（1）災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画による海底観測
（1-1）平成23年（2011年）東北地方太平洋沖地震震源域の海底モニタリング観測
2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震（以下東北沖地震）の発生時には，震源域の一部に，海底地震計が設置されており，本震発生直後から，海底地震計を追加設置し，余震観測を実施した．その結果，本震時に大きな滑りが推定されている本震震源付近では，本震直後から余震活動が低調であり，地震活動の様式が変化したことがわかった．その後2011年9月からは，主に長期観測型海底地震計を用いて，震源域における海底モニタリング観測を実施している．
地震時の滑りが大きかった東北沖地震震源域本震付近における長期の地震モニタリング観測は，プレート間固着の変化などを把握するために重要である．そこで，2013 年9 月に，長期観測型海底地震計を宮城県・岩手県沖に展開し，モニタリング観測を2014年10月まで実施した．さらに，2015年5月には，震源域最北部の青森県沖に，長期観測型海底地震計を設置して，海底地震観測を2016年5月まで実施した．また，2014年10月から2016年10月まで，科学研究費助成事業「深海調査で迫るプレート境界浅部すべりの謎～その過去・現在」と連携して，広帯域海底地震計を含む小スパンアレイと長期観測型海底地震計による宮城県沖における海底モニタリング観測を実施した． 2016年10月からは，同科学研究費助成事業と連携して，小スパンアレイによる観測を福島県沖において開始した．福島県沖における観測では，新規開発した小型広帯域海底地震計を設置し，小スパンアレイと併せて，広域観測網も構築した．福島県沖の小スパンアレイと広域観測網は，2018年8月から11月までに複数の航海を用いて撤収した．2019年7月には科学研究費助成事業と連携して，北海道えりも岬沖に，小型広帯域地震計と長期観測型海底地震計を用いた小スパンアレイを設置して，地殻活動のモニタリングを開始し，2020年10月に観測を終了した．一方，長期観測型海底地震計による宮城県沖における海底モニタリング観測に関しては，長期にわたるモニタリングを目的として引き続き観測を実施しており，2020年10月には設置してある海底地震計の回収を行った．また，2020年10月は科学研究費助成事業とも連携して，岩手県沖において広帯域海底地震計を含む小スパンアレイと長期観測型海底地震計による海底モニタリング観測を開始した．なお，これらの観測研究は，北海道大学，東北大学，京都大学，鹿児島大学，千葉大学との共同研究である．
（1-2）南西諸島海溝北部における長期海底地震観測
南西諸島海溝域では，島嶼が海溝軸から100～200 km 離れた島弧軸に沿って直線状に配列するのみであり，プレート境界付近の微小地震活動等の時間空間的変化の詳細な把握が難しい．本観測研究は，海域に長期観測型海底地震計を設置して，プレート境界3次元形状などを明らかにするとともに，活発な活動が確認されている短期的スロースリップイベントや超低周波地震の詳細を明らかにする．2020年7月に観測を行った長期観測型海底地震計を回収するとともに，予め準備した長期観測型海底地震計をトカラ列島東方海域に設置し観測網を構築して観測を実施している．なお，この観測研究は京都大学，鹿児島大学，長崎大学との共同研究である．
（1-3）ニュージーランド北島ヒクランギ沈み込み帯における海底観測
ニュージーランド北島ヒクランギ沈み込み帯では，平均しておよそ2 年の周期でスロースリップが発生しており，このうち6 年程度の周期で規模の大きなイベントが起こっている．そこで，スロースリップおよびそれに付随する地震活動を把握することを目的に，2014年5月から2015年6月にかけて，海底地震計と海底精密圧力計を用いた観測を実施した．観測期間中に陸上の測地観測網から比較的大規模なスロースリップイベントが発生したことが確認されていたが，イベント発生時に海底に設置されていた海底精密圧力計の記録から，そのプレート境界面におけるすべりが部分的に海溝軸近傍まで達していることが，世界で初めて確認された．また，このスロースリップイベントが終了する時期から，決まった領域で微動の発生が始まり，さらに3週間ほど連続している可能性が示唆された．一方，通常の沈み込む海洋性地殻内での地震活動における発震機構の時間変化とスロースリップイベントとの対応関係から，平常時には横ずれ型の地震が発生しているが，スロースリップ発生直前には横ずれ型から逆断層型まで，多様な地震が発生していることを明らかにした．