[논문 리뷰] R scripting libraries for comparative analysis of the correlation methods to iden- tify factors affecting Mariana Trench formation

Polina Lemenkova|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Geological Studies and Exploration참고 문헌 10인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 마리아나 열대 형성에 영향을 미치는 주요 환경 요인을 규명하기 위해 R 스크립팅 라이브러리를 활용하여 피어슨, 스피어만, 켄달 상관계수 방법을 비교한다. 수심, 구조적, 지질학적 자료를 사용하여 퇰크톤 플레이트 동역학, 퇴적물 두께, 기울기 각도가 가장 영향력 있는 요인으로 규명되었으며, 상관계수도표 및 주성분 분석(PCA)을 통한 통계적 시각화로 이들이 열대의 지형형태를 형성하는 데 지배적인 역할을 한다고 확인된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 마리아나 열대 지형형태에 영향을 미치는 가장 영향력 있는 환경 요인을 규명하고 순위를 매긴다.
• 피어슨, 스피어만, 켄달 상관계수 방법이 지공간적 영향 요인을 분석하는 데 있어 효과적으로 작용하는지 비교한다.
• 상관계수 행렬 및 상관관계를 위한 R 스크립팅 라이브러리를 개발하고 적용한다.
• 퇴적물 두께, 기울기 기울기, 기울기 각도, 테크톤 구조가 열대 형성에 미치는 상대적 기여도를 평가한다.

제안 방법

• 피어슨, 스피어만, 켄달 상관계수를 계산하기 위해 통계 라이브러리를 활용한 R 프로그래밍을 적용한다.
• 수치적 상관계수도표 및 상관계수 행렬을 사용하여 환경 요인 간의 관계를 시각화한다.
• 수심 깊이 프로파일에 대한 교차상관계수 분석을 수행하여 시간적·공간적 종속성을 탐지한다.
• 25개 프로파일에 걸친 수심 데이터에서 주요 패턴을 규명하기 위해 주성분 분석(PCA)을 수행한다.
• GIS 자료를 R 스크립트와 통합하여 테크톤 플레이트 경계 및 화산 근접도와 같은 지공간 변수를 처리하고 시각화한다.
• ggcorr 및 커스텀 R 함수를 활용하여 영향 요인의 산점도 매트릭스 및 계층적 트리맵을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 환경 요인이 마리아나 열대의 지형형태에 가장 강하게 영향을 미치는가?
• RQ2 퇴적물 두께, 기울기 각도, 기울기 각도가 열대 형성에 미치는 영향을 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ3 테크톤 플레이트 동역학 및 화산 활동이 열대 발달과 얼마나 관련이 있는가?
• RQ4 피어슨, 스피어만, 켄달 상관계수 방법이 지공간 변수 간의 유의미한 관계를 식별하는 데 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ5 테크톤, 수심, 지질학적 요인이 열대의 전체 지형적 구조에 기여하는 상대적 기여도는 얼마인가?

주요 결과

• 퇴적물 두께는 열대 기초의 지형형태와 강한 통계적 상관관계를 보이며, 영향력 있는 요인 중 세 가지 중 하나로 규명되었다.
• 기울기 각도(tg°)는 주요 기하학적 요인으로 부각되었으며, 평균 기울기는 약 4–5도로 나타났고, 해저 협곡 지역에서는 더욱 기울어져 있었다.
• 마리아나, 태평양, 필리핀 플레이트가 관여하는 테크톤 플레이트 경계 및 석출 동역학이 열대 형성과 가장 높은 상관관계를 보였다.
• 화산 활동 및 관련 지진 활동은 특히 테크톤적 불안정성을 유발함으로써 중요한 기여를 하였다.
• 켄달 타우-b 상관계수 방법은 동일한 값이 있는 데이터를 효과적으로 처리하였고, 테크톤 구조와 지형 발달 간의 강한 순서적 연관성을 확인하였다.
• PCA 및 산점도 매트릭스 분석을 통해 분석된 25개의 수심 깊이 프로파일 간에 높은 상관관계가 존재함을 확인하였으며, 이는 일관된 지형형태 패턴을 시사한다.