沈み込み帯における地震発生は，プレート境界面における摩擦によってひずみが蓄積し，地震時に蓄えられたひずみエネルギーが解放される現象である．地震発生に関するプレート境界の性質は，境界の形状および温度や水の含有量といった物性によって決定されると考えられている．低周波イベントからプレート境界型巨大地震まで，その発生メカニズムを理解する上で，プレート境界の固着程度の把握，およびその周辺の構造や物性を詳細に理解することは必要不可欠である．さらには，プレートの沈み込みに伴う脱水反応によって生成された水の挙動が，上盤プレート内の内陸地震の発生に関与していることもわかって来た．我々は沈み込み帯の全体構造の把握，およびプレートの沈み込みに伴う諸現象の理解を通して地震発生メカニズムの解明をめざし，海域での地震観測や制御震源構造調査などによる研究をすすめている．
(1) 南海トラフ沿い地震活動不連続周辺域の海陸統合地震観測・人工震源構造調査
西南日本沖合に走る南海トラフ沿いではフィリピン海プレートの沈み込みに伴い，～100年周期でマグニチュード8級の巨大地震が繰り返し発生してきた．紀伊半島沖合の巨大地震震源断層境界域において，地震研究所で開発された長期観測型海底地震計を最大27 台用いて、5 カ年度にわたる繰り返し地震観測を行った．地震波形相関を用いて走時を正確に求める手法を開発し，震源と3次元地震波速度構造の同時インバージョン解析を適用した．その結果，断層境界より東南海側では地震活動がほとんど見られず，南海側で見られる地震活動も地震発生深度がトラフ軸平行方向にステップ状に変化し，紀伊半島南西側では海洋性マントル内で，それより東では海洋性地殻内で地震が発生するといった震源分布のセグメント化を初めて明らかにした．西側の海洋性マントル内で発生している地震は北北西－南南東に走行を持つ直線上に並び，これらがマントル内の構造に起因するものである可能性を明らかにした．さらに，紀伊半島沖合に沈み込む海洋性地殻内のVp/Vsが低く，低周波地震の活動分布と良い相関があることを明らかにした．断層境界周辺のフィリピン海プレートの沈み込み構造についてさらに詳しく調べるために，2010年10月に海洋研究開発機構，防災科学技術研究所と共同で海陸統合人工震源構造調査を行い，そのデータ解析を進めている．また，遠地地震の観測波形を用いたレシーバー関数解析も進めており，構造と断層境界の関係を明らかにするための研究を行っている．海域観測データには，海水面と海底面間の多重反射が含まれているため，これがレシーバー関数中の大きな雑音の要因となることがわかっている．この多重反射が決まった周期を持って繰り返す性質を利用して，これを取り除くフィルターの設計方法を提案し，それを実際のレシーバー関数解析に適用することによって，プレート境界面および海洋性モホ面が明瞭に確認できるようになることを示した．
(2) 房総沖地震観測
房総半島東方沖では，首都圏直下地震発生領域の東縁に接して，6～7年の周期を持ってスロースリップ・イベントが発生している．房総沖での地震活動を把握し，構造との対比から本領域の地震発生メカニズムを解明することを目的として，2009年から2010年にかけて長期観測型海底地震計40台を用いた海域地震観測を行った．さらに短期観測型海底地震計を加え，海溝軸並行測線で構造調査も行った．ここで得られた観測データを用いて震源と速度構造の同時決定インバージョン解析を進め，本海域に沈み込む太平洋プレートが標準的な海洋地殻に準ずる構造を持つこと，震源が地殻および上部マントルの特定領域に集中的に発生して二重地震面を形成していること，さらに震源メカニズムを明らかにした．また構造調査からは，沈み込むフィリピン海プレートの北限位置に向かって，沈み込む太平洋プレートの深さが3km程度深くなっており，プレート同士が接する領域では複雑な構造となっていることを明らかにした．2012年から海底圧力計による海底上下変動連続観測を開始し，現在も観測を継続中である．本観測中の2014年1月にスロースリップが発生しており，詳細な解析を実施する予定である．これらの観測研究は，千葉大学，北海道大学，東北大学，九州大学との共同研究である．
(3) 茨城沖の海山の沈み込みとM7 地震アスペリティの関係