このことは，海洋性地殻内における間隙水圧の上昇が起こっていることが示唆され，スロースリップ発生直前のプレート境界面での有効法線応力の減少によってスロースリップが発生した可能性を明らかにした．なお，この観測研究は，東北大学，京都大学， UCSC（米国），LDEO（米国），University of Colorado at Boulder（米国）との共同研究である．2017年11月には，ヒクランギ沈み込み帯全域にわたる構造を調べるため，海底地震計を設置してエアガン発震を行い，良好な記録を得た．現在は取得されたデータの解析を行っており，地震波速度異方性も含めた地殻内構造の初期的結果を得た．なおこの調査研究は海洋研究開発機構，GNS Science（ニュージーランド），UTIG（米国），USC（米国），ICL（英国）との共同研究である．2019年10月には，1年前に設置した海底地震計を回収し，良好なデータが記録されていることを確認した．この観測期間には観測網直下で大規模なスロースリップ，またそれに伴う微動が発生した．この微動活動は2014年の活動に相似しており，スロースリップの終息時期から3週間ほど，沈み込んだ海山周辺域に限って連続して発生した．しかし活動の規模は2014年のものよりも遥かに大きく，その発生メカニズム解明に向け，活動の時空間分布について詳細に調査を進めている．2020年11月には，ヒクランギ沈み込み帯中部における，固着強度が大きく変化する遷移領域に，長期観測型海底地震計を設置して海域地震観測を開始した．
（1-4）宮崎県沖日向灘における長期海底地震地殻変動観測
宮崎県沖日向灘では，活発な低周波微動活動が確認されている．深部スロースリップからの類推として，低周波微動の発生に併せて浅部スロースリップが発生していると予想されている．そこで，その存在が予想される浅部スロースリップイベントの海底観測による直接検出を目的として同海域において，広帯域海底地震計，長期観測型海底地震計および海底精密水圧計による観測を，科学研究費助成事業「スロー地震学」と連携して開始した．すべりの空間分布を推定するとともに，浅部微動や浅部超低周波地震の詳細な時空間発展や地球潮汐応答等の活動様式を明らかにし，これらの現象のスケーリングや相互関係性の評価を行うことなども目的である．2017年3月に広帯域海底地震水圧計，長期観測型海底水圧計，長期観測型海底地震計からなる観測網を日向灘に設置した．さらに，2018年3月に長期観測型海底地震計を用いて観測点間隔1 km程度の小スパンアレイを日向灘に設置した．2018年8月には日向灘における次期観測網の構築のために小型広帯域海底地震計，長期観測型水圧計，長期観測型海底地震計の設置を行った．長期観測型海底地震計小スパンアレイによる観測は2019年1月に終了した．また，2019年1月から2019年4月にかけて，複数の航海により，2017年3月に設置した広帯域海底地震水圧計，長期観測型海底水圧計，長期観測型海底地震計の回収および予め準備した小型広帯域海底地震計，長期観測型海底水圧計，長期観測型海底地震計の設置を行い，観測網の入れ替えを実施した．2020年9月に小型広帯域海底地震計，長期観測型海底水圧計，長期観測型海底地震計を回収した．また，2020年11月には，長期観測型海底地震の小スパンアレイを新規に設置して，観測を開始した．なお，この観測研究は，京都大学との共同研究である．
（1-5）東北日本弧横断構造探査実験
日本列島の形成や海溝型地震の影響を考える上で，深部構造を精度よく求めることが必要であり，日本海溝外側から日本海までの領域について，リソスフェアとアセノスフェアの詳細な構造を求めることは重要である．日本海における地殻構造の不均質や日本海東縁の歪み集中帯の形成，2011年に発生した東北地方太平洋沖地震が長期に与える影響などを考える上で，有益な情報である．そのために，日本海から日本列島を横切り日本海溝に至る測線を設定し，測線上に長期観測型海底地震計を設置して，実体波トモグラフィー・レシーバー関数解析・表面波解析などから深部までの構造を求める．さらに，この測線上で大容量エアガンを用いて構造探査実験を行い，深部構造と上記の解析に必要な詳細な浅部構造の情報を得る．2019年8月に，この計画の一環として，宮城県沖に測線を設定し，長期観測型海底地震計を設置し長期観測を開始した．さらに，設置した長期観測型海底地震計，別計画で設置された日本列島上の高密度臨時地震観測点と日本海に設置された海底地震計に向けて，エアガン発震を行った．2020年は長期観測型海底地震計による地震観測を継続した．
