昭和40年度から始まった我が国の「地震予知計画」は、第7次計画（平成6年度～平成10年度）まで、観測網を段階的に整備し、地震前兆現象の検出に基づく地震予知を基本方針として推進された。この間、観測網の整備によって地震活動の諸特性などに関する多くの知見が蓄積された。しかし、これらの研究が進むにつれて、地震発生の時期、場所、規模を地震発生前に予測するという地震予知の目標の達成は、地震現象の複雑さのために、前兆現象の観測に基づく手法だけでは極めて難しいことが分かってきた。このような中で発生した兵庫県南部地震を契機として、地震予知研究の基本方針が見直され、平成11年度から、地震発生に関する基礎的研究を重点的に推進し、地震発生に至る全過程を理解することにより、地震発生予測への道筋を付けることを目指すことになった。この「地震予知のための新たな観測研究計画」（第1次新計画）では、地震の発生に関する基礎的研究を進め、それに基づいて地震発生に至る地殻活動をモデル化し、モニタリングとモデルに基づいて地殻活動の推移予測を目指した観測研究が推進された。また、平成16年度からの第2次新計画では、第1次新計画に引き続き、地震発生の準備過程の解明を進め、地殻活動予測シミュレーションモデルを開発することを目指した。これらの研究により、プレート境界地震については、アスペリティモデルが提唱され、それに基づいて、プレート境界地震の発生場所と規模の予測について一定の見通しが得られたとの認識がなされるようになった。さらに、東海から西南日本にかけてのフィリピン海プレート深部境界で短期的ゆっくり滑りや低周波微動が発見され、また、プレート境界で発生する小繰り返し地震の研究が進み、プレート境界の固着状態の時間的及び空間的な変化の把握が進んだ。内陸地震についても、地殻の不均質構造に関する知見が蓄積され、地殻・マントルの粘弾性・塑性変形により広域応力が特定の断層に集中していく機構の理解が進んだ。
一方、昭和49年度から始まった火山噴火予知計画では、年次計画により観測網の整備と実験観測の推進が図られ、活動的火山における観測の多項目化と高密度化、観測データの高精度化が段階的に進められてきた。その結果、幾つかの火山においては、噴火に先行する地震活動や地殻変動などの現象が観測され、それに基づく情報発信が可能になった。また、全国の大学合同による集中総合観測が主要活火山において年次的に実施され、火山噴火ポテンシャル評価や噴火予知手法の開発に大きく貢献した。第5次計画からは、制御震源を用いた火山体構造探査が重点的な研究項目に加えられ、火山体の内部構造に関する理解が進んだ。これらの研究の進展や、GPS、SAR干渉解析等の観測技術・手法の進歩により、複数の火山においてマグマの上昇や貫入、蓄積等の火山噴火準備過程が捉えられるようになった。さらに、地震や地殻変動観測に加え、電磁気学的観測、精密重力測定、火山ガス観測、地質学的調査・分析等の総合的な観測が実施された火山では、火山流体の挙動やマグマの発泡・脱ガス等の噴火過程について多くの知見が得られた。
このように、地震予知研究と火山噴火予知研究は、平成20年度までそれぞれ独立に推進され、共に、実用的な予知の実現という最終目標にはまだ到達していないものの、学術的には着実に成果が上がっていると評価されてきた。一方、近年の研究の進展によって、海洋プレートの沈み込みと巨大地震の発生、マグマの発生と蓄積・移動、内陸の大地震の発生を、関連する現象として包括的に研究する必要が生じてきた。したがって、地震予知研究と火山噴火予知研究で共通の課題を設定して共同で観測研究を実施することが有効である。また、両者には、測地学、地震学、電磁気学等の共通の観測手法を利用する研究対象が多く、研究者の交流によって新たな研究分野の創出につながる可能性もある。さらに、我が国には、世界に類を見ない高密度な地震・地殻変動の基盤的観測網が整備されており、こうした研究資源を地震及び火山現象のいずれの観測研究にも有効に活用できる。これらのことは、地震予知研究と火山噴火予知研究の連携を一層密にして、互いに協力して実施することの必要性を示すものである。
このような認識の下に、これまで別々に実施されてきた地震予知研究と火山噴火予知研究を統合した「地震及び火山噴火予知のための観測研究計画」が、平成20年度に策定され、平成21年度から実施されている。
これまでの研究により、プレート境界地震については、アスペリティモデルが提唱され、それに基づいて、プレート境界地震の発生場所と規模の予測について一定の見通しが得られたとの認識があった。そのため、現行計画ではM9クラスの超巨大地震の発生の可能性について、ほとんど追究していなかった。しかし、平成23年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震は、海溝軸付近のプレート境界浅部が約50mと大きく滑ったことや、これまでM7～8程度の地震を発生させていたアスペリティが本震時に通常の滑りより一桁程度大きく滑ったことなど、現行計画で考えていた単純なアスペリティモデルでは説明できないことが分かった。
このため、現行計画で不足していた点を明らかにして、それを抜本的に見直し、今後の研究の方向を見いだすことが必要である。この地震の現時点における全体像をできるだけ詳細に明らかにすることを試みた。以下に現時点における成果と課題を示す。
東北地方太平洋沖地震の発生前から、日本列島には高密度の地震観測網とGPS観測網が展開され、更に震源域周辺には海底地震計や海底地殻変動観測点が設置されていた。これらにより、前震活動から本震発生に至るまでの過程を精度良く把握できた。超巨大地震の震源過程がこのように詳細に捉えられたのは世界で初めてである。
これまでは、海溝付近で高角な分岐断層が滑ることによって大きな津波が発生すると考えられていたが、今回の地震では低角のプレート境界が大きく滑ることによって巨大な津波が発生した可能性が高いことが海底観測から明らかになっている。これは、過去の津波地震の発生機構に対して再検討を要請するものであり、非常に重要な意味を持つ。
また、本震発生前の地震及び余震の発震機構解の解析により、プレート境界に掛かっていたせん断応力のほとんどが本震発生によって解放された可能性が高いことが示された。このことは、地震発生前のプレート境界の固着強度が、地震の応力降下量と同程度のかなり小さな値であったことを意味しており、プレート境界地震の発生サイクルのモデル化にとって極めて重要な成果である。
