晚更新世Khvalynian高海面代表了蓬卡斯帕地区最显著的古地理事件之一，但其水源及驱动机制数十年来仍存在争议。本研究呈现的Khvalynian时期软体动物壳体的锶（Sr）同位素数据记录了约15 kyr BP时系统性较高的$^{87}$Sr/$^{86}$Sr值（0.7088–0.7091），该值高于现代里海水。利用基于河流径流量重建的质量平衡模型（mass-balance model），结合来自潜在水源的锶同位素及浓度数据，研究人员检验了现代里海流域内可能发生的合理变化是否能够解释这一放射成因异常。研究结果表明，来自伏尔加河以及西部和南部河流的增加径流量无法重现所观测到的锶同位素信号。模型识别出来自阿姆河（Amu Darya）系统的东部河流输入，是唯一在数量上可行的、能够同时提供足够放射成因锶和所需锶浓度的水源。这些结果提供了首个直接的地球化学证据，表明东部水系在Khvalynian海侵期间进入了里海盆地。这一解释得到了关于晚更新世东部水流入里海的独立地质和地貌学证据的支持。
里海是世界上最大的湖泊，它是一个理解环境演化的独特自然档案，并为建立和对比北欧亚地区区域地层和古地理方案提供了关键框架。里海的历史反映了全球和区域气候变化，包括横跨东欧平原以及高加索、厄尔布尔士和帕米尔山脉地区的冰期和间冰期事件。里海在古代人类群体的扩散和相邻地区的文化交流中也扮演了重要角色，凸显了研究该盆地历史的地缘考古学重要性。
里海的更新世历史已研究了一个多世纪。在里海历史上通常识别出五个主要高海面或海侵期：阿克恰格尔期、阿普歇伦期、巴库期、哈扎尔期和Khvalynian期。这些高海面期被低海面或海退期所分隔。末次冰期的Khvalynian海侵是第四纪期间最显著、规模最大的古地理事件之一。与早期高海面期不同，Khvalynian海侵在整个里海盆地沿岸均有记录。尽管研究广泛，但关于Khvalynian盆地古地理的许多方面仍未解决并存在激烈争论，包括与Khvalynian期古水文学相关的问题、与海侵相关的巨大水量来源，以及控制随后湖面升降的机制。这一问题的重要性因当前里海水位低于-29米而进一步凸显，引起了所有里海沿岸国家民众和政府的关注。
里海由130多条河流补给，年平均总入流量约300 km$^3$。伏尔加河和乌拉尔河是主要水源，占总入流量的85%以上，它们注入里海北部。西部河流（捷列克河、苏拉克河和库拉河）及一些小河流约占入流量的10%。来自伊朗高原河流的入流量很小。此外，有假说认为古阿姆河（paleo-Amu Darya）在里海历史的特定时期曾显著贡献于其水量平衡。本研究的目标是调查Khvalynian期潜在的河流流入源，重点评估里海是否接收了来自东部地区的河流补给，这可能影响了其水量平衡和水文特征。
天然水体中的$^{87}$Sr/$^{86}$Sr比值严格取决于集水区，因为不同岩石类型在风化过程中会释放出具有不同同位素组成的锶。因此，溶解锶的同位素组成反映了集水区的综合地质特征，使得区分不同的淡水输入源成为可能。$^{87}$Sr/$^{86}$Sr特征在天然水中得以保持，因为它不受生物分馏影响。因此，同位素变化主要记录源区贡献和水混合过程的变化，而非生物效应。故$^{87}$Sr/$^{86}$Sr特征被用作强大的地球化学示踪剂，以识别集水区地质和水文、水源并量化过去的混合比例。
在更新世，内陆里海的锶同位素组成受到来自非海洋源或河流的、具有不同锶同位素特征的几个水体输入和混合的影响。这种孤立性导致里海的$^{87}$Sr/$^{86}$Sr比值与全球海洋不同，因为它反映了局部的河流来源。现代里海的主要锶供应源是来自东欧地台的大陆河流水。
本研究的主要目标是为里海最大规模第四纪海侵的驱动因素提供经验性约束，并检验关于显著东部淡水输入的长期假说，该输入可能与阿姆河系统有关。在本研究中，研究人员通过对跨越里海区域Khvalynian地层单元的软体动物壳体进行锶同位素分析，评估了Khvalynian高海面期间潜在水源的贡献。
里海广阔的纬度范围和巨大的面积导致了自然条件的高度多样性。其流域内甚至代表了更广泛的环境带。里海本身传统上分为三个盆地：北部、中部和南部盆地。水深从北向南相应增加。
北部里海是最浅的盆地，水温和盐度季节性变化显著。北部与中部里海的分界线从西岸的车臣岛延伸至东岸的图布-卡拉甘角，沿曼吉什拉克浅滩的地貌边界分布。平均水深在10至15米之间，局部在北部里海南端可达20米。北部里海平均水深约4.5米。
中部里海平均深度约175-190米，最大深度788米，约占里海总水量的22%。最大深度与德尔本特凹陷有关，该凹陷偏向西岸。其中南部边界沿阿普歇伦浅滩分布，这是一条从阿普歇伦半岛向西延伸至库利角的水下山脊。
