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문제 정의
- 이번 연구에서는 점토광물 네 가지의 정보를 동시에 반영한 다각적인 방법을 위해 주성분분석을 활용하여 황해 남동 이질대의 근원지를 추정하였다. 황해 남동 이질대 부근에서 채취된 51개 시료의 점토광물 반정량 분석을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 주성분분석을 수행하여 성분들 사이의 관계를 통해 시각적으로 황해 남동 이질대의 기원지를 유추해 보고자 한다.
제안 방법
- 만일 점토광물 네 개를 동시에 이용하여 기원지를 해석할 수 있다면 보다 종합적으로 자료를 해석할 수 있을 것으로 여겨진다. 2차원적인 연구 방법으로는 기원지 해석에 제약이 많을 수 있지만 좀 더 다각적인 방법에서 실험 결과를 해석하기 위해 주성분분석을 도입하여 연구를 수행해 보았다.
- R 언어의 compositions 패키지의 acomp 클래스의 princomp 함수를 사용하여 구성비 데이터(compositional data)에 대한 주성분분석을 실시하고 행⋅열도를 작성하였다(Aitchison and Greenacre, 2002).
- 0 × 107 tons으로써 한국 강으로부터 유입되는 퇴적물의 양보다 10배 이상 많다고 밝혀졌다. 남부지역의 퇴적 속도가 0에 가까운 데에도 불구하고 두꺼운 퇴적물이 쌓여있는 이유는 북부지역에 존재하는 퇴적층의 침식에 의하여 남부로 이동한 때문으로 해석하였다. 북부지역에 축적된 퇴적물의 양이 한국 강으로부터 유입되는 퇴적물의 양보다 10배 이상 많은 이유는 남부지역에 쌓여있는 두꺼운 퇴적층이 해류에 의하여 재동(reworking)되어 한국 강으로부터 유입된 퇴적물과 합쳐진 덕분으로 해석한다(Park et al.
- 이번 연구에서는 점토광물 네 가지의 정보를 동시에 반영한 다각적인 방법을 위해 주성분분석을 활용하여 황해 남동 이질대의 근원지를 추정하였다. 황해 남동 이질대 부근에서 채취된 51개 시료의 점토광물 반정량 분석을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 주성분분석을 수행하여 성분들 사이의 관계를 통해 시각적으로 황해 남동 이질대의 기원지를 유추해 보고자 한다.
- 황해 남동 이질대 해양표층퇴적물 시료 51개와 중국(황하, 양쯔강) 하천퇴적물 시료 7개, 한국(한강, 금강, 영산강) 하천퇴적물 시료 26개의 점토광물 반정량 X선 회절분석법에 의한 결과를 바탕으로 주성분분석을 실시하여, 황해 남동 이질대의 퇴적물 기원지 연구에 대한 결과는 다음과 같다.
- Table 1은 황해 남동 이질대 남부지역과 북부지역의 분석결과로 제1주성분부터 제3주성분까지 각 주성분별 표준편차와 분산비율 및 누적비율을 수치로 나타낸 것이다. 황해 남동 이질대의 기원지를 분석하는데 제1주성분과 제2주성분만을 사용하여 주성분분석을 수행하였다(Fig. 2A, 1B). 많은 주성분을 활용할수록 원변수의 정보를 효과적으로 반영할 수 있지만 3개 이상의 주성분을 사용하게 되는 경우 2차원의 그림으로는 표현할 수 없기 때문에 시각화하는데 어려움이 따른다.
- 황해 퇴적물의 주요 공급원으로 여겨지는 중국 대륙의 황하와 양쯔강 및 한반도(한강, 금강, 영산강)의 주요 강들 그리고 한반도 서남해 연안에 발달하고 있는 황해 남동 이질대에서 총 51개의 표층퇴적물 시료를 채취하여 점토광물 반정량 X선회절분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 서론에서도 살펴본 바와 같이 황해 퇴적물의 대부분이 한반도의 서해안과 중국 대륙의 동해안으로 유입되는 하천으로부터 공급되기 때문에 황해 남동 이질대의 표층퇴적물 기원지를 규명하기 위하여 황해로 유입되는 하천퇴적물 시료를 사용하였다. 사용된 하천 퇴적물 시료는 중국 대륙의 황하와 양쯔강에서 4개와 3개, 한반도 서남해안의 한강, 금강, 영산강에서 각각 14개, 9개, 3개로 모두 33개의 시료를 이용하였다. 이들 시료의 처리 과정과 점토광물에 대한 반정량분석 방법은 Cho et al.
