颗粒物质在我们的日常生活、工业生产及地质过程中无处不在。颗粒系统在外界扰动条件(例如剪切或者振动)下会表现出不同的气态、液态或固态。这种无序系统在没有受到外界扰动时能够维持稳定的刚性结构,在扰动的情况下系统会发生结构弛豫,而流化。颗粒物质的固液性质却与普通连续介质体系例如弹性固体、普通液体有着显著的区别,其原因在于颗粒系统中颗粒间实际上存在非弹性碰撞和摩擦作用,是一个处于非平衡态的多体耗散体系。尽管颗粒物质是工程和地质的重要应用载体,但现有理论主要还是基于经验的宏观本构理论对其进行描述,缺少微观机制和机理,在很多实际应用中遇到了较大困难。因而有必要从颗粒物质的微观的结构和动力学开始展开研究,最终建立颗粒系统的宏观连续介质力学理论框架。在单颗粒尺度上研究三维颗粒系统的微观动力学性质,在技术上是非常大的挑战,因为颗粒通常是光学不透明的。现有的可用于颗粒研究的三维成像技术中,相比于核磁共振成像和折射率匹配成像,X射线计算机断层扫描技术(Computed Tomography,CT)具有高空间、高时间分辨率的特点,并能得到绝大多数材质的颗粒系统的结构。本文主要将受到准静态循环剪切作用的三维椭球颗粒系统作为研究对象,通过医用CT成像及后续图像处理和计算得到颗粒的坐标和取向等几何信息,进而利用粒子追踪算法在单颗粒尺度上,首次采集到长达三个数量级时间尺度的全部颗粒的平动和转动轨迹的实验数据,最终对其平动和转动自由度的微观动力学机制进行了研究。主要结果如下:我们发现颗粒的位移分布函数并不符合普通液体的高斯分布,而是满足具有高斯核和指数尾部的、普适的Gumbel分布,和剪切应变幅度以及我们所探究的时间尺度都不相关。除此之外,我们从颗粒系统的均方位移中并没有观察到类似于普通液体在降温过程中在扩散曲线上出现一个平台区的“笼效应”(“笼效应”与玻璃态系统动力学变慢有关,粒子会暂时地被束缚在周围粒子所围成的空间里),而是表现出简单扩散的行为,即均方位移与时间呈幂率关系,幂指数与时间尺度和剪切应变幅度有关。我们认为以上结果与颗粒物质的多尺度效应——颗粒的粒径尺度和颗粒表面粗糙的小尺度上的对应不同空间尺度的两种弛豫机制有关。与此同时,我们也研究了三维椭球颗粒系统中平动和转动自由度的动力学非均匀性现象。我们发现前10%平动快的颗粒组成的团簇的尺寸分布满足幂率关系,与由随机选取相同数目的颗粒形成的团簇的分布函数截然不同,并且不随剪切应变幅度而改变;我们在转动快,平动慢和转动慢的另外三类颗粒团簇中发现了同样的现象,这与上述的具有普适性的位移分布的结果自洽。我们所研究的颗粒系统出现动力学非均匀性的时间尺度远小于玻璃态系统发生α弛豫的时间尺度。我们认为颗粒表面粗糙度的微小结构导致了它的相空间具有不同于玻璃态系统的粗糙的曲面,因而与动力学非均匀性来源于局域的结构涨落的热平衡系统不同,颗粒系统的动力学非均匀性与剪切应变幅度和时间无关。此外,四类颗粒之间所存在的显著的正相关或反相关的关系,表明平动自由度和转动自由度存在很强的空间相关性。综上,我们的工作发现了颗粒体系具有和普通液体完全不同的微观动力学,体现了“热体系”和“摩擦体系”的本质不同,颗粒体系是一种处在液固边界的临界相。一方面体系在非常微小的扰动下就会流化。另一方面由于耗散的存在,体系在微扰消失后会恢复“固体”刚性。同时这种动力学表现出了非常强的普适性,暗示着颗粒体系这种有摩擦的非平衡态系统,遵从一种新的普适的微观动力学,应当基于其微观动力学发展一种新的颗粒体系的连续介质力学理论框架。