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高速远程滑坡动力学机理是高速远程滑坡研究的核心科学问题，是近百年来国际地质灾害领域长期关注的热点与前沿性科学问题。从研究目的而言，是解决以下这些重大而又关键的问题，亦即：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？其冲击力和破坏程度有多巨大？如何根据其几何学、运动学、动力学参数，有效评估和预测其灾害事件的危险性？这些隐藏于自然界的滑坡动力学的奥秘，长期以来一直强烈地吸引着中外的科学家们。
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喜马拉雅造山带不仅是全球构造活动带，地震活动极为强烈；而且是响应全球气候变化最为复杂、最为敏感的地区之一（姚檀栋等，2019; Chen Fahu et al.，2021）；更是全球高速远程滑坡地质灾害最为严重的地区之一（Wang Yufeng et al.，2023）。喜马拉雅造山带高速远程滑坡灾害链生机制与放大效应，已经引起了全球地球科学领域地质灾害科学家的广泛关注。2021年，国家自然科学基金委地球科学部在最新出版的《环境地球科学学科发展战略研究报告》（吴丰昌等，2021），将“青藏高原高速远程特大灾害形成演化动力学机制与灾害链效应”列为地球科学前沿、探索、需求和交叉等方面的重点领域与方向。2023年，中国工程院将“巨型地质灾害链时空分布与智能化评估”列为全球工程前沿，以引导未来5~10年的发展方向和趋势。本文阐明喜马拉雅造山带高速远程滑坡孕育的内外动力地质背景；根据高速远程滑坡发育的动力学特征，对国内外的高速远程滑坡的研究现状进行了概要述评；指出了喜马拉雅造山带高速远程滑坡动力学机理进一步研究应重点关注的关键科学问题。值得指出的是高速远程滑坡灾害链生机制与放大效应包括：巨型岩崩/岩滑-岩屑流-堵江成坝-溃决洪水/泥石流这样一个多过程、多相变、多尺度的地表物质运动与迁移过程，本文的讨论和分析仅涉及到高速远程滑坡灾害链演化过程中从固态相（岩崩/岩滑）到流态相（岩屑流）这一阶段的转化过程和机理。
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1 喜马拉雅造山带高速远程滑坡孕育背景及其研究意义
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高速远程滑坡（rock avalanches，sturzstroms），是地球岩石圈造山带多见的一类大规模、多相变、跨尺度的地表固体物质迁移过程。其典型的运动特征是：滑坡源区斜坡岩体初始破坏表现为大型的岩崩或者岩滑，在失稳后沿运动路径的后续运动过程中岩体经过强烈的碎屑化作用逐渐解体为颗粒尺寸范围通常跨越十几个数量级的碎屑颗粒，以类似流体的形式（flow-like form）长距离大范围的运移或扩散，属于一种非常快速至极快速的岩质碎屑流（程谦恭等，2007; Hewitt et al.，2008; Dufresne et al.，2016a; Delannay et al.，2017; 王玉峰等，2021）。这类灾害事件，具有体积巨大（一般在几千万方以上，可达几亿方、十几亿方甚至几十亿方）、运动速度高（平均速度20~100 m/s）、运动距离远（滑程可达几千米、几十千米以上）、流态化运动特征显著等许多“令人惊异”和“迷惑不解”的现象。它们在全球高耸山脉发育的造山带，最为常见。
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近年来，在青藏高原南缘的喜马拉雅造山带，发生的两起巨型高速远程滑坡事件，最为典型。2018年10月17日和29日，我国西藏自治区米林县雅鲁藏布江左岸色东普沟先后发生两次巨型冰-岩崩高速远程滑坡事件（图1a），快速失稳的滑体冲刷侵蚀运动路径上的松散堆积物，形成碎屑流，冲入并堆积于雅鲁藏布，在米林县派镇加拉村下游7 km处形成堰塞坝，导致上游大面积回水，严重威胁加拉村、直白村和赤白村公路水利设施、电力通讯设施和耕地等；此后，堰塞坝溃决，倾泻而下的洪水严重破坏了下游墨脱县、墨脱亚让水电站，使16600人受灾，7 km长的公路受损，经济损失达3亿元以上（姚檀栋等，2019; 殷跃平等，2021）。2021年2月7日，印度北阿坎德邦查莫利地区体积2.7×107 m3的片麻岩岩体和冰体，从海拔6063 m高程的朗蒂峰北侧崩塌（图1b），随后与下方山体和沟谷撞击形成碎屑流，平均速度为57~60 m/s，运动距离达10 km以上，堵塞高程约2400 m的干流阿拉克南达河，形成堰塞湖；此后，堰塞湖溃决，演化为洪水-泥石流灾害链，摧毁了下游约20 km在建的两座水电站等基础设施，造成200多人死亡或失踪（Cook et al.，2021; Shugar et al.，2021）。
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图1 喜马拉雅造山带典型高速远程滑坡
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Fig.1 Typical rock avalanches in the Himalayan orogenic belt
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（a、b）—西藏米林色东普滑坡灾害链流域地形地貌和纵剖面；（c、d）—印度北阿坎德邦查莫利滑坡灾害链流域地形地貌和纵剖面（滑坡演化的流域地形地貌图根据google图像编绘，查莫利滑坡参考Jiang Ruochen et al.，2021）
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(a, b) —topography and profile of the Sedongpu rock avalanche in the Mainling County of Tibet, China; (c, d) —topography and profile of the Chamoli rock avalanche in the Uttarakhand, India (source of the base map: Google Earth; Chamoli rock avalanche is depicted based on Jiang Ruochen et al., 2021)
