(1) ふつうの海洋マントル計画
(1-1) 経緯と計画の概要
海半球計画においては，西太平洋域に総合的地球物理観測ネットワークを構築して地球内部をグローバルな視点で見る基盤を整えた．また，地震と電磁気の海底長期機動観測装置を開発して，グローバルな観測網よりも高い解像度を獲得した．2004〜2009年度に実施した特定領域研究「スタグナントスラブ：マントルダイナミクスの新展開」（スタグナントスラブ計画）では，太平洋プレートの沈み込みに焦点をあて，観測網と機動観測からアプローチする我々のグループに国内の高温高圧実験グループと計算機シミュレーショングループを統合して，スラブの滞留と崩落のメカニズムおよびそのマントルダイナミクスおよびその地球史上の意義を明らかにした．一方で，海底機動観測データの質を陸上観測所のレベルにまで向上させることを目標に，自己浮上方式に頼らずに深海無人探査機（ROV）を利用して設置回収するタイプの海底機動観測装置（BBOBS-NXとEFOS）を開発してきた（(2-1)「次世代の観測システムの開発」参照）．こうして，「ふつうの海洋マントル計画」を実施する準備が整った．
現在我々は，科研費特別推進研究「海半球計画の新展開：最先端の海底地球物理観測による海洋マントルの描像」（ふつうの海洋マントル計画）を，2010年度から5カ年計画で実施しつつある．この計画は，新規開発の海底観測装置と従来の海底機動観測装置とを駆使して，海底拡大軸・ホットスポット・プレート収束帯などの影響を受けずにほぼ水平なマントル流があると期待される，「ふつう」の海洋マントルにおいて，(a) リソスフェア−アセノスフェア境界（LAB）の原因および (b) マントル遷移層の水分布という，2つの固体地球科学分野の根本的課題の解明を目指している．なお本計画は，海半球センターのメンバーだけでなく，室内実験や計算機シミュレーションなどの手法で研究課題に取り組む所内の他の部門・センターの教員や，JAMSTECの研究者が参加して実施されている．
具体的な観測実施海域は，北西太平洋のシャツキーライズの北西側（海域A）および南東側（海域B）の2海域に設定した（図1）．2010年6月には，海域Aに5観測点からなるパイロット観測を開始した．本格的な長期観測は，2011年3月の東日本大震災の影響で予定していたスケジュールが変更になり，2011年11月と2012 年8月の2回の研究船「かいれい」航海で開始した．2013年8月には，民間の作業船「かいゆう」によって自己浮上型装置を回収するとともに，新たな設置を行なった．
計画の最終年度にあたる 2014年度には2回の航海を実施した．１回目は，5月29日〜6月14日に実施した民間作業船「かいゆう」によるものである．この航海では，リソスフェア−アセノスフェア境界までの構造を詳細にイメージングすることを目的として，火薬による制御震源探査を行った後，海域Aの自己浮上型機器すべてを回収した．引き続き，研究船「かいれい」とROV「かいこう7000II」による航海（9月9日〜10月2日）を実施し，海域AおよびBに設置してあったほとんどの観測機器を回収した．得られたデータの解析により，ふつうの海洋マントルの謎（上記の(a)と(b)）を解明したいと考えている．
本研究のテーマは，内外の第一線研究者も取り組んでいる所で，同様の観測研究プロジェクトが欧米の研究グループによって計画あるいは実施されている．我々は最先端装置の開発において一歩先を進んでいるので，本研究計画終了後は，国際連携によって他の海域・海洋に我々の機動観測網の展開を主導したい．2015年3月3-6日に主催する国際シンポジウムでは，科学的成果を発表・議論するだけでなく，今後の観測研究の方向性についても議論することを予定している．以降の3節に，これまでに得られた科学的成果について述べる．
(1-2) 海底地震観測
2010年度から開始した特別推進研究「ふつうの海洋マントル計画」では，従来型の広帯域海底地震計（BBOBS）による観測に加えて，陸上観測点並の観測能力がある新型の広帯域海底地震計（BBOBS-NX）の導入が鍵となっている．大洋底下の詳細なマントル構造の解明には，BBOBSでは数年以上の長期間のデータ蓄積を要するが，このBBOBS-NXであれば1-2年程度で高精度な解析結果が得られるデータを取得することが期待できる．パイロット観測では2台を1年間，本観測では6台を2年間設置する．BBOBSもそれぞれの観測で3台，および12台を1年毎の設置回収を3年間実施し，データを蓄積させた．