地震発生に先行して時間とともに滑りが加速していくような、本震直前の単純な破壊核形成は捉えられなかったものの、前震の余効滑りが本震の破壊を促進した可能性が指摘されている。また、数年前から、震源域においてゆっくり滑りが活発化したことが捉えられており、今後、他の地域での超巨大地震の発生予測にとって重要な成果である。
2011年東北地方太平洋沖地震について、その発生の可能性の評価すらできなかった理由は、下記の通り、プレート境界の固着状態について過小評価していたことと、アスペリティモデルが抱えていた問題にあったと総括される。
今回の地震で海溝近くにおいて約50mの大きな滑りが生じたことは、地震発生前に同程度の滑り欠損が蓄積していたことを意味している。このような巨大な滑り欠損を生じさせるほど、固着していたということが事前に判明していれば、今回のような地震の発生可能性を予見できたかもしれないが、実際には以下の理由で固着状態を過小評価していた。
東北地方太平洋沖では普段の地震活動が高く、約100年の測地測量でもプレート境界の上盤側に位置する陸域では大きなひずみが蓄積されていなかったことから、プレート境界の固着は弱く、M8程度以下の地震とその余効滑りでひずみは解消されると考えられていた。固着が弱い理由としては、この地域で沈み込む太平洋プレートの年代が世界的に見ても非常に古いので、プレートが重くて沈み込みやすくなっているためと解釈されていた。
今回の地震で大きな滑りを生じた日本海溝近くでは、プレート境界がまだ浅く、上盤からの圧力が小さく、また堆積物も太平洋プレートと一緒に沈み込んでいることが明らかになっていたため、この付近では特にプレート境界の固着が弱いと考えられていた。また、海溝付近では普段の地震活動が低調であり、発生したとしても低周波成分が卓越する地震が多いことも、この考え方を支持していた。
現行計画においては、「プレート境界では、非地震性滑りの進行により固着領域（アスペリティ）に応力が集中し、やがて地震発生に至る」というアスペリティモデルの有効性がこれまでの計画における成果において検証されてきたとして、そのモデルの高度化が重要であると位置付けられていた。実際、このような単純なアスペリティモデルで、近年発生したプレート境界地震の多くが説明可能であったため、アスペリティモデルは長期予測の科学的背景となっていた。宮城県沖で過去に繰り返し地震が発生してきたことも、アスペリティモデルに基づく解釈がなされ、そこでは近い将来に大きな地震が発生する可能性が高いことは事前に指摘できていたが、その規模については最大でもM8程度と評価していた。今回の地震の現時点までの解析結果から、現行計画のアスペリティモデルに基づく予測の問題点は、以下の2点に総括される。
地震の震源域を歴史記録から推定する場合には誤差が大きいため、地球物理学的観測データからの推定を重要視する傾向にあった。発生間隔が数十年程度のM7クラスの地震であれば観測データでアスペリティの分布は把握できると考え、M8クラスの地震もM7クラスのアスペリティの複合破壊として大部分は説明できるものと考えていた。M9の東北地方太平洋沖地震の主破壊域のように、数百年にわたって固着している領域が存在しているとは考えていなかったため、100年程度の観測データでも、大地震のアスペリティの分布はおおむね把握できると誤解していた。
断層滑りのモデル化に用いられる速度・状態依存摩擦構成則では、通常は非地震性滑り域であっても、限られた条件下では、地震性滑りを起こし得ることが知られていた。このモデルを用いて実際の地震発生を説明するうちに、次第にモデルが単純化され、アスペリティ以外では地震性滑りを起こさないモデルが支配的になっていった。既知のアスペリティの大きさから、この地域で発生する地震の最大規模を過小評価していた。
上記のような背景から、これまではM9クラスの超巨大地震の発生の可能性についてほとんど追究されていなかった。また、海底の観測体制については、地震発生前から海底地殻変動観測や海底地震観測が実施され、極めて貴重な観測データが取得できたことは高く評価されるが、M9の地震断層の広がりを考慮すると、必ずしも十分とは言えない。
超巨大地震を含む地震・火山噴火やこれに起因する現象の予測を行うためには、以下の3項目の研究を直ちに推進する必要がある。
超巨大地震の発生機構を理解するには、地震発生サイクル、震源域の大きさや滑り量について明らかにし、超巨大地震とこれまで知られている大地震の関係を解明する必要がある。このために、東北地方太平洋沖地震の震源過程の観測研究をより一層推進するとともに、幅広い規模にわたる地震の発生サイクルや震源域の時空間的な階層性についての研究を進める必要がある。また、超巨大地震発生に先行して現れた現象について調査研究を行うことも重要である。東北地方太平洋沖地震発生後は余震活動が活発であり、M7クラスの余震も発生している。震源域付近ではプレートがゆっくり滑る余効的な地殻変動が継続し、新たな大地震の発生の可能性もある。超巨大地震の発生に伴い、内陸や火山周辺で日本列島の応力場が変化したことが原因と考えられる地震活動が活発になる現象が見られており、これらを理解するための観測研究を推進する必要がある。
超巨大地震やそれに起因する現象を予測するために、プレート境界で滑り欠損がどこで生じているかなどの地殻活動の現状把握のためのモニタリングや過去の地震発生履歴の調査を強化する必要がある。超巨大地震は低頻度の現象のため、その発生予測には、発生機構を解明し、予測シミュレーションに向けた物理モデルの構築が必要である。また、新しい統計的な手法を用いた予測手法の開発を行うことも必要である。また、観測データの即時処理により、地震動予測のみならず津波予測を高精度で行うためのシステムの研究開発を進めることも重要である。
超巨大地震とそれに起因する現象を解明して予測するには、陸域からの観測だけでは精度が不足しており、海溝軸付近の地殻変動や地震活動などを精度よく実時間で観測する必要がある。深海底での観測には、既存の海底観測技術を高度化するための技術開発が必要である。さらに、沈み込み帯で発生する超巨大地震の発生履歴を理解するためには、沿岸域での古地震調査だけでは限界がある。海溝軸付近の深海底で、地震活動履歴を明らかにすることのできる技術を開発する必要がある。