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喜马拉雅造山带是全球规模最宏大、特征最典型、时代最年轻的大陆碰撞型活跃造山带，属于青藏高原的南边界，是新生代印度板块和欧亚板块陆陆碰撞作用的结果和板块汇聚的主要变形带（Pan Guitang et al.，2012; 张培震等，2013，2022; 许志琴等，2016，2022; Hu Xiumian et al.，2016; Soret et al.，2021; Huang Hao et al.，2023; Wu Limin et al.，2024）。喜马拉雅造山带是一条强烈活动带，是全球陆内地震最为活跃的地带之一（张培震等，2013; 邓起东等，2014; 袁道阳等，2020; 李海兵等，2021; Yang Shuaibin et al.，2021; Sarma et al.，2024; Sathiakumar et al.，2024）。沿这条构造带历史上曾发生过多次8级及8级以上大地震（Rajendran et al.，2017; 滕吉文等，2017; Coudurier-Curveur et al.，2020; Singh et al.，2021）（图2）。在这些强烈的地震作用下，在喜马拉雅山区先后诱发了数以万计的巨大体积崩塌、滑坡等重大地质灾害事件（Schwanghart et al.，2016; 汪发武等，2022; 彭建兵等，2023; Zhao Zhenming et al.，2023; 殷跃平和高少华，2024）。另一方面，正如有关冰川与气候专家2021年8月20日发表在Science期刊的论文中所指出的: 南亚的喜马拉雅-喀喇昆仑地区是地球上冰川化最严重、最脆弱的山区之一（Azam et al.，2021; Zhao Zhenming et al.，2023）。近年来，由于全球性气候变暖，冰川退缩，导致极端天气等异常气候事件频繁出现，对区域和全球气候系统以及社会生态系统产生了重大影响。同时，引起原来覆盖于深厚冰层下方的高陡基岩山体裸露，外动力侵蚀作用加剧，诱发了众多的高速远程滑坡（Korup et al.，2010; Haeberli and Whiteman，2021; Ling Yuan et al.，2021）。2021年10月29日发表于Science期刊的论文中指出: 起源于亚洲高山的河流，其脆弱的源头现在正在经历放大的气候变化、冰川退缩和永久冻土融化（Li Dongfeng et al.，2021）。最近几十年来，喜马拉雅山区岩质高陡边坡不稳定性与气候变化的关系越来越明显；巨型的岩崩-冰崩引起的高速远程滑坡灾害，往往在下游形成溃决洪水灾害链（Cook et al.，2018; Huang Hao et al.，2023）。鉴于此，全球科学家们已经注意到，喜马拉雅山区最近几十年来普遍发生的高速远程滑坡地质灾害链等重大地质灾害问题，在预期可见的未来将更加严重；对此科学家近期已经发出严重警告，并且已成为国内外关注的热点和焦点（姚檀栋等，2019; Rao et al.，2021; Shukla and Sen，2021; Li Dongfeng et al.，2021）。
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图2 喜马拉雅造山带地形地貌、地质构造及巨型滑坡分布
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Fig.2 Geomorphology, geological structures and rock avalanche distribution in the Himalayan orogenic belt
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由于该区高速远程滑坡地质灾害体的孕灾背景与时空分布规律多样、发育规模巨大、运动与演化过程复杂，因此，其成因机理与动力学机理的关键科学难点还有待进一步深入探索研究。从喜马拉雅造山带高速远程滑坡孕育的内外动力地质背景而言，这种特殊的地质作用，从本质上深刻反映了现今全球构造最活跃地带的孕灾动力学机制、全球地表隆升最快地区的成灾动力学机制、全球气候变化最敏感地区的链灾动力学机制和全球地形地貌差异最大地区的工程灾变动力学机制。因此，具有极为重要的地球动力学与灾害动力学研究意义（彭建兵等，2004，2020，2023; 刘德民等，2024）。
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2 高速远程滑坡动力学机理研究现状
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基于高速远程滑坡动力学机理方面已有研究成果的系统性梳理，可将国内外学者提出的最有影响、最有地质证据支持的高速远程滑坡动力学机理归纳为六种类型——摩擦生热减阻、滑带液化减阻、动力破碎减阻、底部裹挟减阻、剪切振动减阻、动量传递远程（王玉峰等，2021）。根据喜马拉雅造山带高速远程滑坡发育的地质背景及动力学特征，以下主要从摩擦热熔融动力学机理、破碎相依动力学机理、路径相依动力学机理三个方面，对国内外的研究现状进行述评。
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2.1 摩擦热熔融动力学机理
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滑坡摩擦热熔融动力学机理认为，滑坡基底剪切带中剧烈摩擦热形成（含）玻璃质的薄层低阻层，是促进滑坡高速运动的关键因素，其中玻璃质由经历摩擦热熔融的物质迅速冷凝形成。该机理假说起源于Erismann（1979）对奥地利Köfels滑坡堆积体中摩擦热成因玻璃质浮岩层的发现，并提出该层物质的低阻促滑假说。在此之前，Erismann et al.（1977）已通过室内物理实验，制成了与Köfels滑坡玻璃质浮岩具有相似熔融组构的人工岩，根据其摩擦热成因，称之为摩擦岩（frictionite）；现在这个术语特指野外滑坡摩擦热成因的（含）玻璃质岩层。Köfels滑坡摩擦岩也是最早被报道的滑坡摩擦热熔融减阻的野外地质证据（Masch et al.，1985; Schramm et al.，1998）。
