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        風成系統沉積狀態的方法學框架與評估:阿曼的瓦希巴沙丘地帶

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

        【字體: 時間:2026年03月02日 來源:Sedimentary Geology 2.9

        編輯推薦:

          瓦希巴沙漠場沉積狀態模型構建及驗證,整合氣候、海平面變化及風動力數據,揭示季風風與西北沙塵風交替對沙丘演化的控制作用,支持地質記錄重建。

          
        大衛·考辛斯|加里·科庫雷克|卡羅琳·赫恩
        德克薩斯大學奧斯汀分校杰克遜地球科學學院,美國德克薩斯州奧斯汀

        摘要

        從根本上說,沙丘場的存在是由一系列外部(異源)邊界條件決定的。在任何給定時間點,這些邊界條件都控制著風成系統的沉積狀態,該狀態由沉積物供應、沉積物可用性以及風的輸送能力這三個獨立組成部分共同決定(參見Kocurek和Lancaster,1999年)。本文提出了一個方法論框架,利用阿曼的瓦希巴沙丘場來開發風成系統沉積狀態模型。該沙丘場至少經歷了14萬年的演化過程。該框架包括:(1)收集包含瞬態異源強迫因素的區域性代用數據集和模擬結果;(2)分析這些強迫因素對沙丘場固有參數的影響,如內陸沉積物產量、植被、海岸生物生產力、海岸架暴露程度以及風速各組成部分的相對強度;(3)評估這些參數對沉積物供應、沉積物可用性和風輸送能力的影響。隨后,將阿拉伯次大陸的沙丘年代記錄與瓦希巴沙丘場的預測沉積狀態進行對比分析。總體而言,該沉積狀態模型能夠較好地再現主要由米蘭科維奇周期和小尺度氣候循環引起的高頻異源強迫效應。盡管與以往的研究結果大體一致,但在對印度夏季季風風與西北風(Shamal風)時間主導性的預測上存在差異。據推測,這兩種對立風系的轉變促進了現今主導沙丘場的復合線性巨型沙丘的重大重塑和重新定義。此外,對海洋同位素階段(MIS)5期間沙丘場演變情況的解釋也有所調整。最終,該沉積狀態模型有助于理解復雜風成系統中的地質記錄形成過程。

        引言

        在風成沙丘場的尺度上,沉積物的產生、風對沉積物的輸送能力以及風本身的輸送能力共同決定了風成系統的沉積狀態(Kocurek和Lancaster,1999年)。沉積狀態的形成主要受外部(即異源)強迫因素的影響,尤其是氣候、海平面變化和構造運動。雖然許多沙丘及沙丘場的特征是由自源過程(如沙丘間的相互作用)決定的(例如Werner,1995年;Kocurek等人,2010年;Gao等人,2015年),但沙丘場的存在本身是一個更為根本性的問題。盡管概念上較為簡單,但由于需要了解不斷變化的異源強迫因素及其對系統的影響,因此確定風成系統的沉積狀態仍然具有挑戰性。迄今為止,只有少數研究系統地處理了這一問題(例如Kocurek和Lancaster,1999年;Leighton等人,2014年;Fenton等人,2015年)。
        阿拉伯半島及其周邊地區在過去四十多年里一直是研究的重點,提供了大量高分辨率的晚第四紀內陸和海洋代用數據。這些代用數據的時間和空間模式越來越多地與異源強迫因素(尤其是米蘭科維奇周期和較小尺度的氣候及海平面變化周期)相關聯(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,數值氣候模型和生物模型不僅驗證了代用數據的準確性,還為異源強迫因素提供了背景解釋(例如Jolly等人,1998年;Jennings等人,2015年;Kutzbach等人,2020年)。通過光釋光技術對陸地沉積物進行定年,進一步實現了沉積物積累與環境變化記錄之間的關聯。盡管許多研究旨在揭示人類從非洲的遷徙路徑(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),但也有大量研究專門針對沙丘場進行了探討(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)。盡管這些研究在空間和時間尺度上可能不夠全面,但它們提供了關鍵的實地數據,有助于解釋相關現象。
        在本文中,我們研究了過去14萬年來阿拉伯半島的區域性異源強迫因素,重點關注位于阿曼東北部的瓦希巴沙丘場。先前的研究表明,該沙丘場位于一個被多個不同來源區包圍的構造盆地中,并在氣候變化和海平面變化的背景下不斷發展(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)。瓦希巴沙丘場的豐富數據和復雜性使其成為開發沉積狀態模型的理想對象。
        本文用于開發瓦希巴沙丘場沉積狀態模型的方法包括:首先從區域代用數據和模型中整理出海平面變化和氣候強迫因素的時間序列;其次分析這些因素對海岸架暴露程度、海岸生物生產力、陸地沉積物產量以及風速各組成部分的影響;最后評估這些因素對沉積物供應、沉積物可用性和風輸送能力的影響。所得到的沉積狀態模型具有預測性,并通過與其他研究結果進行驗證。雖然總體上與以往研究一致,但該模型揭示了一些尚未被識別的沙丘結構特征,并提供了關于沙丘場形成過程及其地層記錄的年代信息。