（1-6）房総半島南部における長期海底地殻変動観測
房総沖スロースリップ領域において，海底における地殻変動を検出することを目的として，長期観測型海底水圧計による観測を実施している．2018年9月に，海底水圧計を設置して観測を行っているが，海底水圧計を2020年10月に追加で設置して観測を継続した．用いている海底水圧計は3年間以上の連続収録が可能である．また，設置されていた次世代広帯域地震傾斜計を2020年10月に回収した．これまでに回収した長期観測型海底水圧計のデータについて解析した結果，海底の上下変動が約1 cmの精度で観測できることが示された．2018年6月の房総沖スロースリップの活動期間を含むデータから，スロースリップに伴う約1～2 cmの上下変動が検出された．なお，この観測研究は，千葉大学との共同研究である．
（2）文部科学省委託事業による海底地震調査観測研究
（2-1）日本海地震・津波調査プロジェクト
日本海沿岸地域において，津波・地震対策の基礎として，津波波高・強震動予測を実施する必要がある．そのため，2013年から開始された8ヶ年のプロジェクトにより構造調査などの調査観測が実施されている．その一環として，日本海下の深部構造を求めモデリングに貢献するために，広帯域海底地震計及び長期観測型海底地震計を用いた地震モニタリング観測を行っている．2020年は本プロジェクトによる海底地震観測を含めてこれまでの記録から大和海盆，大和碓，日本海盆のリソスフェア構造を求めるための解析を進めた．
（2-2）防災対策に資する南海トラフ地震調査研究プロジェクト
南海トラフでは将来規模の大きな地震の発生が想定されている．そこで，南海トラフ地震の活動を把握・予測し社会を守る仕組みを構築し，地域への情報発信による減災への貢献をめざす委託研究プロジェクトが2020年から5カ年の計画で実施されている．このプロジェクトの一環として，南海トラフ西部の日向灘において，広帯域海底地震観測を計画している．2020年は年度内の観測開始をめざして小型広帯域海底地震計等の整備を実施した．なお，この観測研究は京都大学と連携して行っている．
（3）共同研究による海底観測研究
（3-1）南西諸島における広帯域地震計による低周波地震・微動モニタリング研究
南西諸島域では島弧全体にわたって浅部プレート境界において低周波微動，超低周波地震，短期的スロースリップの活動が活発であることがわかってきた．これらの低周波イベントはプレートのカップリングと密接に関連していると考えられている．そこで，低周波イベント活動および微小地震を含む地震活動の正確な把握を目的として，南西諸島海溝域における海底地震観測を2015年から開始した．南西諸島域の大部分は海域となっており常設の地震観測点が少ないために，海底観測点を追加することにより効果的な地震観測網を構築できる．観測域には島嶼観測網から低周波イベントの発生が推定されている南西諸島海溝中部から北部とした．2015年1月から2016年8月まで広帯域海底地震計・長期観測型海底地震計を設置して南西諸島海溝中部において全体の活動を把握するための広域地震観測網を構築して観測を実施した．2016年8月から低周波イベント活動が活発な奄美大島東方海域に観測点間隔30 km程度の観測網を構築し観測を開始した．2017年8月には設置した海底地震計を回収し，北東に拡張した観測網を再度構築し，2019年4月に海底地震計を回収した．一方，2019年2月には観測を継続するために小型広帯域海底地震計による観測網を構築し，2020年1月まで観測を行った．これまでに回収されたデータには，低周波微動と超低周波地震が記録されており，解析を進めている．なお，本研究は，公益財団法人地震予知総合研究振興会，京都大学との共同研究である．
（3-2）メキシコ太平洋沿岸部ゲレロギャップにおける長期海底地震・圧力観測
