岩体中发育复杂的天然裂缝网络，这些裂缝网络不仅直接影响岩体稳定性，是地质灾害预测和防治的关键因素，同时也作为地下流体运移的主要通道，对二氧化碳地质长期封存、污染物扩散、油气开采、地热能开发等具有重要影响。由于裂缝网络具有多尺度和自相似性特征，其性质的尺度依赖行为为跨尺度分析提供了基础，使得连续介质模型能够应用于数值模拟，并实现从室内实验到现场应用的尺度转换。其中，裂缝网络的连通性是控制岩体力学和水力学性质的核心基本特征。然而，确定连通性稳定的特征尺度—即表征单元体(Representative Elementary Volume, REV)，一直是地质系统表征面临的核心挑战之一。

中国科学院地质与地球物理研究所朱维伟特聘研究员、祁生文研究员团队联合中国矿业大学（北京）、中国科学院新疆生态与地理研究所、清华大学、沙特阿美、瑞典皇家理工学院、沙特阿卜杜拉国王科技大学等国内外研究机构，通过系统分析天然露头数据和统计生成离散裂缝网络(DFN)，深入研究了连通性的尺度依赖行为，取得创新性成果。

研究团队利用此前提出的一种新型连通性度量指标Ct （Zhu et al.,2024），综合考虑了集群内部连通性和集群间相互作用，能够更准确地描述多集群裂缝网络的连通特征。同时，团队提出了标准差稳定性准则(Standard Deviation Stability Criterion, SDSC)，利用二阶统计量实现了REV的客观确定，有效克服了传统方法的主观性问题。通过分析63个天然露头和多种生成DFN场景，研究系统揭示了裂缝网络连通性的尺度依赖规律（图1）。

图1 (a) 挪威西部Hornelen盆地露头解译图（Odling, 1997），不同裂缝簇以不同颜色区分；(b) 包含三个簇的简单裂缝网络示意图（Zhu et al., 2024），不同颜色标记T型、X型和I型节点；(c) 基于移动窗口法的标准差稳定性准则(SDSC)计算流程示意图，用于表征单元体积(REV)的确定

研究发现，裂缝网络连通性表现出明显的尺度依赖性特征，但REV值接近研究系统尺度的同一数量级，其中天然露头的平均REV值为0.586，统计生成的离散裂缝网络超过0.20。这一发现表明，通过常规采样方法获得代表性体积存在根本性限制。裂缝几何特征对REV具有显著影响，其中裂缝的优势方向会显著增加REV尺寸，在应力影响下表现更为显著。当考虑裂缝完全封闭或充填时，仅在原位地应力条件下处于临界应力状态的裂缝保持渗透性，此时由于方向选择性效应，REV的确定最具挑战性，其值相比完全开启状态几乎翻倍，且裂缝集群效应进一步放大了这一影响。相比之下，当裂缝仅部分封闭或充填时，由于一定程度上保持了裂缝方向的多样性，相应的REV值介于完全开启状态与完全封闭（考虑应力作用）状态之间，呈现出中间行为特征（图2，图3）。

图2 (a) 63个露头图中裂缝网络的连通性和SDSC变化。其中一个代表性结果用加粗实线突出显示；(b) 63个露头图的REV变化；(c) 不同阈值下的REV变化

图3 四种裂缝网络在三种不同情景下，连通性及对应SDSC随样本窗口尺寸变化的特征：左：所有裂缝处于开启状态；中：所有裂缝封闭或充填，仅处于临界应力状态的裂缝保持渗透性；右：裂缝部分封闭或充填并考虑应力作用。图中加粗实线突出显示了一个典型结果

该研究深化了对多尺度裂缝网络连通性的认识，为跨尺度地质建模和工程应用提供了重要的理论基础和技术支撑，对提升地下工程和环境应用中预测模型的准确性具有重要意义。

研究成果发表于国际学术期刊EG(朱维伟，祁生文^*，Xupeng He，郑博文，郭松峰，邹宇，雷文海，张旺，Hussein Hoteit，王沫然，何满潮，肖文交.Scale-dependent connectivity behavior in multi-clustered fracture systems[J]. Engineering Geology, 2026: 108597.DOI: 10.1016/j.enggeo.2026.108597.)。研究受国家自然科学基金项目（42141009）和中国科学院地质与地球物理研究所重点研究项目（No. IGGCAS‐202201)等资助。