観測航海は，JAMSTECの研究船・ROV（かいれい・かいこう7000II）および民間傭船を用いて，2010年以降6回実施し，継続した海底地震観測を行った．潜航作業が必須なBBOBS-NX（図2）については，2010/2012/2014年に設置（BBOBS-NXの設置・展開）および回収を行った．
全観測点でのノイズモデルを計算した結果からは，本海域でのノイズレベルは場所により大きく異なっているのが分かった．これは潜航作業で偶発的に出会う強い底層流の存在と関連していそうである．そのため，BBOBSでのノイズモデルが場所に依っては周期100秒付近での水平動ノイズレベルがNHNMより15-20dB高い場合もあった．一方でBBOBS-NXでは，水平動ノイズレベルが高い場合でも周期100秒付近でNHNMより10dB高い程度であった．また，両方式のBBOBS共に上下動のノイズレベルはNHNMとNLNMの中間程度と静かである．これらから，P波トモグラフィー・表面波解析・レシーバー関数解析といった波形を用いる解析手法が効果的に適用できることが期待される．更に2014年6月に実施した傭船航海では，4地点で大薬量の爆破を計11回行い，LABの構造を詳細に探るためのデータを取得し，解析を進めている．
(1-3) 海底電磁気機動観測
海底電磁気機動観測は，自由落下・自己浮上方式の海底電磁力計（OBEM）とROVを用いて設置する新規開発の展張型電場測定装置（EFOS）を用いて行っている．2010年より合計36台のOBEMを海域Aの17観測点および海域Bの8観測点に設置した．また5台のEFOSを海域Aの4観測点に設置した．2014年度までに海域Aの15点，海域Bの7点からOBEM30台を，海域Aの3点からEFOS4台を回収した．利用可能な全データを利用して，海域Aおよび海域Bの上部マントル1次元電気伝導度構造モデルを推定した．得られたモデルは，0.01 S/mよりも低電気伝導度な層が約80-100 kmの厚さを持ち，その下に約0.03 S/mの高伝導度領域があることを示している．低電気伝導度層の厚さは，B海域の方がA海域よりもやや厚い傾向が見える．この低電気伝導度層は，(2)で述べる先行プロジェクト（スタグナントスラブ計画）で得られたフィリピン海下マントルのそれと比べてやや厚いが，小笠原沖太平洋下マントルのそれと比較すると有意に薄い．それぞれの観測海域の平均的な海洋底年代は，海域Aが約130 Ma，海域Bが約140 Ma，フィリピン海が0-60 Ma，小笠原沖太平洋が 140-155 Maであり，年代差から予測される低温なリソスフェアの厚さと得られた電気伝導度構造は整合的でない．このことは，リソスフェアの厚さと年代との関係が単純な年代に伴う冷却モデルには従わないことを示唆する．太平洋の3海域については，もともと不均質で異なるポテンシャル温度と熱伝伝導度層の厚さ，水や二酸化炭素など揮発性成分を含むマントルがプレート冷却モデルによって冷却した場合を想定し，データを説明するこれらのパラメータの取り得る範囲とトレードオフ関係が明らかになりつつある．
(1-4) マントルの高分解能イメージング
「ふつうの海洋マントル計画」で回収した広帯域地震波形記録に加え，これまでに行われてきた広帯域海底地震観測で得られたデータ，太平洋に展開している海洋島地震観測網で得られたデータを用いて，北西太平洋地域の上部マントル3次元S波速度構造モデルを求めた．解析には有限波長効果と波線追跡を考慮した表面波3次元インバージョン手法を用いた．解析の結果，観測海域において横方向不均質が存在し，特に海域A, B間のS波1次元構造が顕著に異なる事が明らかになった．海域Aは過去の先行研究による速度モデルと調和的だが，海域Bは高速度であった．また，水平方向の方位異方性に関しても速度の速い方向が海域Aでは海洋底拡大方向に調和的であるが，海域Bではそれと異なる事が明らかになった．
(2) 深海底を含む西太平洋地域への地震・電磁気・測地観測網（海半球観測ネットワーク）の展開
