风成系统沉积状态的方法学框架与评估：阿曼的瓦希巴沙丘地带

《Sedimentary Geology》：Methodological framework and evaluation of aeolian system sediment state: Wahiba Dune Field, Oman

瓦希巴沙漠场沉积状态模型构建及验证，整合气候、海平面变化及风动力数据，揭示季风风与西北沙尘风交替对沙丘演化的控制作用，支持地质记录重建。

　　

大卫·考辛斯|加里·科库雷克|卡罗琳·赫恩

德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地球科学学院，美国德克萨斯州奥斯汀

摘要

从根本上说，沙丘场的存在是由一系列外部（异源）边界条件决定的。在任何给定时间点，这些边界条件都控制着风成系统的沉积状态，该状态由沉积物供应、沉积物可用性以及风的输送能力这三个独立组成部分共同决定（参见Kocurek和Lancaster，1999年）。本文提出了一个方法论框架，利用阿曼的瓦希巴沙丘场来开发风成系统沉积状态模型。该沙丘场至少经历了14万年的演化过程。该框架包括：（1）收集包含瞬态异源强迫因素的区域性代用数据集和模拟结果；（2）分析这些强迫因素对沙丘场固有参数的影响，如内陆沉积物产量、植被、海岸生物生产力、海岸架暴露程度以及风速各组成部分的相对强度；（3）评估这些参数对沉积物供应、沉积物可用性和风输送能力的影响。随后，将阿拉伯次大陆的沙丘年代记录与瓦希巴沙丘场的预测沉积状态进行对比分析。总体而言，该沉积状态模型能够较好地再现主要由米兰科维奇周期和小尺度气候循环引起的高频异源强迫效应。尽管与以往的研究结果大体一致，但在对印度夏季季风风与西北风（Shamal风）时间主导性的预测上存在差异。据推测，这两种对立风系的转变促进了现今主导沙丘场的复合线性巨型沙丘的重大重塑和重新定义。此外，对海洋同位素阶段（MIS）5期间沙丘场演变情况的解释也有所调整。最终，该沉积状态模型有助于理解复杂风成系统中的地质记录形成过程。

引言

在风成沙丘场的尺度上，沉积物的产生、风对沉积物的输送能力以及风本身的输送能力共同决定了风成系统的沉积状态（Kocurek和Lancaster，1999年）。沉积状态的形成主要受外部（即异源）强迫因素的影响，尤其是气候、海平面变化和构造运动。虽然许多沙丘及沙丘场的特征是由自源过程（如沙丘间的相互作用）决定的（例如Werner，1995年；Kocurek等人，2010年；Gao等人，2015年），但沙丘场的存在本身是一个更为根本性的问题。尽管概念上较为简单，但由于需要了解不断变化的异源强迫因素及其对系统的影响，因此确定风成系统的沉积状态仍然具有挑战性。迄今为止，只有少数研究系统地处理了这一问题（例如Kocurek和Lancaster，1999年；Leighton等人，2014年；Fenton等人，2015年）。

阿拉伯半岛及其周边地区在过去四十多年里一直是研究的重点，提供了大量高分辨率的晚第四纪内陆和海洋代用数据。这些代用数据的时间和空间模式越来越多地与异源强迫因素（尤其是米兰科维奇周期和较小尺度的气候及海平面变化周期）相关联（例如Clemens和Prell，1990年；Clemens和Prell，2003年；Burns等人，1998年；Burns等人，2001年；Rohling等人，2002年；Revel等人，2010年；Caley等人，2011年）。此外，数值气候模型和生物模型不仅验证了代用数据的准确性，还为异源强迫因素提供了背景解释（例如Jolly等人，1998年；Jennings等人，2015年；Kutzbach等人，2020年）。通过光释光技术对陆地沉积物进行定年，进一步实现了沉积物积累与环境变化记录之间的关联。尽管许多研究旨在揭示人类从非洲的迁徙路径（例如Parker，2010年；Rosenberg等人，2011年；Parton等人，2013年；Matter等人，2015年；Groucutt等人，2018年），但也有大量研究专门针对沙丘场进行了探讨（例如Goudie等人，2000年；Glennie和Singhvi，2002年；Bray和Stokes，2003年；Stokes和Bray，2005年；Preusser，2009年；Atkinson等人，2011年；Glennie等人，2011年；Rosenberg等人，2013年；Farrant等人，2015年；Hern等人，2018年；Kocurek等人，2020年）。尽管这些研究在空间和时间尺度上可能不够全面，但它们提供了关键的实地数据，有助于解释相关现象。