        地質背景

        瓦希巴沙丘場覆蓋了約16,000平方公里的區域,位于阿曼蘇丹國的阿拉伯半島東北部(圖1)。該沙丘場及其周邊環境處于一個沉積盆地中(以下簡稱瓦希巴盆地),該盆地由北部的哈賈爾山脈和南部的胡克夫構造高地之間的區域沉降作用形成(圖1a)(Shackleton和Ries,1990年;Immenhauser等人,2000年)。據推測,哈賈爾山脈至少上升了2公里。

        風成沉積狀態圖的構建

        本文采用了Kocurek和Lancaster(1999年)提出的風成沉積狀態參數定義。沉積物供應指的是適合風成系統使用的適當粒度的沉積物,這些沉積物可以是當前形成的,也可以是在未來某個時間點形成的。瓦希巴盆地的主要沉積物來源包括:(1)來自哈賈爾山脈的內陸沉積物;(2)阿拉伯海域高生產力區域的生物沉積物。

        系統沉積狀態模型

        圖6中的每條曲線均經過標準化處理,以表示在同一尺度上的瞬態變化指數,這些曲線構成了瓦希巴沙丘場沉積狀態模型的基礎。盡管內陸和沿海系統受到相同的外部強迫因素影響,但它們的響應有所不同,因此沉積狀態模型分別用兩個獨立的圖表表示(圖7)。內陸沉積狀態模型(圖7a)是通過同時繪制內陸沉積物等參數構建的。

        模型性能:預測沉積狀態與實際觀測結果對比

        瓦希巴沙丘場的預測沉積狀態與以往的研究結果基本一致(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),但在風速組成和MIS 5沙丘場的持續存在時間上存在差異。在相鄰的Rub’ al Khali沙丘場的形成過程中,西北風(Shamal風)的主導地位已被廣泛認可。

        框架評估

        本研究開發的方法為其他風成系統的沉積狀態模型構建提供了框架。該方法的通用性在于它系統地整合了代用數據集和環境強迫因素,以確定沉積物供應、沉積物可用性和風的輸送能力。只要存在足夠的氣候、海平面變化和風速變化相關的代用數據,該方法即可應用于任何風成系統。
        然而,該方法也存在一些局限性。

        結論

        本研究通過整合沉積物供應、可用性和風輸送能力的代用數據,建立了過去14萬年來瓦希巴沙丘場的沉積狀態模型。該模型成功預測了與米蘭科維奇周期驅動的氣候變化相吻合的主要風成作用時期:冰期干旱時期表現為風成活動增強,而間冰期則表現為沉積物積累和沙丘穩定。
        主要研究結果表明……

        CRediT作者貢獻聲明

        大衛·考辛斯:撰寫初稿、可視化處理、驗證、軟件開發、資源協調、項目管理、方法論設計、數據調查、資金獲取、數據分析、概念構建。加里·科庫雷克:撰寫與編輯、監督工作。卡羅琳·赫恩:撰寫與編輯、監督工作。

        未引用參考文獻

        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

        利益沖突聲明

        作者聲明他們沒有已知的可能影響本文研究的財務利益或個人關系。

        致謝

        謹以此文紀念加里·科庫雷克,他的開創性風成研究工作是我們研究的基石。本研究得到了Shell Exploration and Production Company的支持。我們衷心感謝Xiaocan Yu和三位匿名審稿人的寶貴建議和建設性評論。
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