(2-1) 次世代の観測システムの開発
(2-1-1) 次世代の海底地震・測地観測システムの開発
本所において共に海域地震観測を行う観測開発基盤センターと共同し，海底地震観測の高度化として複数次元での観測帯域拡大を進めている．現在，広帯域地震観測での機器の高機能化，機動的海底観測での測地学的帯域への拡大，および水深6000 mを越える超深海域での地震観測の実現，の3項目を具体的課題として機器開発を実行中である．
広帯域海底地震計（BBOBS）の平均的ノイズレベルを評価すると，長周期側での水平動のノイズレベルが陸上観測点での統計的上限に対して数倍以上高い．この対策として，低背なセンサー部をデータ記録部から独立させ海底面に埋設する構造の新型広帯域海底地震計（BBOBS-NX）を開発し，試験観測を2008〜2010年にJAMSTECのROVを利用して実施した．これらの観測結果から，自由落下方式でセンサー部を海底面に突入させて埋設することにより，陸上観測点並のノイズレベルが確保できることを確認した．これは既に(1-2)で触れたように，実用観測に供している．
このBBOBS-NXを基に，機動的に広帯域地震・傾斜同時観測を行うBBOBST-NXの開発を科研費（基盤C）の補助を2011〜2015年に受けて実施中である．2013年4月には，房総半島東沖の海域での1年間の長期試験観測を開始，2014年4月に無事回収した．2014年1月に設置地点のほぼ直下でスロースリップイベント(SSE)が発生しており，それに伴うと考えられる傾斜変動が記録された（図3）．2015年には2年間の長期試験観測を房総沖･宮城沖の2地点で開始する．
(2-1-2) 最先端の海底電場観測装置(EFOS)の開発
電磁気探査の到達可能深度は，測定する電磁場変動の周期（表皮効果）によって制御される．OBEM観測データのインバージョンによる最大探査深度は，周期1日以上で電場のS/Nが悪くなるために上部マントルの数百キロメートルに限定される．新しい長基線の展張型電場観測装置（EFOS）は，良質な長周期電場データを取得する目的で開発された．2004年にプロトタイプ装置を深海曳航体での設置による試験観測を行い，1日以上の長周期のS/Nが向上し，マントル遷移層の深さまでの探査を可能にすることが示された．高性能の新型の装置であるBBOBS-NXとEFOSとが開発されたことから，我々はその組み合わせによって従来は困難とされた地球科学上の問題に取り組む方向を目指した．両者を同一の航海で設置回収するために，EFOSをROVで設置するように変更した．ケーブル長が6 kmのタイプと2 kmのタイプがあり，それぞれEFOS-6およびEFOS-2と呼ぶ．
設置にあたっては，レコーダとケーブルボビンを鉄製のフレームの上に取付け，フレームを係留ブイにつないで投入する．フレームと係留ブイの間には音響切り離し装置を接続し，全体が着底した後ブイを切り離して回収する．さらにROV「かいこう7000II」により，ケーブルボビンを吊り上げて曳航し，先端の電極が海底に落ちるまでケーブルを展張する．観測終了後は，ROVの潜航作業によりレコーダのみ回収する．
「ふつうの海洋マントル計画」では，海域Aに合計3台のEFOS-2と1台のEFOS-6を設置し，2014年9月に3台のEFOS-2を回収した．観測点NM16に設置したEFOS-2（図4）とOBEMの電場データのノイズスペクトルを比較すると，105秒 よりも長い周期でEFOS-2のノイズが約1桁低いことが示された，今後はこのデータを用いて遷移層の電気伝導度を求め，地震波解析結果と統合して遷移層の含水量の推定を行う予定である．
(2-2) 海洋島地震観測網
ジャヤプラ（インドネシア），パラパト（インドネシア），デジャン（韓国），ポナペ（ミクロネシア），マジュロ（ミクロネシア），犬山（日本），石垣（日本），パラオ（パラオ），バギオ（フィリッピン），父島（日本），カメンスコエ（ロシア），サパ（ベトナム），ハイフォン（ベトナム），ビン（ベトナム）の9ヵ国14定常観測点における観測を, 海洋研究開発機構と共同で継続した．このうちマジュロ（ミクロネシア），父島（日本），カメンスコエ（ロシア）を除く11観測点からはリアルタイムで地震波形データを収集した.