我が国における地震と火山噴火の発生は、海洋プレートが日本列島下に沈み込み、そのために生じる地殻・上部マントルの構造不均質と力学的・化学的不安定に起因するため、現行計画ではこれら地震と火山噴火現象に共通な場の理解を目指した。特に、島弧マグマの発生場や地震活動と火山活動の相互作用などについて、地震・火山共通の研究課題として取り組み、以下の成果を得た。
上部マントルにおけるマグマの発生や地震発生に重要な役割を果たす、スラブからマントルウェッジへの水の供給に関して、スラブの上方に地震波低速度で低比抵抗の領域が日本列島の多くの地域で確認され、その実態が明らかになりつつある。
また、島弧におけるマグマの発生場に関しては、広域の三次元地震波速度構造の解析により、背弧側深部への海洋プレートの沈み込みと、マントルウェッジ深部からのマントル上昇流に対応する速度分布が得られ、マグマの発生起源が背弧側深部にまで及んでいる可能性が高いことが示された。また、比抵抗構造の解析からも、背弧側深部から火山フロント直下へのマグマの上昇が示唆されるなど、上部マントルにおけるマグマの発生と上昇経路について理解が進んだ。
伊豆半島東方沖では、地殻変動を伴いながら有感地震を含む活発な群発地震が繰り返し発生しており、これらの群発地震の活動様式と発生機構について詳細な研究がなされた。その結果、これらの群発地震はマグマの貫入に伴って発生し、マグマの貫入量の時間変化と群発地震の活動度がほとんどの場合ほぼ比例することが明らかにされた。このことは、地殻変動観測からマグマの貫入量を見積もることにより、群発地震活動の推移をある程度予測できることを示している。この成果は、地震調査研究推進本部において「伊豆東部の地震活動の予測手法（平成22年9月9日）」として取りまとめられ、気象庁の地震情報に活用されることになった。
また、伊豆大島における地震及び地殻変動の解析から、広域応力とマグマ活動による局所的な応力の影響で火山周辺の起震応力場が作られ地震活動はその影響を受けることが示された。さらに、伊豆大島及び周辺海域で実施された構造探査実験などから、マグマ貫入とそれに伴う地震活動が地下構造によって規定されている可能性が高いことが明らかになった。
スラブからマントルウェッジへの水の供給やマグマの発生場及び上昇経路の解明は、地震や火山噴火の発生予測に直ちに役立つわけではないが、地震・火山現象の地球科学的背景の理解に基づく地震及び火山噴火に至る全過程の理解の深化には極めて重要である。今後は、観測から得られるスラブ及びマントルウェッジの三次元構造と、岩石の脱水条件などの物質科学的な研究成果及び数値シミュレーションとの比較研究により、沈み込み帯におけるスラブからの水の供給とマグマの発生・上昇について総合的に明らかにしていく必要がある。
地震活動と火山活動の相互作用に関しては、マグマ貫入による局所的な応力場によって活発な地震活動が引き起こされること、さらに、マグマの貫入量と地震の活発化の関係が定量的に明らかにされて気象庁の地震情報に用いられるなど、火山活動が地震活動に及ぼす影響については顕著な成果が得られた。一方で、地震活動が火山活動に及ぼす影響については取組がまだ不十分である。平成23年（2011年）東北地方太平洋沖地震では、地震波の伝播（でんぱ）による動的応力場の変動により、日本各地の火山直下や火山近傍で火山性地震が誘発され、巨大地震の発生が火山活動に影響を及ぼす事例が確認されている。今までのところ、2011年東北地方太平洋沖地震により誘発されたと考えられる火山噴火は発生していないが、震源域に近い東日本の火山では静的な応力場も変化しており、これらの研究に早急に推進する必要がある。また、上記のような弾性的な応力の変化を介した地震・火山の相互作用だけでなく、今後は地殻深部の粘性緩和や、マグマや火山ガス、地下水等の地殻流体の挙動なども考慮した時間遅れのある相互作用についても研究を進めることが必要であろう。このためには、マグマや地下水などの分布や状態も含めた地下構造についてのより詳細な知識が必要となる。
さらに、現時点では地震・火山分野共通で取り組む研究課題は、マグマの発生場や地震活動と火山活動の相互作用など一部の課題に限られているが、今後は両分野共同で取り組む研究の範囲を広げていくことも必要である。マグマ近傍の火山性地震・微動活動は、高温・高間隙圧の条件下で生じていると考えられ、プレート境界深部の低周波地震・微動と発生環境の類似性が認められる。今後、そのような観点から、両方の研究の交流を進めることも重要であると考えられる。
ここでは、地震予知研究で得られた成果のうち、主だったものを列挙する。
宇宙技術については、GPSデータ解析のリアルタイム化と高精度化が進められ、日本列島の変位速度場が詳細にモニタリングできるようになった。これにより、例えば、2011年東北地方太平洋沖地震のような極めて大きな地震の際には、GPSデータをリアルタイムで解析して断層モデルを推定する手法に一定のめどが立った。また、SAR干渉解析の技術開発も進み、地震時の滑り域の詳細な推定に威力を発揮したのみならず、余効変動についても解析できるようになった。例えば、新潟県中越沖地震発生後、震源断層から離れた場所の活しゅう曲において急速な変動が捉えられた。
海底観測についても高度化が進み、特に宮城県沖における海底地殻変動観測により、東北地方太平洋沖地震前のプレートの固着状態を推定するための貴重なデータを取得できた。また、本震2日前に発生した前震の余効滑りが本震の破壊を促したことや、本震の滑りが海溝近くで約50mにまでなったことを示すデータが得られている。さらに、海底水圧計には津波の特徴を示す水圧変化が明瞭に記録されている。
これらのデータは本震の地震像とその余効変動を理解する上で重要であるだけでなく、津波予測の高度化にも役立つことが期待されるので、データ処理のリアルタイム化を図る必要がある。
