科研进展｜冰如何促进冰岩碎屑流的运动性：来自颗粒状冰-岩混合物斜槽流离散元模拟的见解

研究方法

Methods

下 图( a) 展示了地球物理流动分选行为中的沟道流动部分。 沟道流动部分反映了地球物理流动分选行为中规模最大的垂直分选行为。 其通常采用下图(b) 所示的斜槽稳定流物理实验和下图(c ) 所示的斜槽稳定流数值实验进行研究。 在数值实验中，沿流动方向(y)和垂直流动方向(x)设置周期性边界以模拟无限宽和无限长的斜槽。 无限长、无限宽的斜槽可以理解为一个有自由表面的环剪实验，其驱动力是重力的分力。

▲(a)地球物理流分选行为示意图; (b)斜槽稳定流物理实验; (c)斜槽稳定流数值实验

在冰岩碎屑流中，冰颗粒和岩石颗粒之间的大小、密度和摩擦存在差异。在数值实验中，我们控制冰颗粒、岩石颗粒的密度和摩擦保持不变，改变岩-冰粒径Sr比和含冰量 。在所有实验组中，我们控制岩石粒径不变，Sr的增加就意味着冰粒径的减小。通过不断试错，我们确定了从0.5到3的Sr范围，该范围可以全面地研究冰岩分选行为及其对运动性的影响。在每个Sr下， 分 别取0%、10%、30%、50%、70%、90%和100%。

结论

Conclusions

①冰岩分选行为可以分为三种类型。

冰岩分选主要受冰颗粒和岩石颗粒间粒径差异和密度差异的影响。基于最终分选程度 和岩-冰粒径比Sr曲线的形态（下图），由Sr的值将冰岩分选分为3种类型，这3种类型可通过不同的分选方向和分选程度来识别。

▲冰岩最终分选程度  (数据在37°坡度下获取)

在冰岩分选类型A(Sr≤0.8)中，分选主要由冰和岩石间的密度差异控制，最终分选程度 与岩-冰粒径比Sr和含冰量 无关，且总是大于1，意味着冰颗粒的平均位置接近自由表面。冰和岩石间粒径差异造成的分选方向与密度差异产生的分选方向相同。在冰岩分选类型C(Sr≥1.5)中，冰岩分选方向由冰和岩石颗粒间的密度差异和尺寸差异的博弈决定，前者导致冰向上移动，后者则具有相反的作用。此外， 受 的影响很大，随着 的增大， 迅速增大，表明随着含冰量的增加，冰颗粒的平均位置逐渐升高。冰岩分选类型B（0.8<Sr<1.5）是从类型A到类型C的过渡。当Sr值接近0.8时，冰岩混合物的分选特征与类型A相似；当Sr值接近1.5时，冰岩混合物的分选特征与类型C相似。

通过数值实验获得的I- 、μ- 关系图反映了相似的运动性规律。参考 和 之间的关系（下图），在冰岩分选类型A中，μ- 关系图是轻微的凸曲线，这意味着只有足够量的冰才能显著影响混合物的运动性。在冰岩分选类型C中，μ- 关系图为凹曲线，表明即使少量的冰存在也可以显著地影响混合物的运动性。需要特别指出的是，在Sr>2的情况下，摩擦系数μ 在 =50%左右达到最低值，表明此时运动性最强，这与现有的直观认识不同。在冰岩分选类型B中，μ- 关系图由凸曲线向凹曲线过渡，表明随着Sr的增加含冰量对运动性的影响由类型A型向类型C转化。

▲等效摩擦系数 随含冰量 的变化情况

③冰岩分选决定冰的空间分布状态，冰的空间分布和粒径大小一起通过控制颗粒碰撞应力和库伦摩擦应力的比值影响冰岩混合物的运动性。

▲(a)Savage数    ; (b)深度平均颗粒碰撞应力   和全局库伦摩擦应力   随    的变化。(b)中的虚线和实线分别表示   和   。(数据在37°坡度下获取)

▲冰影响冰岩混合物运动性的方式