(2-3) 海洋島電磁気観測網
ポナペ（ミクロネシア連邦），アテーレ（トンガ王国），モンテンルパ（フィリピン），カンチャナブリ（タイ），ワンカイヨ（ペルー），南鳥島の各観測点における地磁気３成分と全磁力の観測を継続した．マジュロ（マーシャル諸島）観測点については，新観測点での観測再開について，現地協力機関と協議をしている．2010年までの絶対観測値を用いて地磁気三成分確定値を求め，公開準備を行った．また，各観測点における地磁気永年変動と人工衛星を用いて求められた磁場変動モデルとの比較を行った．
(2-4) 海底ケーブルネットワークによる電位差観測
フィリピン－グアム，二宮沖－グアム（TPC-1），グアム－沖縄（TPC-2），上海沖－苓北（上海ケーブル）の海底ケーブルについて電位差観測を継続し，これらの電位差に含まれる長期変動成分の解析を継続して行った．特に，電位差成分の永年変動（時間１階微分）に着目し，短期主磁場変動の地磁気ジャークとの関連を調査した．
(3) 海半球観測網を補完する長期アレイ観測
(3-1) 海底地震観測
海底観測網直下の構造を浅部から深部まで決定する「広帯域海底地震探査」の手法開発を行った．周期3-30秒においては地震波干渉法を，周期30-100秒においては遠地地震のアレイ解析手法をもちいることで，地震波異方性も含めた深さ10-150 kmの構造の定量的な議論が，浅部の構造を仮定せずに行うことが可能となった．
これまで本センターが行ってきた4海域での臨時広帯域海底地震観測にこの手法を適用した．多くの結果の中から主要なものをリストアップすると，(1)LIDでの速度勾配は0または正で，温度構造だけから予想される負の勾配とは合わない，(2)LIDと低速度層（LVZ）の間の遷移領域の速度勾配は，単純なプレートの熱モデルから予想されるものより大きく，低速度層の成因として温度以外の因子が必要となる，(3)鉛直異方性（radial anisotropy）は平均的3-6 %（VSH/VSV）と大きい，(4)方位異方性（azimuthal anisotropy）は深さ10-50 kmで2-6 %，深さ50-100 kmで0-3 %と深くなるについて弱くなる．本研究により初めて方位異方性と鉛直対称異方性の強さの直接比較が可能となり，鉛直対称異方性の方が強いことが明らかとなった．この結果は，これまで地震波速度異方性の主な成因として考えられてきたAタイプのオリビンだけでは説明ができないことを示している．
広帯域海底地震探査の確立により，十数点のBBOBSを1〜2年展開することで，観測網直下の海洋リソスフェア−アセノスフェアシステムの1次元構造（方位異方性，鉛直異方性を含む）が，海洋底からアセノスフェアの深さ（100-150 km）まで計測できることとなった．このような機動観測・解析を国際協力のもと太平洋内の十数カ所に展開するという「太平洋アレイ（Pacific Array）」の構想を提唱した．
(3-2) 海底電磁気観測
三陸沖日本海溝では，太平洋プレートの沈み込みに伴う変遷と地震発生との関連を電磁気学的手法と熱学的手法で解明することを目的とした研究を，2007年よりJAMSTECと共同で進めた．またこの海域での観測は，2009年度以降は，「地殻流体」計画の一環として継続している．2012年度までに海溝軸を横切る複数の測線上の合計31観測点でデータを取得し，2次元構造解析を進めている．なお，本研究で2010年に設置したOBEMは，2011年3月11日の東北沖地震に伴って生じた大津波によって誘導された磁場変動を記録していた．更に2013年4月から8月にかけて，新潟・秋田県沖日本海でも6台のOBEMを用いた観測を行った．同時に周辺の島で観測したデータ，過去に秋田県沖日本海で取得したデータを加えて3次元解析が進行中である．これらの観測データを統合的に解析し，最終的には日本海溝から日本海にかけての島弧断面の電気伝導度構造を明らかにすることを目指している．
