Analysis of functional magnetic resonance imaging time series by independent component analysis

Independent Component Analysis, Time Series Analysis, Functional Magnetic Resonance Imaging

Quantitative component analysis of the coarse fraction of surface sediments from the Persian Gulf

In the Persian Gulf and the Gulf of Oman marl forms the primary sediment cover, particularly on the Iranian side. A detailed quantitative description of the sediment components > 63 µ has been attempted in order to establish the regional distribution of the most important constituents as well as the criteria governing marl sedimentation in general. During the course of the analysis, the sand fraction from about 160 bottom-surface samples was split into 5 phi° fractions and 500 to 800 grains were counted in each individual fraction. The grains were cataloged in up to 40 grain type catagories. The gravel fraction was counted separately and the values calculated as weight percent. Basic for understanding the mode of formation of the marl sediment is the "rule" of independent availability of component groups. It states that the sedimentation of different component groups takes place independently, and that variation in the quantity of one component is independent of the presence or absence of other components. This means, for example, that different grain size spectrums are not necessarily developed through transport sorting. In the Persian Gulf they are more likely the result of differences in the amount of clay-rich fine sediment brought in to the restricted mouth areas of the Iranian rivers. These local increases in clayey sediment dilute the autochthonous, for the most part carbonate, coarse fraction. This also explains the frequent facies changes from carbonate to clayey marl. The main constituent groups of the coarse fraction are faecal pellets and lumps, the non carbonate mineral components, the Pleistocene relict sediment, the benthonic biogene components and the plankton. Faecal pellets and lumps are formed through grain size transformation of fine sediment. Higher percentages of these components can be correlated to large amounts of fine sediment and organic C. No discernable change takes place in carbonate minerals as a result of digestion and faecal pellet formation. The non-carbonate sand components originate from several unrelated sources and can be distinguished by their different grain size spectrum; as well as by other characteristics. The Iranian rivers supply the greatest amounts (well sorted fine sand). Their quantitative variations can be used to trace fine sediment transport directions. Similar mineral maxima in the sediment of the Gulf of Oman mark the path of the Persian Gulf outflow water. Far out from the coast, the basin bottoms in places contain abundant relict minerals (poorly sorted medium sand) and localized areas of reworked salt dome material (medium sand to gravel). Wind transport produces only a minimal "background value" of mineral components (very fine sand). Biogenic and non-biogenic relict sediments can be placed in separate component groups with the help of several petrographic criteria. Part of the relict sediment (well sorted fine sand) is allochthonous and was derived from the terrigenous sediment of river mouths. The main part (coarse, poorly sorted sediment), however, was derived from the late Pleistocene and forms a quasi-autochthonous cover over wide areas which receive little recent sedimentation. Bioturbation results in a mixing of the relict sediment with the overlying younger sediment. Resulting vertical sediment displacement of more than 2.5 m has been observed. This vertical mixing of relict sediment is also partially responsible for the present day grain size anomalies (coarse sediment in deep water) found in the Persian Gulf. The mainly aragonitic components forming the relict sediment show a finely subdivided facies pattern reflecting the paleogeography of carbonate tidal flats dating from the post Pleistocene transgression. Standstill periods are reflected at 110 -125m (shelf break), 64-61 m and 53-41 m (e.g. coare grained quartz and oolite concentrations), and at 25-30m. Comparing these depths to similar occurrences on other