本研究试验运动特征参数数据与自然案例数据具有相似的拟合系数，表明本研究的结果成功地捕获了真实地质流事件的相变动力学特征和流变特性。该研究突出了触变效应在评估黄土泥流相态转变机制中的重要性，可有效补充野外观测，分析自然地质流相变和再激活行为的控制机制（图5）。

图5本研究与自然地球物理流流动性特征对比分析

综上所述，本研究揭示了黄土在固态-流态-固态再转变过程中的触变性机制，为理解自然物理过程的运动和再激活行为提供了新的视角。

 

该成果发表在美国《地球物理学研究杂志》Journal of Geophysical Research: Earth Surface上，西北大学地质学系和大陆动力学国家重点实验室为第一单位和通讯单位。我系博士后王道正为论文第一作者，王新刚教授为通讯作者，共同作者还包括中科院成都山地所陈晓清研究员、长安大学黄强兵教授、西北大学的王家鼎教授和连宝琴副教授、王飞副教授。该工作得到国家重点研发项目（2023YFC3008401）和国家自然科学基金项目（42207184）的资助。

 

论文信息：Wang, D., Wang, X., Chen, X., Huang, Q., Wang, J., Lian, B., & Wang, F. (2025). Continuous solid‐fluidization transition mechanism of loess mudflow: Insights from laboratory experiments and implications for geophysical processes. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 130, e2024JF008123.

 

文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JF008123

 

相关文献：

Wang DZ; Wang XG*; Chen XQ; Huang QB; Wang JD; Lian BQ; Wang F(2024). Solid–fluid phase transition characteristics of loess and its drag reduction mechanism, Landslides. 21:2635–2653.

Wang DZ; Wang XG*; Zhan HB; Huang QB; Wang JD; Lian BQ. (2024). Influence of micromorphology and water content on the rheological properties and performance evaluation model of loess mudflow. Physics of Fluids, 36(11).