[論文レビュー] R scripting libraries for comparative analysis of the correlation methods to iden- tify factors affecting Mariana Trench formation

Polina Lemenkova|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Geological Studies and Exploration参考文献 10被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、マリアナ海溝の形成に影響を与える主要な環境要因を特定するために、Rスクリプトライブラリを用いてピアソン、スピアマン、ケンダール相関法を比較した。水深、構造的、地質的データを用いて、堆積物厚さ、勾配角、テクトニックプレートのダイナミクスが最も影響力のある要因であると特定した。相関図と主成分分析（PCA）による統計的可視化により、これらの要因が海溝のジオモルフォロジーに与える支配的役割が確認された。

ABSTRACT

Mariana trench is the deepest place on the Earth. It crosses four tectonic plates of the Pacific Ocean: Mariana, Caroline, Pacific and Philippine. The formation of the trench is caused by the complex interconnection of various environmental factors. The aim of this study was to describe and characterize various impact factors affecting formation of the Mariana trench geomorphology and continental margin environments using R programming language and mathematical algorithms of correlation methods written on R code. To record the system of geological, tectonic, geographic, oceanological and bathymetric features affecting Mariana trench, a combination of statistical methods, GIS and R programming codes were applied. The questions answered are as follows: which factors are the most influencing for the Mariana trench morphology, and to what extend do they affect its development? Is sedimental thickness of the ocean trench basement more important factors for the trench formation comparing to the steepness slope angle and aspect degree? Three methods of computing were tested: Pearson correlation, Spearman correlation, Kendall correlation, numerical correlogram, correlation matrix and cross-correlatios to analyze environmental impact factors. The correlogram matrices are computed and visualized by R scripting libraries. Complex usage of programming tools, mathematical statistics and geospatial analysis enabled to get a differentiated understandings of the hadal environments of the Mariana trench. The results revealed following three types of factors having the highest score: geometric (tg° slope angle), geologic (sedimental thickness) and tectonic structure. The results furthermore indicated that tectonic plates, sedimental thickness of the trench basement and igneous volcanic areas causing earthquakes play the most essential role in the geomorphology of the trench.

研究の動機と目的

• マリアナ海溝のジオモルフォロジーに影響を与える最も影響力のある環境要因を特定・順位付けすること。
• ピアソン、スピアマン、ケンダール相関法が、地理空間的影響要因を分析する上でどの程度有効であるかを比較すること。
• Rスクリプトライブラリを活用して相関行列およびクロス相関の統計的可視化を構築・適用すること。
• 堆積物厚さ、勾配の急さ、傾斜方位度、テクトニック構造が海溝形成に与える相対的寄与度を評価すること。

提案手法

• ピアソン、スピアマン、ケンダール相関係数の計算に、統計ライブラリを活用したRプログラミングを適用した。
• 数値的相関図と相関行列を用いて、環境要因間の関係を可視化した。
• 水深プロファイルにおけるクロス相関分析を実施し、時間的・空間的依存性を同定した。
• 25のプロファイルにわたる水深データにおける主要パターンを特定するために主成分分析（PCA）を実施した。
• GISデータをRスクリプトと統合し、テクトニックプレート境界やボルケニック活動の近接度といった地理空間変数を処理・可視化した。
• ggcorrおよびカスタムR関数を用いて、影響要因の散布図行列および階層的ツリーマップを生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの環境要因がマリアナ海溝のジオモルフォロジーに最も強く影響を与えるか？
• RQ2 堆積物厚さ、勾配角、傾斜方位度は、海溝形成に及ぼす影響においてどのように比較されるか？
• RQ3 テクトニックプレートのダイナミクスとボルケニック活動は、海溝発達とどの程度相関しているか？
• RQ4 ピアソン、スピアマン、ケンダールといった異なる相関法は、地理空間変数間の有意な関係を特定する上で、それぞれどの程度の性能を示すか？
• RQ5 テクトニック、水深的、地質的要因が、海溝の全体的な形態的構造に与える相対的寄与度はいかほどか？

主な発見

• 海溝の基盤における堆積物厚さは、海溝の形態に強く関連する3大要因の一つと特定され、強い統計的相関が確認された。
• 勾配角（tg°）は、主要な幾何的要因として浮上した。平均の勾配は4–5度程度であり、特に海底峡谷域ではより急傾斜であった。
• マリアナ、太平洋、フィリピンプレートが関与するテクトニックプレート境界および沈み込みダイナミクスは、海溝形成と最も高い相関を示した。
• 火成ボルケニック活動および関連する地震活動は、特にテクトニック不安定性を引き起こす要因として顕著な寄与を示した。
• ケンダールのtau-b相関法は、同じ順位のデータ（ tied data ）を効果的に処理でき、テクトニック構造と地形発達との間の強い順序的関連性を確認した。
• PCAと散布図行列の結果、25の解析対象断面にわたる水深プロファイル同士が強く相関しており、一貫性のある形態的パターンが存在することが示された。