Acho que encontrei uma solução usando xdmx em vez de xrandr; Vou tentar isso em uma máquina virtual executando dois xservers (com dispositivos fictícios) mais xdmx como xserver primário.
Minha primeira tentativa com dois "xservers fictícios":
Xorg :2 -config /etc/X11/xorg.conf.dummy & // my "real screen"
Xorg :3 -config /etc/X11/xorg.conf.dummy & // my "vnc screen"
Xdmx :4 +xinerama -display localhost:2 -display localhost:3 &
x11vnc -display :3 -noshm
Funciona, mas agora eu tenho que dizer para trabalhar com o xserver número 4 e juntar tudo isso em um script bash à prova de falhas.