岩手県釜石沖のプレート境界において、繰り返し発生するM5前後の地震の震源域の内部や端で幾つかのグループをなすM2～4程度の小地震活動が見付かった。M5の地震発生サイクルの中で、それらの小地震が規則性をもって発生していることが分かった。これにより、大きなアスペリティの中に、幾つかの小さなアスペリティが存在するという階層性を持つことが明らかになった。このようなアスペリティの階層構造を導入したモデルを用いたシミュレーションにより、大きさの異なる繰り返し地震が共存して発生することを再現できた。2011年東北地方太平洋沖地震の震源域は、1978年の宮城県沖地震の震源域を内包しており、M9の地震の震源域内でM7の地震が繰り返してきたことになる。M9の地震が生じた原因を解明するため、このような階層構造を考慮したシミュレーションを行い、新たな地震発生のモデルを構築する必要がある。
西南日本におけるプレート境界では、深さの違いにより幾つかの滑り様式があることが明らかになった。深さ約30km以浅では東南海・南海地震のような巨大地震が発生し得る固着状態にある。深さ約30～50kmの中深部では、短期的ゆっくり滑りと深部低周波微動が発生している。低周波微動は浅いものほど発生間隔が長く、深くなるにつれて短くなる。浅部と中深部の間では長期的ゆっくり滑りも発生している。また、深さ約50km以深では定常的に滑っていると考えられる。つまり、浅部から深部に向かって固着が徐々に弱くなり、深部では安定滑りとなってプレートが沈み込んでいる。中深部で発生する短期的ゆっくり滑りと深部低周波微動はほぼ同期して発生する。これは短期的ゆっくり滑りの発生により小さなアスペリティに応力が集中し、深部低周波微動が発生していると考えられている。長期的ゆっくり滑りの発生によっても同様な機構で深部低周波微動が発生している。さらに、長期的ゆっくり滑りの発生に同期して、海溝近くのごく浅い領域で超低周波地震が発生していることが明らかになってきた。このように、プレート境界では固着の程度により、多様な滑りが起こり、それらが相互に作用していることが明らかになった。
地震波速度構造と比抵抗構造を同じ地域で高精度に推定する観測研究を推進してきた。内陸地震の震源域直下では、明瞭な地震波低速度、低比抵抗の領域が共通して見られる。これは地殻流体の存在を示唆し、それによって強度が局所的に低下するため、その上部に応力が集中して内陸の大地震が発生するという機構が考えられる。
また、東海地方のフィリピン海プレートの沈み込みに伴う長期的ゆっくり滑りによるモーメント解放量の最も大きな領域は、海洋性地殻内における顕著な低速度・高ポアッソン比域に対応している。これは、ゆっくり滑りの発生に流体の存在が関与していることを示唆するものである。
東北地方太平洋沖地震前後の地震の発震機構の解析から、見掛けの摩擦係数が極めて小さく、プレート境界の間隙水圧が極めて高い可能性が指摘されている。また、本震の滑り量が極めて大きく、残留応力がほぼゼロとなる程度まで滑った理由として、摩擦熱によりプレート境界の間隙水が膨張し、その水圧上昇により断層面に働く有効法線応力が低下したことによるとする仮説が提案されている。
東北地方太平洋沖地震の後、内陸の一部の領域で応力場の主軸方向が回転したことが判明した。これは、地震発生域の間隙水圧が高いことにより、内陸の地震発生域の強度が小さい可能性を示している。
これまで二元論のアスペリティモデルを用いて、プレート境界の地震発生を理解してきた。東北地方太平洋側で発生するM8クラス以下の地震の滑り分布はおおむねこのモデルで説明でき、複数のアスペリティの連動という概念を導入することにより、規模の大きな地震の発生についても説明できると考えていた。さらに、過去の地震の滑り分布からアスペリティの位置と大きさを特定し、地殻変動観測や小繰り返し地震の解析から固着度が見積もられていた。それにより、M8クラス以下の地震に関しては場所、規模の推定に関してはある程度の予測ができるものと考えていた。しかしながら、2011年東北地方太平洋沖地震では、M7の地震の余効滑り域でも本震時に滑りが発生し、これまで固着が弱く滑り欠損の蓄積は小さいと考えられてきたプレート境界浅部域で極めて大きな地震性滑りが発生した。これらのことから、アスペリティモデルを抜本的に見直すと同時に、その他のモデルの可能性についても検討する必要がある。例えば、断層の摩擦パラメータが時間変化する柔軟なモデルも考えられる。また、摩擦特性の時空間変化を物理現象や物性に結び付け、アスペリティの実体を念頭に置いたモデルの高度化も必要である。
西南日本では、プレート境界の固着が深さとともに弱くなることにより、巨大地震、長期的ゆっくり滑り、短期的ゆっくり滑り・深部低周波微動、安定滑りと変化していく。また、それらの発生に相互作用が働いていることが明らかになってきた。これらの現象を説明するモデルの構築を通して、アスペリティモデルの高度化や新たなモデルの開発につなげていく必要がある。
内陸地震の理解のため、過去の大地震の震源域近傍で地震波速度や比抵抗構造の調査を行った。その結果、震源断層の深部では、地震波低速度・低比抵抗領域が広がっているという共通の構造的特徴が見出された。さらに、周辺で発生する地震活動は、高速度・高比抵抗領域内で活発であることも明らかになった。震源断層直下では地殻流体の存在が示唆され、下部地殻の強度が局所的に低下し、その直上の上部地殻に応力が集中することにより、内陸地震が発生するという概念モデルが提案された。今後は、地震波速度や比抵抗と物質とを結び付け、地殻流体の移動や温度場の影響も考慮したモデルの高度化が望まれる。
現行計画では、観測を通じて火山下の地殻や上部マントルで進行している諸現象を把握し、その結果と噴火シナリオに基づき、火山現象の予測を行うことを目指している。このため、火山噴火準備過程、火山噴火過程及び火山噴火素過程の解明のための研究を実施して火山現象の理解を深めるとともに、モニタリングシステムを整備・高度化し、幾つかの火山において噴火シナリオの作成に着手した。また、火山現象のデータベースを整備して、情報の統合化を図った。さらに、これらの研究に必要な観測技術の高度化も併せて推進した。ここでは、火山噴火予知研究で得られた成果のうち、主だったものを列挙する。
火山のモニタリングシステムに関しては、気象庁により、全国の47火山において地震計・傾斜計等の観測施設の整備が行われたことに加え、防災科学技術研究所による孔井式の火山観測施設の整備も始まり、それらの観測データの共有化と流通が開始されるなど、大きな進展が見られた。また、衛星搭載の高性能光学センサ（ASTER）を用いた観測や、SAR干渉解析や地震波干渉法など、新しい技術や手法もモニタリングに取り入れられ、その高度化が図られた。さらに、宇宙線（ミューオン）による火山体内部の観測が複数の火山において実施されて火道形状が推定され、絶対重力連続観測などとの並行観測が火山のモニタリングに有用であることが示された。