- 시료 채취는 2001년, 2010년, 2011년에 각각 3개, 20개, 28개를 한국해양과학기술원 소속의 이어도호와 온누리호를 통하여 수행되었다. 서론에서도 살펴본 바와 같이 황해 퇴적물의 대부분이 한반도의 서해안과 중국 대륙의 동해안으로 유입되는 하천으로부터 공급되기 때문에 황해 남동 이질대의 표층퇴적물 기원지를 규명하기 위하여 황해로 유입되는 하천퇴적물 시료를 사용하였다. 사용된 하천 퇴적물 시료는 중국 대륙의 황하와 양쯔강에서 4개와 3개, 한반도 서남해안의 한강, 금강, 영산강에서 각각 14개, 9개, 3개로 모두 33개의 시료를 이용하였다.
- 1). 시료 채취는 2001년, 2010년, 2011년에 각각 3개, 20개, 28개를 한국해양과학기술원 소속의 이어도호와 온누리호를 통하여 수행되었다. 서론에서도 살펴본 바와 같이 황해 퇴적물의 대부분이 한반도의 서해안과 중국 대륙의 동해안으로 유입되는 하천으로부터 공급되기 때문에 황해 남동 이질대의 표층퇴적물 기원지를 규명하기 위하여 황해로 유입되는 하천퇴적물 시료를 사용하였다.
- (2012)의 Table 1에 자세하게 제시되어 있다. 이번 연구에 사용된 시료를 그 위치에 따라 남부 지역과 북부 지역으로 나눌 경우 남부 지역과 북부 지역에 해당하는 시료의 수는 각각 26개, 25개로 분리된다. 황해 남동 이질대 내 4가지 주요 점토광물의 전반적인 분포 양상은 일라이트가 북서쪽과 남쪽에서 상대적으로 높은 함량을 보이는 것과 대조적으로 스멕타이트는 중앙부와 북동쪽에서 높은 함량을 가지고, 북서쪽과 남쪽으로 갈수록 그 값이 감소하는 경향을 보인다.
- 이번 연구에는 황해 남동 이질대에서 채취된 51개의 해양표층퇴적물 시료를 이용하였다(Fig. 1). 시료 채취는 2001년, 2010년, 2011년에 각각 3개, 20개, 28개를 한국해양과학기술원 소속의 이어도호와 온누리호를 통하여 수행되었다.
데이터처리
- 또한 자료를 분석하는 데에 있어서는 원변수의 변동을 설명하는 비율이 누적 80% 이상인 주성분만을 이용한다. 다변량 자료 속에서 통계분석 소프트웨어를 통하여 주성분을 형성하고, R 프로그램을 이용하여 주성분분석을 실시하였다.
이론/모형
- R 언어의 compositions 패키지의 acomp 클래스의 princomp 함수를 사용하여 구성비 데이터(compositional data)에 대한 주성분분석을 실시하고 행⋅열도를 작성하였다(Aitchison and Greenacre, 2002). acomp 클래스의 princomp 함수는 군집분석을 위한 ClusterFinder 1 함수에서와 같이, 입력데이터에 대하여 clr(centered logratio transformation) 변환을 실시한 후 이 변환데이터에 대해 주성분분석 절차를 적용한다. clr 변환은 D-성분(D-part) 심플렉스 상의 한 구성비 벡터를 등거리적으로(isometrically) D 차원의 유클리드 벡터 부분공간에 사상한다.
