(1) 災害の軽減に貢献するための地震火山観測研究計画（第2次）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長期にわたって実施している．

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2018年11月までは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実施した．2019年7月から2020年10月にかけては科学研究費助成事業と連携して北海道えりも岬沖において小型広帯域海底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観測を実施した．2020年10月には科学研究費助成事業と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，2022年1月まで観測を行った．さらに岩手県沖では2022年5月および11月に小型広帯域海底地震計と長期観測型海底地震計を設置してモニタリング観測を行っている．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．2021年8月に長期観測型海底地震計をトカラ列島東方海域に海底観測網を構築して観測を開始した．2022年4月および5月にトカラ列島東方海域において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用いて，同じくトカラ列島東方海域で位置をずらした観測網を構築して観測を実施している．なお，この観測研究は鹿児島大学，京都大学，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北部では，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．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て実施した観測では，比較的大規模なスロースリップイベント（SSE）を観測網直下で捉えることに成功し，そのプレート境界面上の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SSEが終了する時期から，沈み込んだ海山周辺で3週間ほど連続して発生する微動活動を明らかにした．一方，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SSEとの対応関係から，通常は横ずれ型の地震が卓越しているのに対し，SSE発生直前には多様なメカニズムの地震が発生していることが明らかとなった．このことは，海洋性地殻内における脱水反応によって間隙水圧が上昇し，有効法線応力があるレベルまで減少したところでSSEが発生する可能性を示唆している．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．2018年には同海域に海底地震計を設置し，2019年3月に発生したSSEおよび微動活動を再び観測網直下で捉えることに成功した．2019年10月にはこれらの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．この微動活動の発生様式は2014年の活動に類似しており，SSE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ていることがわかった．一方，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，これらの微動活動の時空間分布の比較，および構造調査から得られた構造不均質との対比などについて，詳細に解析を進めている．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固着強度遷移領域に，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，2021年10月に回収した．本海域では2020年5月に大規模なSSEが発生し，これを観測網直下に捉えることに成功した．このSSEに伴う微動活動などについて，現在解析を進めている．また，2018-19年に設置した観測網と同海域に昨年度10月に設置した海底地震計9台を2022年9月に全台回収し，これを再整備した後に，2022年10月にほぼ同じ観測点において観測を開始した．2021年10月から2022年9月までの本海域では，陸上GNSS観測網で検出されるスロースリップは発生しておらず，定常状態における通常の地震・テクトニック微動活動の把握が可能と考えられる．現在，回収したデータの解析を進めている．

(1-4) 宮崎県沖日向灘における長期海底地震観測

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．その活動状況を正確に把握することは海洋プレート沈み込みを考える上で重要である．そこで2020年11月に宮崎県沖日向灘に長期観測型海底地震計の小スパンアレイを新規に設置して観測を開始した．2021年8月に観測を終了した長期観測型海底地震計を回収し，観測を継続するために長期観測型海底地震計を用いた小スパンアレイを再設置した．2022年8月には日向灘に設置した長期観測型海底地震計の小スパンアレイによる観測を終了すると共に，新たに整備した長期観測型海底地震計により広域観測網を構築して観測を継続している．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る．特に，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．2022年11月にこの計画の一環として山形県沿岸から大和堆にいたる日本海において長大な測線を設定し，海洋研究開発機構学術調査船白鳳丸KH22-9研究航海により小型広帯域海底地震計を設置し長期観測を開始した．さらに設置した小型広帯域海底地震計に向けてエアガン発震を行った．同時にマルチチャンネルハイドロフォンストリーマを曳航して，反射法地震探査も実施した．

日本海盆で過去に取得された海底地震計記録を用いて，表面波及び実体波データのジョイントインバージョン解析を行い，1次元Ｓ波速度構造を推定した．その結果，リソスフェア内部に予期せぬ速度不連続面が見つかり，不連続面の浅部では異方性が強く，深部では弱いことが明らかとなった．浅部の異方性はマントル対流に沿った結晶方位の配向を反映する一方で，深部では日本海の拡大停止に伴うマントルの小規模対流が結晶方位の配向を乱したと考えられる．

 (1-6) 房総半島沖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．2021年8月に海底圧力計の回収・再設置を行い，観測を継続した．2022年9月には再度海底に設置されていた海底圧力計を回収，新たに準備した海底水圧計をほぼ同一箇所に再設置を行い観測を継続している．用いている海底水圧計は3年間程度の連続収録が可能である．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および共同研究による海底地震調査観測研究

(2-1) 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実施している．2021年3月に小型広帯域海底地震計を含む長期観測型海底地震計を宮崎県沖日向灘に設置して観測を開始した．2022年1月および2022年8月に小型広帯域海底地震計を含む長期観測型海底地震計の回収・再設置を行い，観測を継続している．なお，この観測研究は京都大学と連携して行っている．

(2-2) 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，スロー地震の活動が長期にわたってモニタリングされている．しかしながら，スロー地震の震源断層の特定および発生メカニズム解明のためには，既存の観測網では震源決定精度が足りていない．スロー地震の高精度な震源決定，および詳細な3次元S波速度構造地下推定を目指し，当該海域において長期観測型海底地震計による自然地震観測を実施している．2022年度は，熊野灘のスロー地震発生域において，海底地震計の回収・設置を行った．また，これまでに回収した地震計のデータには，2020年12月に始まった大規模なスロー地震活動の記録が含まれている．本データを利用した，スロー地震の震源解析を進めている．本研究は京都大学，神戸大学，海洋開発研究機構との共同研究である．