在本文中，我们研究了过去14万年来阿拉伯半岛的区域性异源强迫因素，重点关注位于阿曼东北部的瓦希巴沙丘场。先前的研究表明，该沙丘场位于一个被多个不同来源区包围的构造盆地中，并在气候变化和海平面变化的背景下不断发展（例如Juyal等人，1998年；Glennie和Singhvi，2002年；Preusser等人，2002年；Radies等人，2004年；Preusser，2009年；Glennie等人，2011年；Hern等人，2018年；Kocurek等人，2020年；Hereher等人，2020年；Gheith等人，2021年；Cousins等人，2025年）。瓦希巴沙丘场的丰富数据和复杂性使其成为开发沉积状态模型的理想对象。

本文用于开发瓦希巴沙丘场沉积状态模型的方法包括：首先从区域代用数据和模型中整理出海平面变化和气候强迫因素的时间序列；其次分析这些因素对海岸架暴露程度、海岸生物生产力、陆地沉积物产量以及风速各组成部分的影响；最后评估这些因素对沉积物供应、沉积物可用性和风输送能力的影响。所得到的沉积状态模型具有预测性，并通过与其他研究结果进行验证。虽然总体上与以往研究一致，但该模型揭示了一些尚未被识别的沙丘结构特征，并提供了关于沙丘场形成过程及其地层记录的年代信息。

地质背景

瓦希巴沙丘场覆盖了约16,000平方公里的区域，位于阿曼苏丹国的阿拉伯半岛东北部（图1）。该沙丘场及其周边环境处于一个沉积盆地中（以下简称瓦希巴盆地），该盆地由北部的哈贾尔山脉和南部的胡克夫构造高地之间的区域沉降作用形成（图1a）（Shackleton和Ries，1990年；Immenhauser等人，2000年）。据推测，哈贾尔山脉至少上升了2公里。

风成沉积状态图的构建

本文采用了Kocurek和Lancaster（1999年）提出的风成沉积状态参数定义。沉积物供应指的是适合风成系统使用的适当粒度的沉积物，这些沉积物可以是当前形成的，也可以是在未来某个时间点形成的。瓦希巴盆地的主要沉积物来源包括：（1）来自哈贾尔山脉的内陆沉积物；（2）阿拉伯海域高生产力区域的生物沉积物。

系统沉积状态模型

图6中的每条曲线均经过标准化处理，以表示在同一尺度上的瞬态变化指数，这些曲线构成了瓦希巴沙丘场沉积状态模型的基础。尽管内陆和沿海系统受到相同的外部强迫因素影响，但它们的响应有所不同，因此沉积状态模型分别用两个独立的图表表示（图7）。内陆沉积状态模型（图7a）是通过同时绘制内陆沉积物等参数构建的。

模型性能：预测沉积状态与实际观测结果对比

瓦希巴沙丘场的预测沉积状态与以往的研究结果基本一致（例如Gardner，1988年；Juyal等人，1998年；Preusser等人，2002年；Radies等人，2004年；Preusser，2009年；Glennie等人，2011年；Hereher等人，2020年；Gheith等人，2021年；Buloshi和Gheith，2022年），但在风速组成和MIS 5沙丘场的持续存在时间上存在差异。在相邻的Rub’ al Khali沙丘场的形成过程中，西北风（Shamal风）的主导地位已被广泛认可。

框架评估

本研究开发的方法为其他风成系统的沉积状态模型构建提供了框架。该方法的通用性在于它系统地整合了代用数据集和环境强迫因素，以确定沉积物供应、沉积物可用性和风的输送能力。只要存在足够的气候、海平面变化和风速变化相关的代用数据，该方法即可应用于任何风成系统。

然而，该方法也存在一些局限性。

结论

本研究通过整合沉积物供应、可用性和风输送能力的代用数据，建立了过去14万年来瓦希巴沙丘场的沉积状态模型。该模型成功预测了与米兰科维奇周期驱动的气候变化相吻合的主要风成作用时期：冰期干旱时期表现为风成活动增强，而间冰期则表现为沉积物积累和沙丘稳定。

主要研究结果表明……

CRediT作者贡献声明

大卫·考辛斯：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、资源协调、项目管理、方法论设计、数据调查、资金获取、数据分析、概念构建。加里·科库雷克：撰写与编辑、监督工作。卡罗琳·赫恩：撰写与编辑、监督工作。

未引用参考文献

Driesschaert等人，2007年

Joos和Spahni，2008年

Pease等人，1999年

Peltier和Solheim，2004年

Wood等人，2012年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

谨以此文纪念加里·科库雷克，他的开创性风成研究工作是我们研究的基石。本研究得到了Shell Exploration and Production Company的支持。我们衷心感谢Xiaocan Yu和三位匿名审稿人的宝贵建议和建设性评论。