南部里海约占里海总水量的77%，平均深度约325米，最大深度1024米。该盆地是一个深凹陷，西缘和南缘为狭窄的陆架，向东变宽。
里海位于多个气候区内。北部和中部地区属于大陆性温带气候区，而南部地区位于亚热带区。大部分时间盛行西北和东南风，这种模式由大气环流、海岸地形和海洋热力场决定。里海不同部分水文机制的显著差异主要受其独特的地质和地理环境控制。
里海水温在空间上存在异质性。季节性温度波动影响水柱至约350米深度。在此深度以下，水温在+3.80°C至+5.35°C之间，平均约+4.5°C。上层100米经历最显著的季节性温度变化：浅水区在夏季升温至25-26°C，而里海北部在冬季部分结冰。中部里海东岸以较低的年平均水温为特征，地表水仅升温至+21°C。
里海盐度也表现出相当大的空间变异性。最高盐度值（不包括卡拉博加兹戈尔湾）达13.5‰，出现在里海中、东部和南部沿岸水域。深水区平均盐度在12.5‰至13‰之间，夏季近岸降至11.5‰。在里海南部，观测到库拉河的淡化效应；在中部，淡化效应由萨穆尔河、苏拉克河等河流引起。在北部，盐度向河口区域逐渐降低，在伏尔加河三角洲完全淡化。北部里海东部也因乌拉尔河入流而发生显著淡化。里海大部分北部地区在寒冷季节会结冰。
以风驱动的环流主导里海水循环。尽管水位波动，但塑造深水区风浪机制的条件基本保持不变。与风一起影响环流机制的主要因素是水密度的空间异质性、海岸线和海底地形的配置以及河流入流，后者在浅水的北部里海影响尤为显著。
总体环流模式是逆时针环流，始于伏尔加河口，沿西岸向南流动，然后在伊朗海岸附近转向东，最后沿东岸再次向北移动。水混合过程是水文机制的关键因素。强烈的对流过程遍及整个水柱，促进了深层水与上层之间的动态交换。冷水越密、冬季季风越强，其下沉越深。里海水文垂直结构的一个显著特征是缺乏永久的冷水中间层。
里海水位直接反映了其收支平衡。由于里海目前未与全球海洋相连，总河流入流是其水量平衡的主要组成部分。其他收入项包括大气降水和地下水。降水在海面分布不均：开阔海域为180-200 mm/年，西岸为300-400 mm/年，西南部高达1700 mm/年；而东岸降水很少超过100 mm/年。地下水通常估计仅占总入水量的约3%。但其对里海水量平衡的贡献仍不确定。支出项包括向卡拉博加兹戈尔湾的流出（据估计约占2-5%）和蒸发。平均而言，里海通过蒸发释放到大气中的水量是其接收降水量的五倍，目前这一比例甚至更高。里海水量平衡的组成部分与其水位一样，在历史上自然变化。
除受现代侵蚀影响的区域外，第四纪沉积物在里海大部分海床发育。Khvalynian沉积物构成上第四纪地层序列的一个组成部分。其地层位置如图1所示。根据天然露头和海洋阶地的研究，主流观点认为Khvalynian沉积物在该区域形成广阔的低洼地表，分布高程约从海拔-20米至+45-50米。综合研究描述了其内部结构，建立了生物地层框架，并提出了几种备选的年代地层方案。
Khvalynian高海面的发展涉及一系列海侵-海退事件，其特征是复杂的正负水位波动层级。这些波动由多种因素的综合影响造成，包括气候、水文网络配置、地表和地下径流量，以及盆地内的构造和地震活动。气候强迫通常被认为是控制Khvalynian期水位波动的主导因素。
在Khvalynian高海面内，通常识别出两个主要阶段：早期Khvalynian和晚期Khvalynian，两者由埃诺塔耶夫海退分隔。与此同时，一些作者将这些阶段解释为独立的海侵事件。Khvalynian沉积物在整个里海地区广泛分布，见于众多独立剖面和连续剖面中。
下（早）Khvalynian沉积物分布在高程0至+50米（海拔）范围内，反映了早期Khvalynian海侵规模更大、海平面更高。除了最大岸线外，在约+35、+22、+15和+6米（海拔）高程处已追踪到明确的岸线。早期Khvalynian盆地的指相种是Didacna parallela和D. protracta。
上（晚）Khvalynian沉积物分布在高程-20至0米（海拔）范围内，表明随后的海侵规模较小。在0米、-6米和-12米（海拔）高程处已识别出岸线。晚期Khvalynian盆地以D. praetrigonoides为特征。在同一剖面中同时存在这两个单元的地区，上（晚）Khvalynian沉积物在地层上位于下（早）Khvalynian沉积物之上。
Khvalynian沉积物的细分主要基于沿海剖面的地貌特征和软体动物组合。近年来，建立了广泛的放射性碳和光释光年代数据库，使得这些沉积物可被广泛归因于海洋同位素阶段（MIS）2，以及从末次消融开始到全新世开始的时段。