(3-3) 陸上地震観測（NECESSArray計画）
2009年から2011年にかけて，日中米の国際共同観測計画（NECESSArray計画）として中国東北部に120点の広帯域地震観測網を展開した．NECESSArrayは横たわるスラブの直上に位置する大規模アレイであり, 島弧及び中国大陸の火成活動に至る沈み込みプロセスの全貌を明らかにすることが期待されている．
研究チームでは特に，プレートテクトニクスでは説明できない（海溝から遠く離れた）中国大陸の火山の成因について制約することに重点を置いて解析を進めた．日中米の各グループで分担して，Ｐ波速度・Ｓ波速度・異方性構造推定，不連続面のトポグラフィー推定などが実施された．日本のグループは実体波によるＰ波速度構造推定，表面波によるＳ波速度・異方性構造推定を主導した．Ｐ波速度及びＳ波速度構造推定の両方の結果において，長白山の下の遷移層で横たわるスラブが欠如していることが描出された．またＳ波速度構造推定の結果，欠如している領域から長白山に向かって，比較的低速度の異常が筒状に存在することが描出された．また不連続面のトポグラフィー推定から当該地域の660km不連続面は浅くなっていること，異方性構造推定から低速度の筒の近傍では上昇流の存在と整合的な異方性があることを検出した．これらの結果は，下部マントルから長白山にマグマを供給する経路が存在する可能性を示唆する．一連の研究はNature Geoscienceを含む国際誌に公表され，これまでのところNECESSArrayのデータ解析による論文は10編となっている．なお,観測された全データは, 海半球ネットワークデータセンターより公開されている.
この他にも，Ｐ波速度構造推定の結果から横たわるスラブが欠如している領域の近傍（南側）において，横たわるスラブが激しく変形している描像を得た．また，横たわるスラブの存在する領域の410km不連続面直上に顕著な低速度異常が存在することを検出した．これらの結果はスラブの粘性や沈み込み帯における物質循環に関し，新たな制約を与えると考えられる．下部マントル及び核の構造に関しても，最下部マントルに構造の急激な変化が存在することや，従来の半球構造では説明できない内核の不均質構造を検出するなど，新たな知見が得られた．
(3-4) 陸上電磁気観測
1998 年以来，中国地震局地質研究所の協力を得て中国東北部吉林省中部および遼寧省西部・中部においてネットワークMT 観測を行ってきた．そのデータの解析から，マントル遷移層の深さで電気伝導度が他地域に比べて有意に高くなる傾向が認められた．2007 年より，この異常域の空間的な広がりを調べるために，中国東部を中心とした既存磁場データの解析を始めた．また，その観測点を埋めるように新たに中露，中蒙国境付近の 2 地点に 3 成分磁力計を設置し，観測を継続している （地震予知研究センターと協働）．
(4) その他の地域での観測的研究
(4-1) 仏領ポリネシアでの海底地震・電磁気観測
JAMSTEC及びフランスと共同で，仏領ポリネシアのSocietyホットスポット周辺で海底広帯域地震・電磁気観測を2009〜2010年に実施した．
回収された地震波形記録を解析することによって，フレンチポリネシア地域において従来よりも高解像度な上部マントルS波3次元速度構造モデルを得る事ができた．また遠地地震のアレイ解析（周期30-50秒）および地震波干渉法（周期14-37秒）を用いて表面波アレイ解析を行い，深さ20-100 kmに約2.5 %のS波速度方位異方性が存在すること，速度の速い方向N50°Wは海洋底拡大直後（約43 Ma前）のプレート運動方向とほぼ一致していることが明らかになった．