shelf regions (e. g. Timor Sea) leads to the conclusion that at this time minimal tectonic activity was taking place in the Persian Gulf. The Pleistocene climate, as evidenced by the absence of Iranian river sediment, was probably drier than the present day Persian Gulf climate. Foremost among the benthonic biogene components are the foraminifera and mollusks. When a ratio is set up between the two, it can be seen that each group is very sensitive to bottom type, i.e., the production of benthonic mollusca increases when a stable (hard) bottom is present whereas the foraminifera favour a soft bottom. In this way, regardless of the grain size, areas with high and low rates of recent sedimentation can be sharply defined. The almost complete absence of mollusks in water deeper than 200 to 300 m gives a rough sedimentologic water depth indicator. The sum of the benthonic foraminifera and mollusca was used as a relative constant reference value for the investigation of many other sediment components. The ratio between arenaceous foraminifera and those with carbonate shells shows a direct relationship to the amount of coarse grained material in the sediment as the frequence of arenaceous foraminifera depends heavily on the availability of sand grains. The nearness of "open" coasts (Iranian river mouths) is directly reflected in the high percentage of plant remains, and indirectly by the increased numbers of ostracods and vertebrates. Plant fragments do not reach their ultimate point of deposition in a free swimming state, but are transported along with the remainder of the terrigenous fine sediment. The echinoderms (mainly echinoids in the West Basin and ophiuroids in the Central Basin) attain their maximum development at the greatest depth reached by the action of the largest waves. This depth varies, depending on the exposure of the slope to the waves, between 12 to 14 and 30 to 35 m. Corals and bryozoans have proved to be good indicators of stable unchanging bottom conditions. Although bryozoans and alcyonarian spiculae are independent of water depth, scleractinians thrive only above 25 to 30 m. The beginning of recent reef growth (restricted by low winter temperatures) was seen only in one single area - on a shoal under 16 m of water. The coarse plankton fraction was studied primarily through the use of a plankton-benthos ratio. The increase in planktonic foraminifera with increasing water depth is here heavily masked by the "Adjacent sea effect" of the Persian Gulf: for the most part the foraminifera have drifted in from the Gulf of Oman. In contrast, the planktonic mollusks are able to colonize the entire Persian Gulf water body. Their amount in the plankton-benthos ratio always increases with water depth and thereby gives a reliable picture of local water depth variations. This holds true to a depth of around 400 m (corresponding to 80-90 % plankton). This water depth effect can be removed by graphical analysis, allowing the percentage of planktonic mollusks per total sample to be used as a reference base for relative sedimentation rate (sedimentation index). These values vary between 1 and > 1000 and thereby agree well with all the other lines of evidence. The "pteropod ooze" facies is then markedly dependent on the sedimentation rate and can theoretically develop at any depth greater than 65 m (proven at 80 m). It should certainly no longer be thought of as "deep sea" sediment. Based on the component distribution diagrams, grain size and carbonate content, the sediments of the Persian Gulf and the Gulf of Oman can be grouped into 5 provisional facies divisions (Chapt.19). Particularly noteworthy among these are first, the fine grained clayey marl facies occupying the 9 narrow outflow areas of rivers, and second, the coarse grained, high-carbonate marl facies rich in relict sediment which covers wide sediment-poor areas of the basin bottoms. Sediment transport is for the most part restricted to grain sizes < 150 µ and in shallow water is largely coast-parallel due to wave action at times supplemented by tidal currents. Below the wave base gravity transport prevails. The only current capable of moving sediment is the Persian Gulf outflow water in the Gulf of Oman.