現行計画では、火山噴火の予測システムの開発をより明瞭に志向しているが、現時点では物理・化学モデルに基づく定量的な噴火活動推移予測は困難である。そこで、火山噴火予測システムとして、まずは主に過去の噴火事例や地質学的情報に基づいて、三宅島と霧島山（新燃岳）の噴火シナリオが作成され、桜島においても噴火シナリオのプロトタイプが作られた。さらに、噴火活動中の新燃岳に新たに作成された噴火シナリオを適用し、噴火シナリオとモニタリングデータを用いて噴火予測が試行され、その有効性と課題が明らかになった。
地震観測や地殻変動観測に火山体の構造調査を組合せることにより、マグマ供給経路の解明と火山浅部へのマグマの上昇・蓄積過程の理解が進んだ。また、マグマ噴火を繰り返しながら更に規模の大きな噴火への準備過程にあると考えられる桜島と、静穏期を経て噴火に至る伊豆大島をモデルケースとした観測研究から、マグマ蓄積過程の多様性についても重要な知見が得られた。
このうち、噴火を繰り返している桜島では、火道が開放状態にあると考えられる。人工地震を用いた構造探査により、姶良カルデラのマグマだまり（深部マグマだまり）と桜島直下のマグマだまり（浅部マグマだまり）を結ぶ場所に、マグマの通路を示唆する地震波低速度域が見いだされた。さらに、地殻変動や地震活動・発震機構解の特徴などから、深部マグマだまりと浅部マグマだまりをつなぐマグマ供給系が明らかになった。噴火活動は、浅部マグマだまりへのマグマの供給と火口からの火山噴出物の放出の収支バランスに支配され、これが噴火の多様性につながっている。また、深部マグマだまりでは、浅部マグマだまりにマグマを供給しながら、更に規模の大きな本格的噴火に向けてマグマ蓄積を継続していることが明らかになった。
一方、現在噴火活動を休止している伊豆大島においては火道が閉鎖状態にあり、約3年周期で間欠的に山体の膨張と収縮が観測されている。これは、マグマの火山浅部への上昇・蓄積と深部への還流が繰り返されていることを示している。また、火山体構造探査結果との対比から、マグマ蓄積場所の深度が地下の密度構造に支配されていることが示された。
このように、マグマ上昇・蓄積過程は火道が開放系か閉鎖系かによって違いが見られ、開放系の場合はマグマの収支バランスに支配され、閉鎖系の場合では地下構造が大きく関与している。
爆発的噴火が頻発する桜島、諏訪之瀬島、スメル火山等において高精度の多項目観測が行われ、火口近傍で観測を実施すれば爆発的噴火の直前の山体膨張を検知できることが示された。さらに、諏訪之瀬島やスメル火山では、噴火に先行する山体膨張の速度と噴火規模に相関があることも明らかになった。また、火山ガスのモニタリングにより、幾つかの火山において噴火の発生直前に火山ガス放出量がいったん減少することが明らかになった。これらは、観測により爆発的噴火の発生時期と規模を直前予測できる可能性があることを示しており、火山噴火予測にとって大きな成果である。
一方、有珠山では、水蒸気爆発とマグマ水蒸気爆発の発生条件が、火山浅部の帯水層の深度によって説明できることが示され、噴火の推移と多様性にはマグマの物性や状態のみならず、火道の周囲の構造や地下水などの環境も重要であることが明らかになった。
さらに、桜島の噴出物の分析から、玄武岩質マグマの関与の度合いが噴火規模を支配している可能性が高いことが示されるなど、マグマの発達過程と噴火規模・様式の関係についても重要な知見が得られた。
現行計画では、社会に対する火山噴火予知研究の成果として、火山噴火予測システムの構築を目指した。幾つかの活動的な火山において、火山噴火予測システムとして噴火シナリオが作成され、それを用いて噴火予測の試行が行われたことは、現行計画の着実な進捗を示すものである。しかし一方で、火山噴火の発生頻度が低いため、過去の噴火事例についてのデータや情報が質・量共に不足しており、噴火シナリオの作成と高度化は容易ではないことも認識された。現在の噴火シナリオは、火山噴火予測システムとしては定性的で初歩的なものであり、今後、更に掘削などの地質調査を組織的に行うなどして噴火履歴に関する情報の量と精度を上げるとともに、噴火現象解明研究の成果を取り入れながら、噴火シナリオの高度化に取り組む必要がある。噴火シナリオは、現在の火山学の知識を火山防災に効率的に役立てるものであり、この観点からも引き続きその作成と高度化を推進すべきである。
火山現象を予測するためには、上記のような予測システムの構築に加え、モニタリング能力の向上が不可欠である。火山現象を対象としたモニタリングには、地震現象の場合と異なり、火山ガスや赤外映像、可視映像等の多項目の観測が必要であり、火山観測に特化した基盤的観測網の整備を推進する必要がある。これらの基盤的観測網の整備によりモニタリング能力の向上を図るとともに、地震の基盤観測網などの現有の研究資源も最大限に活用して各機関の観測網のデータの交換と共有も併せて進めることが必要である。また、モニタリングの更なる高度化を目指して、新たな火山観測技術の開発にも引き続き取り組む必要がある。
火山現象の解明は、火山噴火予測システムを構築する際の基礎となり、噴火シナリオの中の事象分岐において判断基準を策定する際に必要である。このため、国内外の火山において観測研究を行い、マグマ蓄積過程や噴火過程に関して解明を進めるとともに、それらの多様性についても理解を深めた。今後も多くの火山における比較研究を推進して、これらの多様性を生じる機構の解明を目指すべきである。また、桜島のような重点的に観測研究の対象とする火山を引き続き設定して、多項目観測や地質学的調査を集中的に実施する必要がある。そこでは、マグマだまりにおけるマグマの蓄積と発達過程、火道の状態や構造、上昇するマグマに含まれる揮発性物質の挙動などを明らかにし、火山現象の定量的理解を目指す必要がある。さらに、定量的理解に際しては、マグマの分化・発泡・脱ガス過程等の素過程の理解が不可欠であることから、数値シミュレーションや室内実験などの研究も併せて推進する必要がある。