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Scott et al.（2012）在尼泊尔Tsergo Ri的一处大型碎屑堆积体底部亦发现了特殊的深色连续玻璃质岩层，根据其显著的玻璃质含量与该岩层边界处及其上覆、下伏层中的大量破碎的类糜棱化角砾，该研究称此层玻璃质岩为玻璃质糜棱岩（hyalomylonite）；在明确了该特殊岩层的滑坡成因并确定Tsergo Ri堆积体应为一处巨型滑坡（即Tsergo Ri滑坡，也称Langtang滑坡）的残存堆积体后，hyalomylonite一词也成为了代指滑坡摩擦岩的常用术语（Masch et al.，1985；Weidinger et al.，2014）。但hyalomylonite一词中的mylonite可能对理解该类岩石的成因造成困扰，故近年来发表的研究成果中hyalomylonite的使用频率已有所下降。此外，由于滑坡摩擦岩与由断层剪切面处较常见的假玄武玻璃（pseudotachylyte或pseudotachylite）常具有相似的熔融组构（Blaht et al.，2020），因此pseudotachylyte（pseudotachylite）成为了frictionite的又一近义词。
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作为第三例被报道，以及第一次在火山岩区被报道的滑坡摩擦岩野外实例（Legros et al.，2000; Weidinger and Korup，2009; Weidinger et al.，2014），秘鲁Arequipa火山滑坡摩擦岩（Legros et al.，2000）打破了继Tsergo Ri滑坡摩擦岩被发现后长期以来滑坡摩擦热熔融减阻机理研究的停滞期。近年来，研究者在台湾九峰山滑坡（Lin Aiming et al.，2001）、锡金Dzongri滑坡（Weidinger and Korup，2009; Weidinger et al.，2014）、美国Heart Mountain滑坡（Goren et al.，2010）、Canary群岛San Andrés滑坡（Blaht et al.，2020）等部分大型滑坡堆积体中亦陆续发现了含玻璃质摩擦岩层的分布。
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罕见的野外地质证据是阻碍摩擦热熔融机理研究发展的一大问题。首先，形成滑坡摩擦岩需要在滑体的滑动过程中基底剪切带达到并超过滑带矿物熔点的高温，因此，该效应的出现对滑坡的体积、滑动速度都有着较高的要求。不难发现目前报道的滑坡摩擦岩野外实例中，除台湾九峰山滑坡摩擦岩外，其余各例摩擦岩均形成于体积超过109 m3的巨型滑坡中。其次，野外滑坡摩擦岩形成后受长期的风化剥蚀、河流侵蚀等影响常不易保存。Green et al.（2015）提出剪切过程中的吸热作用可能会抑制断层摩擦熔融产物的形成，据此推测滑坡基底剪切带中可能存在类似机制，导致野外摩擦岩罕见。长久以来因在高速远程滑坡基底层中关于摩擦热熔融的证据鲜少发现并报道，关于摩擦热熔融减阻假说的普适性在高速远程滑坡减阻促滑机制中仍存在较大争议（王玉峰等，2021）。但从近年来发现并报道的滑坡摩擦岩野外实例相关研究成果来看（Blaht et al.，2020），不难发现目前滑坡摩擦岩野外实例在欧洲、亚洲、非洲、北美洲与南美洲均有分布，涉及的滑坡岩性包含岩浆岩、沉积岩与变质岩三大岩类，已探明的滑坡区地貌单元包含造山带的高大山脉与一些火山岛地区。因此，形成基底摩擦岩的野外滑坡实例的罕见程度可能与此前学者所推测的不同，而滑坡摩擦热熔融减阻尚有极大研究空间。但不可否认的是目前滑坡摩擦热熔融减阻机理研究仍存在野外地质证据不足的问题，这在很大程度上加剧了认识滑坡摩擦岩的形成、演化与理解其减阻机理的难度。
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2.2 破碎相依动力学机理
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岩体动力破碎（碎屑化）是高速远程滑坡中非常重要的动力学过程，是探究滑坡高流动性机制、破解高速远程滑坡动力学机理的重要研究方面。大量典型高速远程滑坡的实例调查表明了滑体碎屑化现象的普遍性和重要性（Cruden and Hungr，1986; Ui et al.，1986; Hewitt，1988; Yarnold and Lombard，1989; Glicken，1996; Schneider and Fisher，1998; Locat et al.，2006; Wang Yufeng et al.，2015，2017，2018; 申智好等，2021）。所谓碎屑化作用，是指滑坡在高速运动全过程中，由于滑体本身自重应力、滑体与运动路径相互作用、内部各块体之间相互撞击及内部差异性剪切作用等因素，导致组成滑体的岩块持续产生动态断裂破碎（即动力破碎，dynamic fragmentation）的现象及过程。高速远程滑坡在动力破碎作用下，从源区较为完整的节理岩体，到临近停积前高度破碎的岩屑集合体，期间经历了由于岩块逐渐破碎而导致的持续内部结构变化与滑体流动状态演变，这一破碎过程对高速远程滑坡的高流动性具有深远影响（Davies and McSaveney，2009; 兰恒星等，2019）。
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高速远程滑坡动力破碎效应是滑坡动力学领域极具争议性的前沿热点科学问题。滑体强烈的碎屑化现象贯穿于滑坡运动全过程，它涉及了滑体破碎耗能与弹性应变能释放效应、滑体内部结构变化引起的流态演化、滑带破碎相依摩阻弱化等极其重要的动力学过程（Davies et al.，2006，2020; Crosta et al.，2007; Li Kun et al.，2021; 王玉峰等，2021; 林棋文等，2023），影响了滑坡竖向分带与反粒序、拼贴构造、局部剪切带等高速远程滑坡特殊堆积结构的形成（Dufresne et al.，2016; Dufresne and Dunning，2017; Wang Yufeng et al.，2018; Zhang Ming et al.，2019），并显著影响了高速远程滑坡的最终扩散范围与危害程度（Davies and McSaveney，2009; De Blasio and Crosta，2015; Haug et al.，2016，2021; Lin Qiwen et al.，2020）（图3）。然而，目前动力破碎对滑体高流动性的作用机理还极不完善，仍存在较大的争议。科学家们虽然认识到动力破碎对滑坡运动学与动力学行为的重要影响，但对其是否能够引起滑坡的远程运动却仍然保持质疑的态度。对于“岩体破碎”导致的高速远程滑坡远程运动最大的疑惑在于，破碎本身是一个耗能的过程，既然是总能量的损失，如何能促进滑坡的远程运动？
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2.3 路径相依动力学机理