電磁気観測では最長22ヶ月間の電磁場変動記録を取得することができた．マントル電気伝導度構造解析については，本観測で取得したデータに加え，フランスのブレスト大による2観測点のデータ，および公開済みの9観測点のデータを再解析し，電磁気応答関数を推定した．現在3次元電気伝導度構造解析を進めているところであるが，予察的な解析の結果，Societyホットスポットの下にマントル遷移層から立ち上がる高電気伝導度がイメージングされている．
一方副次的な成果として，本観測期間中に起こったチリ地震津波によって海水中に誘導された電磁場変動を9観測点全てで検出したが，津波による電磁場変動を海底のアレイ観測で検出したのは，これが世界で初めての例である．これらの電磁場変動データより，津波の高さ，伝搬方向，および伝搬速度を推定することができた．
(4-2) 大西洋トリスタン・ダ・クーニャホットスポット
2011年度より，科学研究費補助金を得て，大西洋トリスタン・ダ・クーニャホットスポットの電気伝導度構造研究を開始した．これは，ドイツ（IFM-GEOMAR）との共同研究である．本研究の目的は，ドイツ側と併せて26台のOBEMをホットスポット周辺海域に展開して，マントルの電気伝導度構造を解明し，ホットスポットの起源がマントル深部にあるか否か，またアフリカ・南米大陸の分裂にどのように寄与したかを議論することである．OBEMの設置は2012年1月～2月に，回収は2012年12月～2013年1月に実施した．本センターからは，8台のOBEMを持出した．ナイチンゲール島にも電磁場観測点を1点展開し，データを取得した．現在，時系列データ解析をそれぞれの研究機関で分担して行っている．当センターのOBEMデータは極めて良好で，精度の良い電磁場応答関数を求めることができた．今後は，ドイツ側と一次処理したデータを交換し，共同で観測海域下のマントル電気伝導度構造を明らかにしていく予定である．またドイツ側は地震観測グループも参加しており，同時に観測した地震データの解析結果とも統合的に解釈が可能になると期待できる．
(5) 海半球ネットワークデータの編集・公開
Boulder Real Time Technologies社のAntelopeというソフトウェアを用い，オーストラリア地質調査所，台湾中央研究院地球化学研究所，及びIRISとリアルタイムデータ交換を継続した. インドネシアの国内観測点, ADPCの観測点のデータの取得を継続した.
超伝導重力計データの公開を継続した. 海洋研究開発機構と共同で，広帯域地震データ，GPSデータ，電磁気データの公開を継続した.
(6) データ解析に基づく地球の内部構造と内部過程の解明
コアフェーズに対し波形フィッティング解析を実施し，特に西半球の解像度を改善した．従来の半球モデルでは説明できないような，西半球内部の顕著な不均質性を検出した．また内核における地震波減衰の周波数依存性に関する解析を行い，内核浅部の東西半球構造（弾性波速度および減衰率）は，地震波減衰帯域（Absorption band）が東西半球で異なることで統一的に説明できるとする新たなモデルを提唱した．
地震波散乱により生ずるコーダ波形に対する系統的な波形インバージョン手法を開発した. また, 開発した手法を海半球観測研究センターの独自データ（中国東北部及び北西太平洋の広帯域地震計ネットワークデータ）の解析に適用し, 沈み込み帯のマントルウェッジや, 海洋プレート下のアセノスフェアに, 顕著な減衰構造が存在することを示唆した.