メキシコ太平洋沿岸部は，ココスプレートが北米プレートに沈み込んでおり，プレート境界型巨大地震が発生する．しかし，ゲレロ州の沖合（ゲレロギャップ）は，近年大きな地震の発生が見られない一方，スロースリップが4年程度の間隔で繰り返して発生していることが知られている．プレート間歪みをスロースリップのみで解消しているわけではなく，将来巨大地震発生の可能性があると考えられている．そこで，ゲレロギャップ下のプレート間固着を明らかにすることを目的として，同領域において海底地震地殻変動観測網を構築した．2017年11月に，長期観測型海底地震計および長期観測型海底圧力計を，メキシコ国立自治大学（UNAM）所属研究船El Pumaを用いて設置した．観測領域は，海溝沿いに約120 km，直行方向に約50 kmである．2018年は11月に同じく研究船El Pumaを用いて前年に設置した長期観測型海底地震計および長期観測型海底圧力計を回収し，新たに長期観測型海底地震計を設置して観測を継続した．2019年11月には同研究船により前年に設置した長期観測型海底地震計を回収し，新たに長期観測型海底地震計を設置して観測を継続した．2020年は海底観測を継続するとともに2019年に回収されたデータの解析を進めた．なお，本研究は，2016年度から開始された国際科学技術共同研究推進事業，地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム（SATREPS）「メキシコ沿岸部の巨大地震・津波災害の軽減に向けた総合的研究」の一環として，京都大学，東北大学，UNAM(メキシコ)との共同研究として行われた．
（3-3）沖縄トラフ北部における長期海底地震観測
沖縄トラフと別府島原地溝帯の延長部が交わる男女海盆では2015年11月に発生した薩摩西方沖地震（M7.1）後に地震活動が活発化しているが，陸上の定常観測点データのみでは精度の高い震源分布を明らかにすることは難しい．そこで男女海盆において海底地震計を用いた観測を実施し，得られた観測データを用いた地震活動解析から詳細な地震活動を明らかにすることを目的として，長期海底地震観測を開始した．得られた地震活動データから日本列島周辺では余り存在していない伸長場でのテクトニクスを考察する．2019年8月に沖縄北部最北部である男女海盆に設置した長期観測型海底地震計を2020年7月に回収した．なお，この研究は科学研究費助成事業の一環として，東京海洋大学，京都大学，鹿児島大学と共同して実施している．
（3-4）南海トラフにおける高密度海底地震計アレイ観測
西南日本沈み込み帯においては，室戸沖から熊野灘沖にかけて海底ケーブル地震観測網（DONET）が敷設されており，スロー地震の活動域と非活動域がトラフ軸に沿って明確に分かれていることが明らかとなっている．このスロー地震活動域/非活動域に対応する地下構造の要因を明らかにするため，ならびに，スロー地震の高精度な震源決定のため，当該海域において長期観測型海底地震計15台による自然地震観測を継続している．設置した海底地震計は，来年度に回収する計画である．また，DONETの地震記録を用いた，予察的な解析を進めている．本研究は京都大学，東北大学，神戸大学，海洋開発研究機構，九州大学との共同研究である．
（4）海底地震地殻変動観測システム開発およびデータ解析手法開発
（4-1）三陸沖に設置したICTを用いた光ケーブル式海底地震・津波観測システムの運用
従来の光ケーブル海底地震・津波観測システムは，海底通信技術を用いた高信頼性システムであるが，コスト面や運用面に改善の余地がある．そのため，データ伝送とシステム制御にICTを用いたシステムを新たに開発し，その1号機を新潟県粟島近海に設置した．このシステムは，データ通信の冗長性を備え，より低コストで，小型・軽量であることが特徴である．2号機に関しては，既設の三陸沖光ケーブル海底地震・津波観測システムの更新システムとして開発・製作した．2号機は地震計と津波計を装備した観測点を2点，地震計と拡張ポートを装備した観測点を1点設置し全長は約110 kmである．拡張ポートはPoE I/Fを用いており，設置後無人探査機などにより，新たなセンサーを接続できる．観測装置は約30 kmまたは約40 kmの間隔であり，設置時には，拡張ポートにデジタル出力型高精度水圧計を接続した．2015年9月に岩手県釜石市沖へ2号機の設置を行った．システムの設置は通信用海底ケーブル設置に用いられている海底ケーブル敷設船を利用した．このシステムの設置により釜石市沖は三陸沖光ケーブル海底地震・津波観測既設システムと併せて，空間的に高密度なリアルタイム海底地震・津波観測網が構築された．2017年4月には，波浪の影響を受けやすい汀線部から沖側約30 mまでの区間のケーブルの保護対策とアース電極の沖合への設置作業を実施した．アースの強化としては沖合30 m程度にアース電極を設置しこれまでに利用していた汀線部アースと並列に接続した．その結果，給電電圧の変動はほぼ無くなり安定した運用ができるようになった．2018年9月には汀線部から沖合100 m程度までの状況の監視調査を行った．また，陸上部装置の保守を行った．沖合へのアース電極設置以降，給電電圧の変動はほぼ無く，安定した運用を行っている．