茨城県の沖合～100 kmでは，太平洋プレートの沈み込みに伴って，～20年周期でマグニチュード7 級の地震が繰り返し発生してきた．2004年の海域構造調査，および2005年海域地震観測から，深さ10 kmに海山が沈み込んでおり，繰り返し地震の断層がその沈み込み前縁部に位置すること，また海山上のプレート境界では地震活動が見られないことを明らかにした．2010年10月から，この海山前縁部周辺に長期観測型海底地震計34台を用いて，観測点間隔6 kmという高密度なアレイを構築し，およそ1 年間の地震観測を行った．またこの観測網を通る南北150 kmの測線で，エアガンを人工震源とした構造調査を行った．本観測期間中に，東北地方太平洋沖地震が発生し，さらに本震震源域南限に位置した本観測アレイの近傍で最大余震が発生した．本震発生前後での地震活動を比較すると，本震発生後は震源域南限全域で地震活動が活発化しているが，特に沈み込む海山の前縁部周辺域で非常に活発化していることがわかった（図3.5.4）．さらにこの地震活動と本震および最大余震の発生との関連について詳細に調べたところ，本領域の活動が本震よりも最大余震によって活発化したことを明らかにし，本震のプレート境界面すべりが茨城県沖まで達しなかった可能性について議論した．なお，この観測研究は北海道大学，東北大学，九州大学，千葉大学との共同研究である．
(4)日向灘・南西諸島海域における海底地震観測
日向灘において2002年から2か月程度の海底地震計をもちいた機動観測を複数回実施している．これらの観測を通じ，地震発生と速度構造ならびに応力場分布の関係についての知見が得られた．2013年度から豊後水道から日向灘プレート境界浅部，さらに2014年から奄美大島から沖縄近海域を対象として長期観測型海底地震計による繰り返し観測を始めた．これらの観測を通じて，本海域における浅部低周波微動活動の時空間変化を高分解能で捉え，プレート境界型地震との関係を調査することを目的としている．これらの一部の研究は九州大学，鹿児島大学，長崎大学との共同研究である．
(5)伊豆大島火山体の海陸地震波構造探査実験
2009年に，伊豆大島火山の深部構造を求めることを目的として，伊豆半島下田沖から伊豆大島を通り，房総半島沖まで西南西～東北東に並ぶ約60km の測線において，海陸にまたがる構造探査実験を行った．短期観測型海底地震計は，約2km 間隔で39 台を設置した．また，伊豆大島島内には約50m 間隔で，東西方向に約180 台，南北方向に約100 台の地震計を配置した．制御震源には，ダイナマイトおよびエアガン発震を用いた．現在このデータ解析を進めている．なお，この構造探査研究は，北海道大学，東北大学，九州大学，鹿児島大学，千葉大学との共同研究である．
(6) 2011年東北地方太平洋沖地震震源北限域における地震波構造調査
三陸沖の北緯39度には，南側の地震活動の活発な領域と北側の非活発な領域の境界が存在することが知られていた．2002年に，我々は海域地震波構造調査を行い，地震活動とプレート境界反射波の振幅の間に，良い反相関の関係があることを明らかにした．この境界領域は，東北地方太平洋沖地震震源域の北限に当たると考えられている．地震発生前後でプレート境界の反射強度に変化が見られるか確認するために，2013年9月に海洋研究開発機構の白鳳丸を利用して行われたKH－13－5次航海において，我々は2002年と同じ測線上に同じ観測点配置で海底地震計を設置し，再度構造調査を行った．また2014年10月には，同じく海洋研究開発機構の白鳳丸によるKH－14－4次航海において，東北地方太平洋沖地震でプレート境界が大きく動いたとされる海溝軸近傍の陸側斜面において，海底地震計およびエアガン人工震源を用いた海域構造調査を行った．現在，これらの調査で得られたデータの解析を行っている．なお，これらの調査研究は，北海道大学，東北大学，鹿児島大学，千葉大学との共同研究である．
(7) 東北地方太平洋沖地震の余震観測
2011年3月の東北地方太平洋沖地震発生時後より，海底地震計を用いて日本海溝沿いで余震観測を続けている．これまでのデータにより，本震時にプレート境界が大きくすべった本震震源付近では余震活動が低調であること，また福島県沖から千葉県房総半島沖の震源域南部では余震が少ないことから，本震時の破壊がこの付近で停止したことが示唆されることを明らかにした．2013年9月に本震震源の北側周辺域に30台の長期観測型海底地震計を設置し，2014年10月に全台回収した．現在このデータを解析中である．本研究は，北海道大学，東北大学，千葉大学，京都大学，鹿児島大学との共同研究である．
(8)インド洋ロドリゲス海嶺における海底地震・地球物理観測
ロドリゲス3重海嶺会合点から一つ目のインド洋中央海嶺セグメントでは水素に富む熱水活動が見つかっている．この熱水系の成因を調べるため，2013年に21台の海底地震計とエアガン，ハイドロフォンストリーマを用いた構造探査と自然地震観測を実施した．地震計の内1台には圧力計，別の1台には磁力計を付加し，併せて実施した電位差・磁力計と併せて，地下浅部から深部にいたる構造解析を実施中である．また、海嶺軸下において顕著な地震活動が認められる．一方，熱水域周辺では，軸域下の地震より浅い，深さ4 kmまでの浅部に顕著な走行配列を持った地震活動が明らかになった．現在，地震活動解析を継続して実施している．なお，本研究は千葉大学との共同研究である．