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高速远程滑坡与运动路径下伏层的相互作用是决定其运动距离、流态化地貌特征及内部沉积学特征的关键因素。高速远程滑坡在运动过程中，其运动路径的下伏层既可以是坚硬的凹凸不平的颠簸滑面，也可能是软弱的松散堆积层。在不同的下伏层条件下，滑体与运动路径相互作用时，滑体的运动过程与行为也存在显著的差异。当运动路径的主要物质组成为粒径较大、质地坚硬、表面起伏不平的致密卵砾石层时，可见下伏层的卵砾石中普遍发育有岩石碎裂现象（图4a）（Dufresne et al.，2010; Wang Yufeng et al.，2020），指示着滑坡运动过程中底部高剪切应力状态的存在，即滑体与下伏层之间存在强烈的相互作用。近年来，随着在高速远程滑坡中越来越多“滑震”（landquake）信号的监测（Petley，2013），学者们提出在滑体与运动路径的强烈碰撞作用下，可引发大量滑体势能和动能向振动能转化，出现振动波强度明显增加的现象（Wang Yufeng et al.，2015，2020）。Kufner et al.（2021）在研究中指出，碎屑流底部的地形条件、刚度是微振动产生的控制性因素。此外，滑体与起伏不平底滑面之间的相互作用也是促进滑坡碎屑化的重要因素之一（De Blasio，2015）。这些由于滑坡与下伏层相互作用而产生的动力学过程可能是滑坡促滑效应产生的重要来源。
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当滑体与富水的软弱下伏层（黏土细砂层）（图4b）接触时，会对下伏层松散物质产生推挤和刮铲等裹挟作用（Hewitt，2006; Dufresne et al.，2016），导致在下伏层中形成一系列复杂的翻卷褶皱、小型逆冲断层、滑脱构造等“滑坡-构造”形态特征；同时，下伏层物质也可能贯入上覆的滑体中形成液化砂脉、火焰状构造、底辟构造等（Johnson，1987; Yarnold and Lombard，1989; Yarnold，1993; Abele，1997; Hewitt，2002，2006; Dufresne et al.，2016; Peng Jianbing et al.，2018; Wang Yufeng et al.，2020）。这些“滑坡-构造”特征是高速远程滑坡运动与停积过程的重要表现形式之一，同时也是揭示高速远程滑坡运动学、动力学机理的重要地质证据。野外地质证据表明，由于滑体对下伏层的裹挟效应，滑体的体积会显著增大（Pierson et al.，1990; Wang Gonghui et al.，2003; Hungr and Evans，2004），而滑体体积的增大又会在一定程度上对滑坡的流动性产生影响（Vallance and Scott，1997; Legros，2002; Griswold and Iverson，2008）。然而，对于裹挟促滑效应的精细物理力学机制，目前尚不完全明确。
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图3 高速远程滑坡竖向分带及典型动力破碎结构图示
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Fig.3 Sketch map for the vertical zonation and fragmentation structures of rock avalanche deposits
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（a、b）—硬壳层表面宏观分布特征；（c、d）—硬壳层剖面碎裂结构；（e~h）—中部主体层碎裂结构及拼贴结构；（i、j）—基底层特征
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(a, b) —general distribution of fragments at the top surface of the carapace facies; (c, d) —vertical deposited structure of the carapace facies; (e~h) —internal structures of the body facies with jigsaw structures in Fig.3h; (i, j) —internal structures of the basal facies
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3 喜马拉雅造山带高速远程滑坡动力学机理研究的关键科学问题
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国内外学者已在高速远程滑坡的几何学、运动学、动力学特征及机理方面，开展了大量研究工作，取得了具有重要意义的科学成果，发展了地质灾害科学的理论，为重大地质灾害的防灾减灾提供了科学依据。然而，由于高速远程滑坡地质灾害所具有的事件突发性，运动特征复杂性，时间上不可重复性，灾害链巨大危害性，以及往往具有多过程、多相变、多尺度特征，其运动系统涉及物质转换与相变过程、能量转化与耗散过程、边界转变与调整过程等复杂的物理力学机制，使得人类在目前还未完全掌握和全面地准确理解高速远程滑坡的运动学、动力学行为和特征；现有提出的绝大多数高速远程滑坡运动学、动力学机理尚未得到科学家的普遍承认；基于物理力学机理的高速远程滑坡灾害危险性评价方法的研究，才刚刚开始。因此，高速远程滑坡动力学及基于物理力学机理的灾害危险性分析研究，任重而道远，需要我们持之以恒地继续进行具有坚实积累、开阔视野和科学思维的研究工作，开拓进取，在高速远程滑坡动力学领域做出经得起时间淘洗、实践检验的原创性成果。
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图4 高速远程滑坡与下伏层相互作用地质证据（据Wang Yufeng et al.，2020）
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Fig.4 Geological evidences reflecting the interactions between avalanche mass and substrate (after Wang Yufeng et al., 2020)
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（a）—高速远程滑坡与坚硬下伏层相互作用现象；（b）—高速远程滑坡与软弱下伏层相互作用现象