これらの研究を支援するものとして、データベースの構築も重要である。これまでの火山噴火予知計画において、火山地質図や火山地形図などの火山活動基礎資料が年次的に整備され、活用されてきた。また、火山ハザードマップが作成され、噴出物の年代や化学分析値のデータベースが整備されるなど、火山防災のための基礎資料の充実も図られてきた。しかし、火山噴火予測システムの構築に資することを強く意識した統合データベースの整備は必ずしも十分ではなく、今後はその構築に向けた取組が必要である。また、現象解明研究を含め現行計画の各課題で得られたデータ、研究成果などを容易に閲覧、利用できるようなデータベースの構築も進めるべきである。
地震及び火山噴火の発生から逃れられない我が国の地学的な立地を考えると、地震や火山に関する研究を推進し、その成果を地震や火山の防災や減災に役立てることは、国の責務である。国の地震調査研究推進本部の進める調査研究と現行計画が互いに補完して、国民の要求に応える必要がある。現行計画は、研究者の自由な発想に基づくボトムアップによる研究であり、萌芽（ほうが）的な研究や基礎的な研究を推進するには適した研究体制である。一方、地震調査研究推進本部が推進する調査研究はトップダウンで行い、大規模で組織的な研究を推進するには適した体制である。地震発生の予測の方法が確立していない現状を考えると、両者が役割分担し、協力して地震研究を推進すべきである。また、現行計画の成果が、今後も地震本部の施策の立案などに積極的に取り入れられることを期待する。
一方、火山研究分野においては、地震調査研究推進本部のような政策課題対応型による研究推進の体制は存在していない。我が国の火山防災及び減災対策を充実するためには、国として火山調査研究に関する総合的かつ基本的な施策の立案や、総合的な観測研究計画の策定などの取組を行うトップダウンによる推進体制の確立が必要である。
地震・火山現象を理解し、予測するための研究には、継続的に高精度の観測データを取得し、観測研究に活用する必要がある。国が整備した地震に関する基盤的調査観測網は、地震発生の予測を目指す本研究の推進に不可欠なものとなっており、今後も継続的に維持されることを期待する。陸域の基盤的な観測については、我が国は世界的に見ても極めて高度な観測網を有している。一方、海域は観測網の設置が困難であるため、その整備が遅れていた。国土の四方を海に囲まれ、海域で巨大地震が発生することを考えると、今後は海域の観測網が整備されることを期待する。また、陸域においても、観測点の設置が困難な火山周辺では整備が遅れている。火山噴火予知の高度化のためには、火山周辺に基盤的観測網を整備することが必要である。
地震や火山噴火の発生直後の観測データは、地震発生や火山噴火機構の解明に重要である。現行計画において、内陸地震発生場や火山周辺の構造の特徴などについて、大学などは機動的な観測から幾つかの重要な研究成果を上げている。研究目標を明確にして、基盤的な観測網を補うような機動的な観測を実施することは、地震や火山噴火現象の理解に有効であり、機動観測を高度化することが重要である。
観測研究計画推進委員会は、大学の地震・火山噴火予知研究協議会企画部と協力し、現行計画に基づく年次計画の策定、研究の進捗状況の把握、研究計画の見直しを実施している。現行計画の推進の中核としての機能は大変重要であり、今後もその機能を継続するとともに、現行計画に参加している機関の連携強化のため、活動を強化する必要がある。
現行計画の主たる担い手である大学においては、共同利用・共同研究拠点である東京大学地震研究所に設置された地震・火山噴火予知研究協議会の機能を利用し、連携を強化して計画を推進している。東京大学地震研究所が三つのサイエンスマネージメントセンターを設置したことにより、全国の大学の研究者が連携した研究計画の推進、大規模な観測研究の実施、研究の基盤となる観測データやデータベースの充実が期待できる。それと同時に、各大学における部局附属の研究センターなどにおいても、それぞれ特色を持った研究組織として、研究を進めることが重要である。
現行計画の継続的な推進のためには、人材の確保と育成が極めて重要である。各大学は、若手人材の育成や確保のため、地震及び火山研究分野の学部学生、大学院生の教育に力を入れるとともに、博士研究員や大学院生の研究環境の改善を目指した取組が必要である。また、大学や関係機関においても、研究者のポストの増員が望まれる。地震や火山災害から逃れられない我が国においては、防災機関に地震及び火山に関する専門知識を持った職員の配置が望まれる。研究成果の社会への還元の観点からも専門知識を有した防災担当者の必要性を社会に丁寧に説明し、地震及び火山の専門家が社会の中で活躍できる場の拡大を図りつつ、人材の確保及び育成に努める必要がある。
地震・火山現象に関する理解を深め、地震及び火山噴火予知研究を推進し、災害軽減に資するためには、国内外の地震・火山活動に関する国際共同観測・比較研究などの国際共同研究や国際協力が重要である。特に、2011年東北地方太平洋沖地震のようなプレート境界で発生する超巨大地震や、カルデラ形成を伴う極大噴火などの低頻度大規模現象を正確に把握するためには、他の地域との比較研究や国際協力によるグローバルな観測と研究体制が不可欠である。大学や関係機関は互いに協力して、国際交流を一層推進する必要がある。
大学や関係機関は、研究成果が国や関係自治体の施策に反映されることや、専門知識や観測データが地震調査委員会や火山噴火予知連絡会が行う地震や火山の活動評価に役立てられることにより、現行計画に基づく観測研究成果を社会へ還元してきた。気象庁は地震や火山の防災情報の高度化を図ることにより、地震や火山の防災・減災に貢献してきた。しかしながら、東北地方太平洋沖地震で大きな被害を生じたことは、地震及び津波予測の限界を社会に十分に周知できていなかった事も要因の一つであると考えられる。今後は、大学と関係機関は防災の専門家と連携し、住民や行政機関と向き合い、地震や火山の研究の現状を分かりやすく継続的に説明するとともに、地震や火山噴火の仕組み、それによる災害、防災・減災の知識について一層のアウトリーチ活動を推進する必要がある。地震及び火山災害を軽減するには、研究成果の公開にとどまらず、その成果を防災・減災に役立てる取組も重要である。現行計画に参画する研究者は、研究成果の公表だけでなく、研究成果の社会への還元にも一層努力する必要がある。