在对里海北部钻孔所获沉积序列的综合研究中，识别出另一个Khvalynian沉积层。这些沉积物基底为浅水、粗粒，向上过渡为相对较深水的沉积物。放射性碳测年表明沉积物堆积发生在MIS 3的后半段；然而，使用液体闪烁计数（LSC）和加速器质谱（AMS）方法获得的结果显示出显著差异。LSC方法给出36–20.5 kyr cal BP的年龄，而AMS测年则显示更老的年龄范围，为50–26 kyr cal BP，这意味着Khvalynian海侵的开始可能更早。根据Yanina (2020)的观点，钻孔穿透了以前未知的Khvalynian海侵早期阶段（古Khvalynian）的沉积物，该阶段在里海海岸不明显。然而，Bezrodnykh等人 (2004, 2015) 和 Sorokin等人 (2023) 则认为这些沉积物属于早期Khvalynian高海面的沉积物。他们将此海侵的发展归因于MIS 3的后半段。相反，他们将所有在MIS 2、末次盛冰期（LGM）之后形成的沉积物归因于晚期Khvalynian高海面。这些相反的解释表明这些沉积物的时代仍存在争议。
钻孔数据表明里海在末次盛冰期（LGM）经历了海退，尽管这次海退的规模仍不确定。一些研究人员将此次低海面归因于埃诺塔耶夫海退。然而，Yanina将其解释为发生在古Khvalynian和早期Khvalynian海侵阶段之间的埃尔顿阶段。
基于对现有放射性碳数据库（234个日期）的分析，Makshaev和Tkach (2023) 建议Khvalynian高海面的年龄范围估计为从46到8.5 kyr BP。最密集的测年结果集中在17–12.5 kyr BP区间。埃诺塔耶夫海退发生在新仙女木期（12.8–11.7 kyr BP），晚期Khvalynian海侵则发育在11至8.5 kyr BP之间。
对下Khvalynian沉积物的光释光（OSL）测年表明其形成于伏尔加河下游地区和西土库曼凹陷，时间为27至14 kyr BP之间。然而，晚期Khvalynian阶段的时间和持续时间仍不充分，需要进一步研究。
在早期Khvalynian海侵阶段，已重建了马内奇海峡的开启以及随后单向向黑海盆地的水流。从在马内奇露头发现的早期Khvalynian阶段沉积物中获得的一系列放射性碳测年和OSL测年结果表明，沉积物堆积发生在末次消融期间，大致在18至14 kyr BP之间。
低镁方解石被认为是保存沉积环境锶同位素特征的最合适矿物相。因此，保存完好的碳酸盐壳体，如软体动物的壳体，代表了锶同位素分析最合适的材料。在碳酸盐沉淀过程中，生物体从周围水体中吸收锶，从而记录其$^{87}$Sr/$^{86}$Sr比值。软体动物就是这样一个群体。
质量平衡建模的基本原理是质量守恒。对于一个处于稳态的系统，总输入等于总输出。作为一个孤立的内陆水体，里海的水量收支受河流入流、地下水排泄、蒸发和降水控制。相比之下，里海的锶同位素组成主要由河流和地下水通量控制。因此，综合河流补给的平均$^{87}$Sr/$^{86}$Sr比值...
本研究所有采样标本均采集于重建的Khvalynian高海面范围内的区域，因此这些壳体可被视为来源于Khvalynian海侵期间沉积的海洋沉积物。数据集包括19个已测年和15个未测年的标本，分别在图4中用实心和空心三角形表示。为了将锶同位素数据置于年代地层框架内，研究人员提供了可用的年龄数据。
Khvalynian时期软体动物壳体中的锶同位素值系统性地高于现代里海水观测值。鉴于河流输入主导了现代里海的锶同位素收支，对升高了的Khvalynian $^{87}$Sr/$^{86}$Sr比值的首要解释是河流输送的放射成因锶的量和/或组成发生了变化。这促使研究人员评估里海流域内河流径流量和源区贡献的可能变化...
Khvalynian软体动物壳体中测得的$^{87}$Sr/$^{86}$Sr比值始终比现代里海水更具放射成因性，表明在末次消融期间里海的锶收支发生了显著变化。利用更新的锶质量平衡模型，研究人员证明，当今里海集水区内河流径流量的合理变化无法重现所观测到的同位素信号。锶同位素质量平衡计算要求一个额外的水源，该水源必须同时提供高$^{87}$Sr/$^{86}$Sr比值和足够高的锶浓度以满足混合要求。根据里海流域内潜在河流水源的地理和地球化学特征，研究人员确定阿姆河系统是唯一在数量上可行的来源。这一发现首次提供了直接的地球化学证据，证明在Khvalynian海侵期间，来自东部的水系确实流入了里海盆地。该解释得到了支持晚更新世东部水流入里海的独立地质和地貌证据的加强。模型结果还表明，在早期Khvalynian高海面期间，阿姆河的贡献可能超过伏尔加河。这突显了在重建古水文机制和水量平衡时考虑跨流域水交换过程的重要性。