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(a) —typical structures of rock avalanche interacting with strong substrates; (b) —typical structures of rock avalanche interacting with weak substrates
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通过对过去近百年来高速远程滑坡问题研究的梳理（王玉峰等，2021），可以看出，高速远程滑坡动力学现已成为定量评估和预测其灾害发生、发展与演化研究的一个瓶颈。为此，一方面需要在全球高速远程滑坡典型发育的造山带（例如本文所涉及的喜马拉雅），继续进行深入而细致的野外地质调查，获取第一手精准的滑坡工程地质原型。另一方面，基于正确真实的滑坡地质原型，在室内必须运用现代物理学、地球物理学和流体力学的新理论和新方法，改进和完善现有的物理模型试验设备，扩大和提高其力学测量指标的完善性以及灵敏度和准确度，通过精细地系列物理模型试验，概化和凝练其准确的力学模型；进而，在此基础之上，提出滑坡动力学的数学模型，并将本构方程写入合适的数值模拟软件，进行滑坡运动的细节及动力学全过程的合理再现，从而达到定量地研究高速远程滑坡动力学过程的目的。
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在自然界，颗粒物质是一种非常特殊的物质形态，被人们称为物质的第四种形态。颗粒流由于具有多物理机制和多尺度结构层次特点，其物理力学机制的研究已经成为国际科学前沿热点之一。2005年，Science期刊在庆祝其创刊125周年之际，将“能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论（Can we develop a general theory of the dynamics of turbulent flows and the motion of granular materials?）”列为125个最具挑战性的科学问题之一。迄今为止，正如Science期刊描述的那样：由于统计力学在湍流和颗粒物质这个非平衡体系的失败是物理学中的一个鸿沟，因此尽管科学家对湍流和颗粒流的认识取得了飞速发展，但描述湍流和颗粒物质运动的理论体系至今还未完备，颗粒物质的非平衡态动力学理论仍然是亟待解决的重大科学问题。
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颗粒物质也是高速远程滑坡的实际载体。高速远程滑坡形成的颗粒流（碎屑流）的一个重要特征在于，由于源区岩体结构物质的初始组成不同以及失稳后岩体在运动过程中的动力破碎过程，它们的颗粒尺寸范围通常跨越十几个数量级。其运动过程包括启动、扩展和堆积三个阶段，通常涉及不同的物理过程。从扩展和堆积阶段来看，颗粒之间的摩擦和碰撞以及与运动路径的相互作用（滑坡底部剪切带以及摩擦岩的形成与演化；颗粒碎屑化过程中能量的转换；颗粒流与不同类型底滑面之间相互作用的过程及动力学行为），是控制高速远程滑坡颗粒流传播与能量耗散的主要因素之一。与高速远程滑坡颗粒流运动过程有关的物理力学机理，主要涉及到以下地球物理学和物理学的关键科学问题（Delannay et al.，2017）：① 高速远程滑坡高流动性的起源可能是什么物理过程？如何量化和模拟多分散性和破碎过程？② 如何从理论上量化和描述颗粒尺寸分布在空间和时间的演变及其与流动的耦合？③ 如何从其沉积特征中探究流动的传播机制和特征（质量、起始过程、颗粒-颗粒相互作用的程度等）？
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这些问题的研究，将有助于最终构建确定其最大运动速度、最远运动距离、最大堆积范围等运动学与动力学参数，实现高速远程滑坡灾害危险性的分析与预测。因此，高速远程滑坡颗粒流的运动机制，已成为国际滑坡动力学研究领域亟待破解的重大科学问题。
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为了准确回答这些深层次的问题，根据喜马拉雅造山带高速远程滑坡发育的地质背景及其地质特征，必须开展以下3个关键科学问题的研究。
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3.1 高速远程滑坡摩擦生热矿物相变机理的提出和研究
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滑坡剪切带及摩擦岩组构的形成及其演化过程需要得到高度重视。目前的高速远程滑坡摩擦生热减阻机理，侧重于关注滑坡基底剪切带中因摩擦生热引起超孔隙气/水压力等的产生，但忽略了超孔隙气/水压力赋存的物质条件——滑动过程中基底剪切带组构的形成及其演化行为。基底剪切带是滑坡运动整个阶段自始至终存在的现象，其深刻反映了高速远程滑坡摩阻力变化的特征，是揭开滑坡保持低摩阻运动奥秘的窗口（图5）。
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首先，众多研究成果表明，诸如剪切带擦痕、Riedel剪切构造（Katz et al.，2004; Donzéet al.，2021）、颗粒破碎及由此促进的颗粒边界滑移（Paola et al.，2015）、粉末润滑与动力重结晶镜面层等剪切带组构演化产物，与摩擦生热减阻过程密切相关。Furuki et al.（2019）在一处滑坡的泥岩-绿片岩质基底剪切带中发现了多处小规模擦痕及多处与主滑面近平行的小型Riedel剪切带，并提出各处的局部、集中剪切带在持续滑坡运动中可形成连续的宏观剪切滑移面。Chen Xiaofeng et al.（2017）提出摩擦热成因的粉末润滑减阻可能是形成摩擦热熔融减阻之前的减阻机制。Riikila et al.（2017）提出部分脆性材料存在摩擦成因的颗粒破碎-粉末润滑减阻机制。Mollon et al.（2021）指出既有摩擦生热减阻研究的问题之一是未能阐明摩擦成因颗粒破碎与摩擦热熔融的关系。Reches and Lockner（2010）则以人工合成花岗岩为材料开展旋剪实验，并发现剪切后试样中同时存在摩擦热成因粉末与玻璃质摩擦热熔融产物，由此推测摩擦热粉末润滑是形成摩擦热熔融减阻的过渡阶段。Hung et al.（2019）则通过石英颗粒的旋剪实验结果提出摩擦热熔融减阻可能由剪切带颗粒破碎程度不断增加形成。Pozzi et al.（2019）的旋剪实验则表明剪切带重结晶镜面层存在显著促滑效应。就本质而言，滑坡运动中一方面剧烈的剪切作用将改变其基底剪切带组构，另一方面随着剪切带中摩擦热的形成与富集，剪切带中组构将发生进一步演化。由此，不断演化的剪切带组构改变了剪切带摩擦演化特性，进一步地，可能促进了剪切带的摩擦弱化效应以实现低摩阻运动。