(2-3) 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，直交方向に約50 kmである．その後，同じく研究船El Pumaを用いて観測継続のため長期観測型海底地震計および長期観測型海底圧力計の回収再設置を繰り返し，2022年3月に観測を終了した．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) 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

(3-1) 三陸沖に設置した光ケーブル式海底地震・津波観測システムの運用

地震研究所が開発し1996年に三陸沖に設置した海底地震・津波観測システム(1996システム)は３台の地震計（加速度計）と２台の津波計（水圧計）を光海底ケーブルで結んだものであり，データ伝送には従来の光通信技術が使用されている．1996システムは2011年の東北沖地震の地震動及び津波を観測したが，陸上局舎が津波被害を受け観測が中断した．その後，陸上局舎の再建と陸上設備の再製作を行い2014年から観測を再開した．一方，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インターネットに代表される情報通信技術を用いたシステムを新たに開発した．このシステムはデータ通信の冗長性を備え，より低コストで観測装置を小型・軽量に製作できることが特長である．1996システムの更新も視野に入れて，開発に基づいたシステムを製作した．このシステム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点装備し，海底ケーブル全長は約110 kmである．拡張ポートにはデジタル出力型高精度水圧計を接続して2015年9月に岩手県釜石市沖へ設置を行った(2015システム)． 2015年以降は両システムによる観測を継続しながら効率的な運用技術構築の開発を行っている．2017年4月には2015システムにおいて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．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1996システムについてシステムの監視と観測データの冗長性向上を図るために陸上局舎内に既設システム監視用サーバを新規に追加した．2019年10月に台風19号の影響により停電が発生したが，発動発電機による自動給電が発動し観測は継続された．しかし，道路の被害や局舎付近への土砂流入などが発生し，この復旧作業は2021年3月まで行われた．また、2019年11月11日落雷により陸上局舎内の2015システム給電装置に不具合が発生し，同年12月2日に再起動可能となるまで欠測となった．その後は連続観測を行っている．2022年1月には1996システムのGPS受信器の交換を行った．また，2022年には2015システムの地震計と水圧計の記録をwebシステムを通じて公開するシステムの構築を行った．2023年1月には陸上光回線を釜石市の陸上局舎に導入しデータ通信の高速化を図っている．2018年からはこれまでのシステム構築と運用の知見と経験を生かして防災科学技術研究所が南海トラフ震源域西部に設置を進める南海トラフ海底地震津波観測網（N-net）整備事業に協力している．

(3-2) 光ファイバ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が始まり，地震観測にも適用されている．この計測は光ファイバ末端からレーザー光のパルスを送出し，光ファイバ内の不均質からの散乱光を計測する．その散乱光の変化から振動を検出する方法である．光ファイバ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を持っている．この予備光ファイバに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．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に適用する開発を開始し，2019年2月に最初の観測を行って以降2022年までに計9回の観測を行っている．生成されるデータ量が莫大であるために臨時観測の形態をとっており，1回の観測期間は2日から約1ヶ月である．測定長は70kmから100 kmとし，計測点間隔は2 mから5 mである．これらの観測により多数の地震が収録され，記録の解析から，DAS計測が地震観測として有益であることが確認された．加えて，空間的に高分解能なケーブル直下浅部のS波速度構造が求められた．2020年11月にはエアガンとDAS計測による構造調査を，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，計測点間隔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．得られたデータに地震波反射法の手法を適用し，ケーブル直下浅部の詳細な地下構造が求められた．2022年には地震研究所にOptaSense社のDAS計測装置(QuantX)が導入され，観測の機会が増加した．2023年2月にトンガ王国において地震研究所所有のDAS計測器と現地に敷設されている通信用光ファイバ海底ケーブルを用いたDAS計測を実施した．また，新潟県粟島に敷設されている地震研究所が保有する海底ケーブル観測システムの光ファイバを用いた地震観測の準備を2023年3月から始めている．

(3-3) 新しい精密水圧計の試験・評価

海底における精密水圧観測に用いているセンサーの高度化を図るために新技術による水圧計センサーの試験評価を行った．このセンサーは，従来のセンサーと同じく，圧力により発振周波数が変化する．現在用いている収録装置を新型水圧計センサーに接続可能であることから2021年は現在運用している自由落下自己浮上式海底水圧計の水圧計センサーを新型水圧計センサーに変更し新しい自由落下自己浮上式海底水圧計を製作した．この水圧計を2021年8月に房総半島沖に設置し同年11月に回収した．また，観測を継続するために新たに整備した同タイプの海底水圧計を再設置し2022年3月に回収した．2回の観測の結果，計203日の海底圧力記録が得られた．また，新型水圧計センサー搭載海底水圧計と同一地点に設置されていた従来の海底水圧計を同年9月に回収し，記録の比較が可能となった．2022年1月に発生したトンガにおける大規模火山噴火による海面変動が観測されており，新型センサーと従来センサーで同一の波形を示した．

(3-4)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． 2018年以降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ている．2021年はこのレベリング装置の機能強化を行いレベリング操作時の時刻を制御部の個体番号やセンサーの傾斜とともに記録できるようにした．2022年はひきつづき台数の確保を進め，30台以上を観測に用いることができるようになっている．