- 점토광물 반정량 X선 회절분석법에 의하여 결정된 주요 점토광물의 함량을 바탕으로 다변량분석 다차원적인 통계적 방법 중의 하나인 주성분분석법을 적용하여 황해 남동 이질대 퇴적물의 근원지를 추정하였다. 다변량분석이란 변수를 개별적으로 분석하는 것이 아니라 서로의 상관관계를 고려하여 여러 변수를 동시에 분석하는 것으로 변수들 간의 상관관계를 활용하여 데이터의 차원을 축약하는 주성분분석과 개체 유사성(거리)을 이용하여 개체를 분류하는 군집분석이 대표적이다.
성능/효과
- (1) 황해 남동 이질대의 남부 지역과 북부 지역 퇴적물의 점토광물 함량 특성이 거의 차이가 나지 않는다.
- (2) 원변수의 정보를 98% 이상 반영하는 제1주성분과 제2주성분을 이용하여 행렬도를 작성하여, 주성분분석을 실시한 결과는 황해 남동 이질대 퇴적물이 한국 서해안으로 유입되는 하천으로부터 유래했음을 지시한다.
- (3) 황해 남동 이질대의 현재 퇴적속도에 비하여 두꺼운 퇴적물이 쌓여있는 이유는 해류에 의하여 재동되어 한국 강으로부터 유입된 퇴적물과 합쳐진 덕분으로 해석된다.
- 고해상도 탄성파 탐사 자료와 퇴적물 시료에 대한 연구를 통하여 황해 남동 이질대남부지역의 현재 퇴적속도는 거의 0에 가깝고, 북부지역의 퇴적률은 연간 3.0 × 107 tons으로써 한국 강으로부터 유입되는 퇴적물의 양보다 10배 이상 많다고 밝혀졌다.
- 많은 주성분을 활용할수록 원변수의 정보를 효과적으로 반영할 수 있지만 3개 이상의 주성분을 사용하게 되는 경우 2차원의 그림으로는 표현할 수 없기 때문에 시각화하는데 어려움이 따른다. 또한, 이번 주성분분석에서는 여러 가지 오차를 고려하더라도 제1주성분과 제2주성분이 원변수의 정보를 약 99%까지 반영하고, 원변수도 4가지로 많지 않기 때문에 두 개의 주성분만으로 충분히 타탕한 결과를 해석할 수 있었다. Fig.
- , 2007b)의 결과와도 부합되는 것으로 여겨진다. 본 연구 결과도 황해 남동 이질대 퇴적물이 거의 전부 한국 서해안으로 유입되는 하천으로부터 유래한 것으로 생각한 많은 연구 결과와 매우 일치한다고 판단된다.
- , 2009). 이번 연구의 결과 역시 점토광물 함량과 분포 특성은 황해 남동 이질대 전체에서 거의 같은 양상을 보이므로 황해 남동 이질대 퇴적물의 일부가 중국강에 의하여 공급되었다는 주장과는 반대된다.
- 주성분분석을 통해 황해 남동 이질대는 남부 지역과 북부 지역 퇴적물이 거의 구분되지 않으며, 황하, 양쯔강 퇴적물보다 한국의 하천퇴적물과 더 유사한 것을 추정할 수 있다.
후속연구
- 기존 방법들은 대부분 하나 또는 두 개의 점토광물 자료를 이용하여 기원지를 해석하였기 때문에 기원지 해석에 있어 많은 제약이 있을 수밖에 없다. 만일 점토광물 네 개를 동시에 이용하여 기원지를 해석할 수 있다면 보다 종합적으로 자료를 해석할 수 있을 것으로 여겨진다. 2차원적인 연구 방법으로는 기원지 해석에 제약이 많을 수 있지만 좀 더 다각적인 방법에서 실험 결과를 해석하기 위해 주성분분석을 도입하여 연구를 수행해 보았다.
- (4) 주요 점토광물의 함량을 바탕으로 해양퇴적물의 기원지를 추정하는데 있어 주성분분석은 4가지 변수의 정보를 모두 반영하는 다차원적인 분석방법으로써 좀 더 명확한 결과를 도출하는 것을 가능하게 한다. 앞으로도 주성분분석은 퇴적물의 기원지를 유추하는데 기존의 분석방법보다 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
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