2022年3月，程谦恭教授团队王玉峰等在国际著名我院类自然指数期刊JGR: Solid Earth发表了题为“Insight into granular flow dynamics relying on basal stress measurements: from experimental flume tests”（Li et al., 2022, https://doi. org/10.1029/2021jb022905）的研究成果。在这一研究中，团队成员基于不同粒径和不同体积条件下的碎屑流物理模型实验，分析了颗粒流与基底相互作用所产生的静态及波动应力（fluctuating stress）的产生机制，量化了与基底波动应力相关的颗粒扰动（particle agitation）程度，建立了颗粒扰动和碎屑流流动性的定量关系，揭示了与应力波动相关的颗粒弥散减阻效应，得出颗粒流中粗颗粒含量的增加有助于增加波动应力的幅值及颗粒扰动程度，而这种与高频高峰值波动应力相关的颗粒扰动可以促进颗粒流的流动性。

本实验的研究成果为声波流态化、机械流态化、基底压力波导致的流态化，以及本团队提出的“自激振动悬浮减阻”等高速远程滑坡动力学机理提供了重要的实验支撑，相关的学术论文一经发表，便引起了国内外大量学者的广泛关注。国际地球科学领域著名学者，意大利国家地球物理学与火山学研究所Bruno Cagnoli教授特别在JGR: Solid Earth期刊撰稿对本论文中所提出的高速远程滑坡机理进行了评论。在该评论稿中（Cagnoli, 2023, https://doi.org/10.1029/2022JB 024799），Cagnoli对本实验的研究结论提出了质疑，其主要观点包括三个方面：首先，认为颗粒流流动性与粒径应为负相关关系，而非本实验中所呈现的正相关关系；其次，认为颗粒扰动程度的降低会促进颗粒流的流动性；第三，认为本实验中所采用的斜槽模型存在一个坡度的转折（slope-break），导致颗粒流运动过程中产生一个附加现象（additional phenomenon），即颗粒流冲出斜槽后与水平槽底面发生碰撞，从而影响了颗粒流流动性随粒径的变化趋势。为论证坡度转折的影响效应，Cagnoli进一步开展了两种运动路径条件下（存在坡度转折和坡度连续变化）的离散元数值模拟，结果表明，在坡度连续变化的运动路径条件下，随着粒径的减小，颗粒流的流动性呈增加的趋势，而当运动路径存在坡度转折时，颗粒流流动性则随粒径的增大而增加。

针对Cagnoli教授的评论，程谦恭教授团队王玉峰等对上述实验研究成果进行了重新审视和进一步的阐述，并针对评论稿中所涉及的关键问题进行了全方位的回复。首先，在回复稿中，对于物理模型实验初始条件的控制以及在实验过程中应对附加现象的处理方法进行了进一步说明；其次，从野外地质证据、实验模型及数值模拟三个方面出发，论述了本实验中选用坡度转折模型的依据，并通过建立颗粒流速度与等效摩擦系数的定量关系，分析了坡度转折对颗粒流流动性的影响效应，结果表明，在抵达坡度转折之前，颗粒流流动性已经表现为随粒径增大而增加的趋势（图1），因此，在本实验中，坡度转折处的颗粒流碰撞并未对实验结果产生影响；第三，通过详细对比本实验与Cagnoli数值模拟结果，得出离散元模型中初始条件、边界条件及颗粒间接触模型的简化是两者之间存在差异的主要原因；最后，进一步阐明了颗粒扰动、基底波动应力和颗粒流流动性之间的关系，强调了颗粒流基底波动应力的减阻效应，即颗粒扰动只是基底波动应力的一种表现形式，而波动应力的产生才是促进颗粒流流动性的内在因素。

图1 不同粒径组成颗粒流深度平均速度及其与等效摩擦系数关系

与以上回复内容相关的学术论文 “Basal stress fluctuation: Reply to Comment by Cagnoli on “Slope-break collisions: Comment on ‘Insight into granular flow dynamics relying on basal stress measurements: From experimental flume tests’ by K. Li et al.” （https://doi.org/10.1029/2022JB025804）近期发表于JGR: Solid Earth期刊，获得了JGR: Solid Earth副主编及审稿人的认可，认为本论文针对Cagnoli的评论给出了强有力的回复，审稿人美国康奈尔大学Michel Louge教授对本次学术辩论进行了高度评价，认为这场辩论是非常有意义且十分重要的，因为它揭示了翔实的物理模型实验和定义明确的数值模拟之间存在的差异，而这种差异可能是数值模拟对颗粒接触模型简化的又一表现，对于揭示数值模型和已有理论模型面临的挑战具有重要意义。并且，他建议JGR: Solid Earth期刊应当专门组织这方面的论文专辑，就此主题进行全方位的讨论和分析。

程谦恭团队的该项研究成果获得国家自然科学基金面上项目（41877237，42177131）等项目的资助。据悉，高速远程滑坡（rock avalanche）动力学机理的研究，一直是国际地球科学领域长期关注的热点和尚未完全解决的重大前沿性课题。

相关论文详细信息：

Li, K., Wang, Y., Cheng, Q., Lin, Q., Wu, Y., & Long, Y. (2023). Basal stress fluctuation: Reply to comment by Cagnoli on “slope-break collisions: Comment on ‘insight into granular flow dynamics relying on basal stress measurements: From experimental flume tests’ by K. Li et al.”. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2022JB025804. https://doi.org/10.1029/2022JB025804

Li, K., Wang, Y. F., Cheng, Q. G., Lin, Q. W., Wu, Y., & Long, Y. M. (2022). Insight into granular flow dynamics relying on basal stress measurements: From experimental flume tests. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127(3), e2021JB022905. https://doi.org/10.1029/ 2021JB022905

Cagnoli, B. (2022). Slope-break collisions: Comment on “Insight into granular flow dynamics relying on basal stress measurements: From experimental flume test” by K. Li et al. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 117(B10). https://doi.org/10.1029