地震予知研究に関しては、平成11年度からの新計画でそれまでの「前兆現象の検出のための観測」を主体とした基本方針を転換し、基礎研究による地震発生過程のモデル化と、モデルとモニタリングに基づく地殻活動予測を基本方針としてきた。また、火山噴火予知研究に関しては、これまで火山観測の強化と火山噴火予知高度化のための基礎研究の推進を両輪として実施してきた。平成21年度からの現行の「地震及び火山噴火予知のための観測研究計画」においても、基本的には新計画の基本方針に沿っており、更に予測システムの開発を明瞭に志向した計画になっている。そのため、現行計画では、計画の実施内容の4つの柱について、
1．地震・火山現象予測のための観測研究の推進
2．地震・火山現象解明のための観測研究の推進
3．新たな観測技術の開発
4．計画推進のための体制の強化
と定め、地震・火山現象予測のための観測研究を第一の柱としている。地震発生予測の研究では数値シミュレーションとモニタリングを、火山噴火予測の研究では、噴火シナリオとモニタリングをそれぞれ両輪として予測を目指している。さらに、予測の基礎となるモデルの構築には、現象解明のための観測研究や観測技術の開発が必要とされ、それらは上記両輪を支えるものとして位置付けられている。
しかし、東北地方太平洋沖地震の発生は、海溝近傍で発生するプレート境界の超巨大地震についての我々の理解が極めて不十分であっただけでなく、その分野に関する研究体制も整っていなかったことを認識させた。我々はこのことを真摯に反省し、研究戦略と研究体制の見直しを行う必要がある。これまでの研究の蓄積によって、プレート境界ではゆっくり滑りとM8以下の地震は別々の場所で発生していることを明らかにするなど、プレート境界での滑りの多様性についての理解が進んでいた。しかしながら、海溝軸近傍におけるプレート境界では固着が弱いと考えられていたため、超巨大地震の発生の可能性をほとんど追究していなかった。また、観測網は陸上に限られており、海溝付近の固着状態については把握できていなかった。さらに、近代観測が始まって高々100年程度のデータから、地震発生モデルの構築と検証を行っていた。これらのことを反省して、地震予知研究の現状を再度確認し、今後は、低頻度大規模現象理解のための観測研究を強力に推進して、予測の基礎となる新たな地震発生モデルを構築する必要がある。
また、火山噴火予知研究に関しても、「適切な観測体制が取られた火山では噴火時期をある程度予測できる」という現状認識であったが、2011年1月に約300年振りに本格的な噴火を開始した新燃岳では、活動の異常を検出し、噴火の可能性が高まってきたことは把握できていたが、噴火時期の正確な予測には至らなかった。このような現状を踏まえると、噴火に至るまでの現象の理解に基づく火山噴火のモデル化のための研究を一層推進する必要がある。
一方で、地震・火山現象の予測は現行計画の最終的な目標であり、今後もその高度化を着実に進め、予測精度を上げる努力を継続することが重要である。さらに、地震・火山噴火の防災・減災への貢献を志向した研究にも力を注ぐべきである。例えば、強震動、津波、降灰、火山ガス等の地震や火山の災害誘因（ハザード）の評価のための研究や防災情報の高度化の基盤となる研究についても積極的に取り組む必要がある。
地震活動と火山活動はどちらもプレートの沈み込みという共通の地球科学的背景を有することから、地震予知研究計画と火山噴火予知計画を統合して共同で研究を進めることは、地震及び火山現象双方の理解に役立つと考えられる。また、研究効率の観点からも、両予知研究で共通の観測システムや研究者などの研究資源を活用できる利点がある。このため、本統合計画では、長期・広域の地震・火山現象の研究について共同で取り組み、上部マントルとマグマの発生場や地震活動と火山活動の相互作用などについて成果が得られつつあるなど、統合の効果が認められる。しかし、両予知研究では直接の研究対象が異なることから、個別の研究課題の多くは現時点では別々に実施され、統合の効果はまだ限定的である。今後は、火山を応力が時空間的に急変するテストフィールドとして地震発生準備過程の研究を行うなど、地震・火山両分野が共同で取り組む研究対象を広げ、地震・火山現象の理解を更に深めていくことが重要である。また、東北地方太平洋沖地震の発生は、広域の地震活動のみならず火山活動にも影響を与えており、巨大地震と火山噴火の相互作用の研究にも速やかに着手する必要がある。
なお、統合計画における研究項目については、地震予測と火山噴火予測の達成度や、それぞれに固有の課題や体制の違いなどにも配慮しつつ、統合の効果が最大限に得られるように、研究項目を再構成する必要がある。
2011年東北地方太平洋沖地震の発生により、現行計画では超巨大地震や極大噴火のような低頻度大規模現象についての研究が、質的にも量的にも不足していたことが明らかになった。
低頻度で大規模な地震や火山現象の研究は、通常の地震や火山現象に比べて事例や各種のデータが極端に少なく、また研究推進方法も確立していないため、短期間で結果が求められる競争的研究体制では成果が得にくいと考えられる。現行計画のように、研究者の自由な発想に基づき研究推進方法を模索しながら、長期に継続して推進する体制でなければ、低頻度大規模現象の解明や発生予測の研究は成し得ないと考えられる。
現行計画の中でこのような研究を行う場合には、過去の現象や世界の他の地域で発生する現象を研究することにより事例を増やし、理解を深める必要がある。そのためには、地球物理学的観測を主体とした研究だけではなく、地質学分野や考古学分野との連携が一層重要となる。また、国内の地震・火山噴火だけでなく、海外で発生した低頻度大規模現象についても、積極的に国際共同研究や比較研究を行うことが必要である。さらに、観測研究を補完する理論的研究及びシミュレーション研究や科学掘削などの能動的調査研究も積極的に推進する必要がある。