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图5 尼续村高速远程滑坡典型剪切组构图示（据Wang Yufeng et al.，2018修改）
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Fig.5 Shearing fabrics of the Nyixoi Chongco rock avalanche (modified from Wang Yufeng et al., 2018)
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（a、b）—基底层与下伏层接触关系；（c、d）—Riedel剪切及剪切透镜体；（e、f）—近平行展布的局部集中剪切带与拼贴构造；（g~i）—滑坡内部剪切带及其局部放大图
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(a, b) —contact between the basal facies and substrate; (c, d) —Riedel shear and shear lens comprised of fine clasts; (e, f) —multistoried shear bands with subhorizontal appearance and jigsaw structures; (g~i) —internal shear band and their close-up views
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其次，不同的高速远程滑坡其基底剪切带物质差异巨大。一方面，各高速远程滑坡基底剪切带的原始组分与组构各异；另一方面，各高速远程滑坡的运动学与动力学特征不同，使滑坡运动过程中其剪切带组分与组构演化特性呈现出不同的规律，由此导致各高速远程滑坡基底剪切带的摩擦演化特征有所不同，从而呈现出不同的减阻机制。目前，大量研究均发现了剪切带矿物成分对滑坡摩擦演化存在重要影响。例如，学者发现黏土矿物可能极大地促进了美国Oso滑坡与挪威Storegga滑坡的低摩阻运动（Kvalstad et al.，2005; Iverson et al.，2015; Xin Peng et al.，2018; Watkins et al.，2020），同时也有研究提出部分黏土矿物的含量将进一步削弱滑带土的摩擦强度（Nakamura et al.，2010）。但其研究对象基本为剪切带原始矿物，而未深入研究滑动过程中的矿物相的改变对剪切带摩擦演化的影响。已有研究通过野外调查与室内实验发现高速远程滑坡产生的基底摩擦热与高压应力可使剪切带温度迅速升高为500~1000℃，由此突破剪切带原始矿物的稳定温度甚至熔点（Schramm et al.，1998; Weidinger et al.，2014; Blaht et al.，2020），从而产生减阻促滑的新矿物（Goren，2010; Hu Wei et al.，2019）。
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因此，与滑坡剪切带及摩擦岩组构的形成及演化密切相关的科学问题在于：摩擦热成因的基底剪切带矿物产生的动力-热变质过程将如何影响滑坡的摩擦弱化过程？围绕摩擦生热矿物相变这一可能的高速远程滑坡减阻机理，本文基于从野外实例研究到室内物理实验、从宏观到细微观的研究思路，提出聚焦于以下三个方面的研究工作：① 高速远程滑坡基底剪切带组构演化特征；② 基于室内旋剪实验的滑坡基底剪切带组构演化再现；③ 高速远程摩擦生热矿物相变机理。
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3.2 高速远程滑坡破碎相依能量转换机理的提出和研究
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高速远程滑坡破碎过程既是滑体特殊内部堆积结构形成的前提条件之一，亦被认为是高速远程滑坡超强流动性的可能动力学机理之一。本文作者研究团队近期（Lin Qiwen et al.，2022）在离散元数值模拟中再现了块体的断裂破碎过程，发现滑坡破碎引起的能量转换与应力波释放过程来源于岩块断裂破碎产生的弹性应变能释放，并定量分析了滑体破碎相关能量传递的形式与作用效果；进而，基于野外地质调查、物理模型实验和数值模拟分析，提出了块体破碎所导致的弹性应变能释放会在滑体内部不同位置产生三种宏观效应：一是破碎原位的局部减阻滑动、二是非破碎原位的局部减阻滑动、三是非破碎原位的局部继生性破碎，这三种效应影响滑坡堆积体反粒序结构、局部剪切带和拼贴构造的形成（图6）。Hu Wei et al.（2022）使用四种干颗粒材料进行高速旋剪实验，通过研究颗粒剪切破碎过程中的流态参数、声波特征与微观结构演化，提出剪切带特殊破碎结构有利于声波流态化的产生和扩展，而碎屑颗粒剪切研磨过程产生的高频弹性波显著降低了颗粒间的接触应力，可能是导致颗粒流流态化远程运动的原因。
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动力破碎是高速远程滑坡运动过程中普遍存在的地质现象，伴随着动力破碎的发生，在滑坡内部必然会产生不同的振动流态化效应，本文作者认为，揭示高速远程滑坡“动力破碎-弹性应变能释放-应力波动减阻”效应的突破口在于破碎相依能量转换机理的有效解决。从现有的众多关于高速远程滑坡的碎屑化研究成果来看，动力破碎效应目前的争议焦点可以集中归纳为两个方面的问题：① 岩块破碎究竟消耗了多少滑体总能量，剩余的能量如何转换与耗散（特别是转换为应力波能量）？② 岩块破碎以何种形式、何种机制（破碎扩散作用？剪切破碎摩阻弱化？应力波流态化？）影响滑坡的运动与停积？
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这两个方面的问题是相互依存关系，只有在厘清高速远程滑坡中破碎耗能与破碎相关能量演化过程与机制（即破碎相依能量转换机理）的基础上，才能够揭示破碎效应对滑坡运动与停积的最终影响。因此，对滑坡碎屑化过程、作用及其远程运动效应的研究应主要聚焦于破碎相依能量转换为应力波效应的研究。