Composition of sediments from the north-west African continental margin

Entlang dreier Profile vom NW-afrikanischen Kontinentalrand wurden Oberflächensedimente aus Wassertiefen zwischen 39m und 1514m auf ihre Zusammensetzung der Sandfraktion, auf ihre Gehalte an Karbonat und organischer Substanzen sowie auf ihre mineralogische Zusammensetzung hin untersucht. 1) Die auf dem Schelf und dem oberen Hang abgelagerten Sedimente (<500m) zeichnen sich durch hohe Sandgehalte (>70%) und durch hohe Grob/Fein-Verhältnisse aus. Unterhalb dieses Bereiches nimmt der Einfluß von Strömungen, die die Ablagerung von wesentlichen Mengen an Feinmaterial oberhalb 500m verhindern, ab, wie die starke Abnahme des Sandgehaltes, des Quarz/Glimmer und des Grob/Fein-Verhältnisses zeigen. Die Sedimente aus diesen Wassertiefen werden zum großen Teil aus Partikeln der Siltfraktion aufgebaut. Mit zunehmender Tiefe ist auch eine Zunahme der Tonfraktion zu beobachten, wobei höhere Tonanteile (>10%) erst in Tiefen unterhalb von 1200m auftreten. 2) Die quantitative Komponentenanalyse der Sandfraktion zeigt, daß der karbonatische Anteil fast ausschließlich biogener Herkunft ist. Er besteht zum wesentlichen Teil aus planktonischen Komponenten, vorwiegend Foraminiferen und mengenmäßig nur sehr untergeordnet auftretenden Pteropoden. Das opalkieselige Plankton (Diatomeen, Radiolarien) ist nur in geringen Mengen in den untersuchten Proben vorhanden. Auch das Benthos stellt nur eine untergeordnete Komponente der Sandfraktion dar. Vor allem der Anteil von Foraminiferen und Mollusken nimmt mit zunehmender Wassertiefe relativ deutlich ab. Die übrigen benthonischen Komponenten sind im Sediment nur in geringen Anteilen vertreten. 3) Hauptsedimentbildner im Profil Nouakchott sind die nichtbiogenen, terrigen-detritischen Sandkomponenten. Sie bestehen vorwiegend aus Quarz und mit zunehmender Wassertiefe aus Kotpillen bzw. Kotpillenaggregaten. Je nach Tiefe treten vor allem Glimmer (>1000m) und Glaukonit (<800m) hinzu. Die restlichen Komponenten treten nur gelegentlich und in äußerst geringen Mengen im rezenten Oberflächensediment auf. 4) Quarz wird als Windstaub mit dem NE-Passat und vor allem durch den "Harmattan" aus der Sahara heraustransportiert und vorwiegend über dem Schelfbereich sedimentiert. Windstaubmaterial besteht primär weitgehend aus Siltkorngrößen, die vor Nouakchott über die Schelfkante hinaustransportiert werden und zu einer Grobsiltanreicherung am mittleren Hang führen. 5) Das Verhältnis zwischen den karbonatischen Biogenkomponenten und den nichtbiogenen Partikeln spiegelt sich deutlich in der Karbonatverteilung sowohl des Gesamtsedimentes als auch der Sandfraktion wider. Relativ hohe Karbonatgehalte vor Cap Leven im Norden stehen sehr geringen Anteilen von Nouakchott gegenüber. Mit zunehmender Wassertiefe ist eine deutliche Abnahme des Karbonatanteils zu verfolgen. 6) Die Tatsache, daß das Profil Cap Blanc im Bereich des ganzjährigen Auftriebs liegt, spiegelt sich nicht in der Zusammensetzung der Sandfraktion wider. Südlich der Zone des ganzjährigen Auftriebs weisen verschiedene Parameter (Radiolarien, Diatomeen, Verhältnis von Radiolarien zu planktonischen Foraminiferen, Benthos/Plankton-Verhältnis der Foraminiferen) trotz abnehmender Auftriebsintensität eher steigende Werte auf. Dies ist wesentlich auf eine infolge des Nährstoffeintrages durch Flußzufuhr bedingte Verschiebung der maximalen Primärproduktion weit in südliche Richtung zurückzuführen. 7) In den aufgeführten Parametern zeigen sich von Profil zu Profil sehr deutliche fazielle Unterschiede, obwohl der großklimatische Hintergrund im gesamten Untersuchungsgebiet etwa gleich ist. Vor Cap Leven bildet sich eine Fazies, die im wesentlichen aus planktonischen Foraminiferen besteht, während das Sediment vor Nouakchott zum überwiegenden Teil aus nichtbiogenen Komponenten aufgebaut wird. Im Übergangsbereich vor Cap Blanc bildet sich eine Mischfazies, die keinerlei Prägung durch das Auftriebsgeschehen erhält. Die Ursachen dieser faziellen Unterschiede werden auf fehlenden Terrigeneinfluß vor Cap Leven einerseits und hohe Terrigenanlieferung vor Nouakchott andererseits zurückgeführt. 8) Die Zusammensetzung und Verteilung der rezenten Grobfraktionssedimente am Kontinentalrand vor Nw-Afrika wird somit im wesentlichen als Ergebnis einer Überprägung der Biogenanlieferung durch nichtbiogene Komponenten angesehen. Wesentlicher steuernder Faktor ist demnach das hier vorherrschende Windsystem.