地震や火山噴火が大規模であれば、観測施設やデータ通信網に大きな障害が出ることも予想される。大規模低頻度現象が継続している期間やその直後の観測データは、希少であり、しかもそれらの現象の発生機構を解明する上で極めて重要であるため、地震及び火山噴火予知研究の基盤となる基盤観測網については、観測施設やデータ通信網の堅ろう化、冗長化が望まれる。また、大規模な機動的な調査・観測を即時的に実施する体制の整備も考慮に入れる必要がある。大規模低頻度現象が発生した後の推移を正確に理解するため、超巨大地震による強震動や津波、広範囲かつ長期にわたって誘発される地震や火山活動に関する研究、巨大噴火により誘発される地震や津波、環境変化等の研究についても連携して推進することが必要である。
国際的な共同研究により、国内の地震活動や火山活動と海外の多様な活動とを比較研究することは、地震及び火山噴火予知研究の高度化のために有効である。そのため、これまでも海外で大きな地震などが発生した場合は、科学研究費補助金などにより海外での調査研究を実施してきた。最近では、JST－JICA地球規模課題対応国際科学技術協力事業により、インドネシアやフィリピンなどにおいて国際共同研究がなされ、大きな成果を上げている。しかし、これらの多くはいずれも比較的短期間のプロジェクトであるため、研究内容も限られ、長期的な視野に立った観測研究を実施することができず、地震火山活動について十分理解を深めることは困難である。一部の大学では、相手国との協定により国際共同研究を実施すると同時に人材育成に長期的に取り組んでおり、継続的な協力関係が構築され、円滑な国際共同研究が推進されている。このような取組を大学と関係機関が協力して組織的に推進し、相手国・機関との信頼関係や協力関係を長期間継続できる体制の整備が必要である。また、アメリカのように海外の地震や火山噴火に即応して観測支援や国際共同研究を推進する組織が、我が国の地震及び火山噴火予知研究機関にないことも、国際化が進まない一因であり、今後の体制整備とともに、国や在外公館の協力も望まれる。
国立大学の法人化以降、火山噴火予知研究計画の中核を担っている大学の観測体制の維持、人材及び予算の確保などが年々厳しい状況になりつつある。予知研究は、長期にわたる観測が不可欠であり、その観測研究基盤は国が責任を持って整備し維持する必要がある。特に、火山噴火予知研究においては、地震調査研究推進本部に当たる政策課題対応型の研究推進体制がないことにより、研究基盤の整備が遅れている。観測研究の推進には火山に特化した基盤的観測網の整備が必要である。そこでは、地震、傾斜、GPSに加えて、空振、映像、磁力、熱、火山ガス等の多項目観測を実施する必要がある。法人化した大学が独自にこれらの観測網を設置し、長期にわたり維持・更新していくことは極めて困難であり、国による計画的な観測研究基盤の整備を着実に進めていくべきである。また、火山噴火予測の高度化のためには、全国の活火山における噴火履歴の調査などを実施する必要がある。これらを組織的・計画的に実施し、火山防災・減災を実現するためには、国が主導する組織・体制を検討する必要がある。
地震及び火山噴火予知研究の成果は、社会へ還元され防災・減災に役立てられなければならない。これまで、地震・火山噴火の予測の実用化による災害の軽減を最終的な目標として観測研究計画を推進してきたが、物理モデルに基づく実用的な予測までの道程は、2011年東北地方太平洋沖地震の発生により、想定していたよりも遠いことが明らかになった。しかし、これまでの観測研究により、地震・火山噴火現象の理解は格段に進み、シミュレーションによる現象の再現は可能になりつつある。これらの成果を踏まえ、他分野との連携も含めた新たな研究項目を取り入れ、今後も予測のための観測研究を継続することが重要である。
一方、地震発生や火山噴火の予測の実用化で減災に貢献するだけでなく、現在の到達点における研究成果の還元にも、積極的に取り組むべきである。実際、現行計画の成果は、地震の長期評価、地震・津波や火山のハザードマップ（危険度マップ・防災マップ等）、余震の発生確率、伊豆東部火山群における地震の予測的情報、緊急地震速報、噴火警戒レベル等の防災情報の基盤となる科学的根拠を提供し、その高度化に大きな役割を果たしてきた。今後も、地震や火山の災害誘因（ハザード）の評価のための研究や防災情報の高度化の基盤となる研究についても積極的に取り組み、これらの研究成果の社会への還元を通して、地震や火山の防災・減災に貢献すべきである。
現行計画の地震と火山研究の統合によって、、地震発生予測及び火山噴火予測に関する観測研究の成果は順調に上がってきた。地震波速度構造や比抵抗構造からマグマ発生・上昇過程の描像が得られるようになり、また、地震と火山の相互作用についての理解が進んだ。今後も地震と火山研究の両分野共同で取り組む研究の範囲を一層広げるべきである。
このうち、地震発生予測研究では、プレート境界での滑りの多様性と相互作用についての研究が進められた。また、地震発生サイクルの理解が進み、シミュレーションの高度化が図られた。さらに、地震発生に及ぼす流体の影響についての理解が進み、内陸地震発生の概念モデルが高度化された。
そして、火山噴火予測研究では、噴火予測システムとして噴火シナリオの作成が行われた。また、マグマ蓄積過程とその多様性の解明が進んだ。爆発的噴火直前の山体膨張から、噴火発生時期と規模の直前予測の可能性が示された。さらに、火山噴火の推移とその多様性の研究が進んだ。海底地殻変動観測や海底地震観測、宇宙技術を用いた新たな観測技術の開発が進み、地殻活動のモニタリングの高度化が図られた。
一方、2011年東北地方太平洋沖地震の発生により、巨大な津波が発生し、甚大な被害が発生した。この地震は我々の認識を超える現象であり、これまでの地震発生モデルの見直しを迫るものであった。このことを踏まえ、地震・火山噴火予知研究の現状を再度確認し、研究戦略の見直しを行った。今後は、超巨大地震のような低頻度大規模現象の理解と予測についても観測研究を強力に推進し、予測の基礎となる新たな地震発生や火山噴火に至る過程をモデル化する必要がある。
現行計画では、地震や火山の現象解明や発生予測研究を通して、社会への貢献を目指してきた。今後は、「社会の中の科学」であることを一層自覚し、地震発生や火山噴火の予測の実用化による災害の軽減を目指すだけでなく、現時点の研究成果を社会に積極的に還元し、地震や火山の災害誘因の評価や防災情報の高度化の基盤となることを通して、地震や火山の防災・減災に貢献すべきである。
研究開発局地震・防災研究課