2019年10月に台風19号の影響により釜石陸上局が停電となり発動発電機が起動し，給電が行われた．同日中に復電し，欠測とはならなかったが，局舎周辺に小規模な土砂災害が発生した．現在復旧に向けた作業を行っている．また，2019年11月落雷より陸上局舎内の給電装置に不具合が発生し観測不能となった．その後，給電装置の復旧により同年12月初めに観測を再開したが，設置以来の長期欠測となった．なお，再起動以降は連続観測を行っている．2020年9月には陸上局システムの整備としてサーバ機のメインテナンスなどを行い，また汀線部付近におけるケーブル敷設状況調査を実施した．
（4-2）小型広帯域海底地震計の開発
長期観測型海底地震計は実用化以降多数の実績を持っており，繰り返し観測の手法によりモニタリング観測が可能となった．この長期観測型海底地震計の地震計センサーは，三成分高感度短周期速度計であり，その固有周波数は1 Hzである．通常の地震観測には十分な帯域であるが，近年着目されている浅部低周波微動や超低周波地震を観測するにはやや帯域が不足である．近年，小型で低消費電力である広帯域地震計が利用可能になってきた．そこで，Nanometrics社Trillium Compact Broadband Seismometerを長期観測型海底地震計に組み込むために，専用レベリング装置の開発を実施し，2017年に小型広帯域海底地震計の最初の観測を行った．小型広帯域海底地震計の開発は引き続き実施中であるが，2019年は主として固有周期120秒の地震計センサーを搭載した小型広帯域海底地震計の観測への利用を進めるともに台数の確保に努め，2020年には20台規模で観測に用いることができるようになった．海底での記録の蓄積から雑微動レベルについて上下動はセンサーの帯域において低いレベルであるが，水平動成分に関しては上下動成分よりも雑微動レベルが高いことが確認されつつある．雑微動レベルは地震観測としては低いレベルであり，超低周波地震，遠地地震，深発地震なども明瞭に記録されている．
（4-3）光ファイバー計測技術による海底ケーブルを用いた海底高密度地震観測システムの開発
光ファイバセンシングの一つであり，振動を計測する分散型音響センシング（Distributed Acoustic Sensing，以下DAS）は，近年様々な分野で応用され始めている．地震関係の分野では，石油探査のために構造調査に利用されており，地震観測にも適用され始めている．この計測は，光ファイバー末端からレーザー光のパルスを送出し，光ファイバー内の不均質から散乱光を計測し，その変化から，振動を検出する方法である．光ファイバーに沿って，時空間的に密な観測を実施できることが特長である．地震研究所が1996年に設置した三陸沖光ケーブル式海底地震・津波観測システムは，伝送路である海底ケーブルに予備の光ファイバーを持っている．この予備光ファイバーに，DAS計測を適用することによって，空間的に高密度の海底地震観測を実施できる可能性がある．2018年から，DAS計測技術を三陸沖光ケーブル式海底地震・津波観測システムの予備光ファイバーに適用する開発を開始し，2019年は2月，6月，11月の計3回計測を実施した．2月の計測では，測定長100 kmとして，チャンネル間隔5 mとして，合計約2日間実施した．その結果，計測装置を設置した陸上局から70 km程度まで，連続して地震波が記録されることを確認した．また，6月の計測では，空間的高密度計測として，測定長5 km，チャンネル間隔1 mとした．観測期間は約3日である．観測記録には多数の地震が記録されていた．11月の計測では，長期観測を念頭において，2週間弱の連続観測を行った．測定長は70 km，チャンネル間隔は5 mである．2020年11月にはエアガンとDAS計測による構造調査を実施した．エアガンの発震は海洋研究開発機構学術調査船白鳳丸KH20-11研究航海にて実施した．白鳳丸はエアガンを曳航しながら海底ケーブル敷設ルート上を航行し，この間陸上局においてDAS計測を行った．発震には大型エアガンアレイ，またはGIガンアレイを用いた．DAS計測は測定全長100 kmまたは80 km，チャンネル間隔5 mとして，エアガン発震時間帯を含む約5日間の連続観測を行った．現在データの解析中である．今後，定常観測に用いることをめざして，システム開発を引き続き実施する予定である．なお，本研究のデータ解析に関する研究の一部は株式会社富士通研究所との共同研究として行っている．