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图6 高速远程滑坡破碎-弹性应变能释放与应力波减阻概念图（据Lin Qiwen et al.，2022）
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Fig.6 Conceptual model for the fragmentation-induced elastic strain energy releasing and consequent stress wave-caused friction weakening process of rock avalanches (after Lin Qiwen et al., 2022)
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（a）—滑坡运动剖面图；（b）—滑体表面块石撞击动力破碎与岩屑应力释放示意图；（c）—滑体内部岩块剪切破碎及相应应力波分布示意图；（d）—基底剪切带内颗粒剪切力链分布示意图；（e）—滑体内部应力波演化示意图
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(a) —conceptual model for the propagation of rock avalanches; (b) —dynamic fragmentation of top surface clasts with the resulting stress releasing; (c) —stress wave release caused by clast fragmentation; (d) —force chain distribution caused by the shearing-fragmentation processes at the basal facies; (e) —schematic illustration of the stress wave variation
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3.3 高速远程滑坡路径相依流态转化机理的提出和研究
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滑坡与运动路径的相互作用是决定高速远程滑坡的规模、速度和灾害程度的重要因素。尽管目前在高速远程滑坡与运动路径相互作用方面已开展了大量的研究工作，然而，研究成果大多局限于形态学的定性描述，仍存在更深层次的问题需进一步研究：高速远程滑坡运动路径相依的流态转化机理如何？运动路径条件的变化如何影响滑坡的能量耗散机制？如何建立下伏层特性与滑坡堆积体地貌学和沉积学特征的内在联系？这些问题的解决不仅是揭示裹挟促滑效应的前提条件，同时也是从更深层次研究运动路径对滑坡流态转化的反馈机制。
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对于目前大多数的干颗粒流实验，其边界的设定均以光滑或粗糙的运动路径为主（Takagi et al.，2011; Louge et al.，2015）。尽管对于路径相依的颗粒流流变特性、运动学特征及堆积特征已开展了较为丰富的研究工作，然而，针对颗粒流流变特性的研究多以稳定均一流体为研究对象，对于高速远程滑坡等非稳定流体的流变特性及转化条件仍有待进一步研究。另一方面，如何通过实验的研究方法量化路径相依的运动学和堆积特征、并建立颗粒流-运动路径相互作用、颗粒运动学特性及堆积特征之间的内在联系，也是需要进一步研究的问题。
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对于下伏层物质裹挟的理论模型来说，目前已有的模型多以连续介质理论为基础，通过考虑流体质量和动量的变化而模拟滑坡碎屑流在裹挟作用下的运动堆积过程，但没有从机理上揭示裹挟促滑效应的内在本质。在实验研究方面，尽管已开展了涵盖颗粒流与下伏层相互作用变形、底部裹挟作用的影响因素等方面的物理模型实验。然而，由于高速远程滑坡基底裹挟效应的复杂性，目前开展的物理模型实验考虑的因素并不完善，难以全面揭示下伏层物质组成（粒径、级配、松散和密实、含水与不含水）、厚度变化、松散层的位置等不同影响因素条件下流体的运动特性；另一方面，现有的研究缺乏对实验过程中从颗粒与下伏层的细观相互作用入手，研究颗粒流的流态变化特征，而这种流态转化可能是揭示裹挟促滑效应的关键所在；此外由于当前的相关研究主要基于室内的小型颗粒流实验开展，在该尺度下揭示的颗粒流流变特性及其转化机制并不完善，可能导致真实滑坡中一些重要动力学过程的缺失。因此，亟需开展大尺度、大体积的物理模型实验，是突破高速远程滑坡动力学机理研究瓶颈的重要途径。
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此外，滑体与运动路径的相互作用是决定其运动状态和堆积特征的关键因素之一。对应于不同的运动路径条件，高速远程滑坡的流态化堆积地貌也呈现不同的发育类型及分布特征。在实验条件下，当改变底滑面的粗糙度，或增加松散下伏层的条件下，颗粒流堆积体的流态化堆积特征会产生显著的变化（Shea and van Wyk de Vries，2008; Longchamp et al.，2016），反映了高速远程滑坡运动路径条件与流态化堆积特征之间的内在联系。流态化堆积特征是碎屑流运动和停积过程中内部变形的最终表现形式，也是反演其流变学特性的重要依据。以大量离散颗粒为主要物质组成的高速远程滑坡，其流变特性相比于一般的连续介质流体更为复杂，其流动过程伴随着颗粒的破碎、分选、混合等物质相变过程，以及准静态、密集态和惯性态之间的流态转化过程（图7）（Savage and Lun，1988; Midi，2004; 郑虎等，2021），而滑坡运动的路径条件是影响这些复杂的物理过程形成和演化的关键所在。因此，从颗粒流理论及方法入手，量化颗粒流运动的边界条件，建立高速远程滑坡运动路径条件与流变学特性、流态化堆积特征的定量关系，并揭示运动路径相依的高速远程滑坡流态转化机理，是当前亟待解决的关键科学问题。
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显然，回答和解决上述3个关键科学问题中的任何一个都绝非易事（图7），但它们既是国际高速远程滑坡动力学学科理论研究前沿和热点，又是当前我国青藏高原重大地质灾害致灾机理、预测评价以及灾害风险防控体系中亟待解决的关键技术问题，因而具有重要的科学理论意义和重大的工程应用价值。
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4 结语
