综述：泥浆流变学：地球与行星科学学科的综述与分析

这篇综述系统梳理了泥浆流变学（Mud Rheology）在跨学科研究中的关键作用，重点解析了宾汉（Bingham）、赫歇尔-巴克（Herschel-Bulkley）等流变模型在火山泥流（Lahar）、钻井泥浆（Drilling Mud）等场景中的应用，强调屈服应力（τy）、剪切稀化（Shear-thinning）等特性对灾害预测和行星地质（如火星泥流）研究的核心价值。

　　

泥浆流变学：理论与跨学科应用

1. 引言
泥浆作为水、黏土颗粒和有机质的混合物，广泛存在于地球火山、海岸线及火星等行星表面。其流变特性（如剪切应力τ与剪切率γ?的非线性关系）直接决定了泥石流（Debris Flow）的运移速度和灾害潜力。

2. 泥浆流变特性
2.1 本征性质

• 体积分数（?）：当?>0.25时，泥浆呈现非牛顿流体特性，黏度随颗粒浓度呈指数增长（Krieger-Dougherty方程）。
• 颗粒形状：片状黏土（如高岭石）的纵横比（r_p）显著影响最大堆积分数?_m，例如r_p=9.83时?_m≈0.34。
• 电导率与pH：电解质浓度通过影响黏土颗粒絮凝（Flocculation）改变流变行为，如高pH下边缘电荷消失导致分散态。

2.2 涌现特性

• 屈服应力（τ_y）：赫歇尔-巴克模型通过参数K、n更精准描述低剪切率（γ?<10 s^-1）下的τ_y，而宾汉模型在工程中更简化但高估τ_y达50%。
• 触变性（Thixotropy）：泥浆静置后黏度恢复的特性，在盐度升高时因双电层压缩而减弱。

3. 应用场景
3.1 地球环境

• 火山泥流：印尼Lusi火山喷发案例显示，赫歇尔-巴克模型预测的上升流速（1 m/s）与碎屑尺寸匹配更佳。
• 钻井工程：水基泥浆在高温高压下呈现剪切稀化，需采用温度修正的流变模型。

3.2 火星泥流
低压环境（~600 Pa）导致泥浆沸腾结壳，形成类似熔岩的叶状体（Lobe），流变模拟需考虑冰-泥混合相变。

4. 模型对比
赫歇尔-巴克模型在R²=0.985的拟合优度下优于宾汉模型（R²=0.863），尤其在?>0.3时能捕捉剪切稀化指数（n<1）的变化。

5. 前沿挑战
未来需开发整合温度-压力-盐度耦合效应的统一模型，并拓展至冰卫星（如土卫二）的低温泥浆研究。