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最近，美国国家科学基金会发表《时域地球—地球科学十年愿景（2020~2030）》（A Vision for NSF Earth Sciences 2020~2030: Earth in Time），将“如何通过地球科学研究来降低地质灾害的风险和损失？”列为地球科学的优先问题之一（许志琴等，2021）。喜马拉雅造山带被誉为全球变化与环境灾害的天然实验室，喜马拉雅造山带高速远程滑坡研究是我国地球科学方面工程地质暨地质灾害领域有希望进一步产生理论突破和达到国际前沿水平的研究领域之一。充分发挥我国地质区位优势，推进重大地质灾害动力学的研究，显然是中国学者义不容辞的责任和担当。我们应当发挥地利和综合优势，开展喜马拉雅造山带巨型高速远程滑坡动力学机理研究，通过野外详细调查、室内系列物理模型实验、精细数值模拟、深入理论分析等综合研究手段，重点研究高速远程滑坡摩擦生热矿物相变机理、高速远程滑坡破碎相依能量转换机理、高速远程滑坡路径相依流态转化机理。这些关键科学问题的突破，不仅可以丰富国际地质灾害科学的重大理论，而且还可以丰富全球造山带人类工程活动下重大地质灾害链远程效应的防控理论，从而为有针对性地指导防灾减灾，促进工程建设区经济和环境的可持续发展提供科学技术支撑。
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图7 喜马拉雅造山带高速远程滑坡动力学研究关键科学问题逻辑关系图示
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Fig.7 Key scientific issues and their relations on rock avalanche dynamics in the Himalayan orogenic belt
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摘要
高速远程滑坡是地球岩石圈造山带多见的一类大规模、多相变、跨尺度的地表固体物质迁移过程，其动力学机理是国际地球科学领域长期关注的热点与亟待解决的重大前沿性课题。喜马拉雅造山带被誉为全球变化与环境灾害的天然实验室，其在复杂内外动力地质背景下孕育的高速远程滑坡，不仅是解决国际滑坡动力学科学难题的重点研究对象，同时滑坡灾害风险防控亦是影响南亚交通廊道等重大工程规划、建设和运营的关键工程地质难题。本文首先阐明了喜马拉雅造山带高速远程滑坡孕育的内外动力地质背景；然后根据喜马拉雅造山带高速远程滑坡发育的动力学特征，主要从摩擦热熔融动力学机理、破碎相依动力学机理、路径相依动力学机理三个方面，对国内外的高速远程滑坡的研究现状进行了概要述评；最后指出了喜马拉雅造山带高速远程滑坡动力学机理进一步研究应重点关注的三个关键科学问题，即：高速远程滑坡摩擦生热矿物相变机理研究、高速远程滑坡破碎相依能量转换机理研究、高速远程滑坡路径相依流态转化机理研究。相关认识对于推动造山带高速远程滑坡动力学机理研究和制定风险防控策略具有重要意义。
Abstract
Rock avalanches are among the large-scale, multiphase, and multiscale geological processes on Earth. Their high mobility and dynamic behavior remain a major research frontier in Earth Science worldwide. The Himalayan orogenic belt, as a natural laboratory for studying global change and environmental disasters, has nurtured numerous rock avalanches due to its complex internal and external geological dynamics. This region is crucial for addressing major geoscience issues related to landslide dynamics. Moreover, research on preventing rock avalanches is a key engineering geological issue, influencing the planning, construction, and operation of South Asian transportation corridors. Here, the geological setting of rock avalanches in the Himalayan orogenic belt is first described, and its scientific significance is discussed. Based on the characteristics of these events, a comprehensive review of current achievements is then conducted, focusing on three aspects: The dynamics related to the frictional heating melt mechanism, the fragmentation-dependent mechanism, and the path-dependent mechanism. Finally, three key research questions are proposed regarding the study of rock avalanches in the Himalayan orogenic belt: The dynamics of frictional heating-dependent mineral phase transformation, fragmentation-dependent energy transformation, and path-dependent flow regime transition during rock avalanche propagation.
Keywords
Himalayan orogenic belt ； rock avalanche ； dynamics ； review ； key scientific issues
