日本で地震や火山噴火が発生することは，日本列島下にプレートが沈み込んでいることが大きく関与しているが，プレートの沈み込みと地震や火山噴火の発生機構は完全には解明されていない。地震や火山噴火発生の基本的な仕組みを解明し，長期的に見たときに日本列島はどのような場にあるのかを明らかにすることは重要である。そのため，日本列島及びその周辺域で，長期的なプレート運動とそれに伴う応力場を明らかにし，上部マントルにおける水の供給や循環過程及び島弧（とうこ）の発達過程を規定するマグマの生成・上昇機構に関する理解を深め，これらの流体と地震発生との関係を解明することが重要である。このためには，水やマグマ等の地殻流体の分布を含む広域の地殻・上部マントル構造を明らかにし，プレートの沈み込みによって生成されるという共通の地学的背景を持つ地震活動と火山活動の相互作用に関する研究を推進する必要がある。さらに，地震現象の予測精度向上に不可欠な長期的な地震発生サイクルに関する理解を深めるために，アスペリティやセグメントの破壊様式について，過去の活動履歴を明らかにすると同時に，長期的な内陸の地殻ひずみの時空間分布を解明する必要がある。2011年東北地方太平洋沖地震は，まさしく，「長期・広域の地震・火山現象」の研究が極めて重要であることを我々に示した。今後は，異分野間の研究交流や共同研究，更には，海外の沈み込み帯の比較研究などの国際協力による研究を推進して，巨大地震の発生に至る過程を明らかにしていく必要がある。
伊豆小笠原諸島を含む地殻変動データの解析により，伊豆弧がフィリピン海プレート本体とは独立に移動していることが分かり，伊豆弧において背弧拡大が現在も進行していることが明らかになった（背弧拡大の速度は約9 mm/年）。これまで背弧拡大は地質学的・地震学的研究からも示唆されてきたが，測地学的研究により今回初めて実証された。また，東北地方太平洋沖地震の地震時の変動とその後の余効変動が遠方のロシアで観測された。このことは，このような大陸プレートの運動を考える上で，太平洋プレートの挙動の影響が無視できないことを意味する。
日本列島－ユーラシア大陸東縁を含む北西太平洋地域の地震波速度構造を推定した結果，沈み込んだ太平洋プレートが，深さ約500 kmの遷移層に停留している様子が明瞭に捉えられ，更に直上のマントルウェッジには大規模なマントル上昇流が存在することが明らかになった。このようなマントル上昇流は大陸リソスフェアの薄化や大陸の火山の形成に大きな役割を果たしていると考えられる。さらに，日本列島の背弧側から火山フロント直下へ続くマントル上昇流は，地震波低速度・高減衰域としてのみならず低比抵抗域として捉えられた。このマントル上昇流は南北方向に不均質に分布し，活火山の直下では低速度と減衰の度合いが特に顕著になるなど新たな知見が得られた。さらに，数値シミュレーションにより，沈み込んだスラブ内やマントルウェッジ内の岩石組成や流体の移動が推定できるようになってきた。
地震波の散乱挙動を解析することで，日本列島の地殻及びマントル浅部の短波長の不均質性強度の空間分布が推定された。短波長不均質の度合いは，東北地方などの火山地域で強く，西南日本では弱いことが示された。また，紀伊半島や南九州の深部において，沈み込むフィリピン海プレートの海洋性地殻が脱水変成作用を受けて低速度層から高速度層へ遷移することが判明した。
地殻内大地震や東北地方太平洋沖地震後の誘発地震の震源域の直下には，局所的に低速度・低比抵抗域が存在するという観測事例が増えており，地殻流体の関与が示唆される。例えば，蔵王山を含む宮城県南部における比抵抗構造によると，火山帯に沿う地殻深部の低比抵抗体と，長町利府断層の直下に対応する前弧側に位置する低比抵抗体の存在が明らかになった。また，非火山性群発地震活動が最も活発な和歌山地域の震源域直下に，その震源域の大きさにおおむね対応する低速度・低比抵抗域が存在することが示された。これらから総合的に判断すると，地殻流体が存在する場所における地殻は塑性変形しやすく，その結果，その周囲の脆性的領域では応力集中が引き起こされ，地震が発生するというモデルが最も妥当と考えられる。
伊豆大島及び周辺海域の構造探査実験の解析により，マグマ貫入によって火山周辺に起震応力場が作られ，地震活動の特徴は地下構造に規定されていることが明らかになった。具体的には，火口直下において下部地殻の上面が地下浅部へ盛りあがる凸形状を示していると考えられる。さらに，これまで観測された山体膨張・収縮の圧力源（図9中の☆印）の多くは上部地殻の深部に位置し，この場所でマグマの密度と周りの岩石の密度がほぼ一致してマグマが上昇しにくくなり，マグマが蓄積しやすい場所となっていることを示唆する結果が得られている。これまで観測された地震活動が，凸形状を示す下部地殻の周辺部に集中して発生する点も興味深い。また，約3年間隔で繰り返されるカルデラ北部でのマグマ蓄積過程や東北地方太平洋沖地震に伴うΔCFFの変化を推定したところ，極めて小さな応力変化で地震活動が励起されることがわかった。
反射法地震探査から得られる地下の地質構造を基に，東北日本弧の背弧域における鮮新世以降の地殻水平短縮量は10～15 kmであることが示された。この結果から換算すると，東北日本弧全体で水平短縮速度が3～5 mm/年となるため，(1)東北日本弧における非弾性ひずみの蓄積速度が，測地学的に観測されるひずみ速度に比べておよそ一桁小さく，(2)したがって過去100年間以上にわたって東北日本弧に蓄積された大きなひずみの大部分が弾性ひずみであること，及び(3)その弾性ひずみは太平洋プレートの上側境界面で起こる超巨大地震に伴って解消されるという従来の仮説が裏付けられた。
東北地方太平洋沖地震の発生を受け，青森県から千葉県にかけて（岩手県を除く），太平洋沿岸における津波の高さや浸水域の確認と津波堆積物調査が行われた。その結果，仙台平野や石巻平野での津波浸水域は，既往研究で解明されていた869年貞観地震の浸水域とほぼ同規模であることが判明した。また，津波堆積物の到達限界と実際の津波浸水域の範囲との関係や，浸水深（津波の地表面からの高さ）と津波堆積物の厚さや構成物の特徴（粒径や微化石），堆積構造との関係など，津波堆積物に基づく今後の津波規模評価において基礎となる貴重なデータが数多く取得された。
地震発生の準備過程を解明するために，地殻とマントルで応力が特定の領域に集中し地震発生に至る過程を明らかにする。プレート境界地震に関しては，アスペリティ分布の推定精度を向上させるとともに，アスペリティ域の物性に関する研究を進めることにより，プレート境界の滑りを説明するための「アスペリティモデル」の高度化を図る。さらに，プレート境界面上の非地震性滑りの時空間変化を高精度に把握するとともに，アスペリティ間の相互作用についても理解を進める。内陸地震に関しては，広域の応力によって非弾性変形が進行して，特定の震源断層に応力が集中する過程を定量的にモデル化する。地震発生層（上部地殻）と下部地殻・最上部マントルの不均質とその変形の空間分布を把握し，ひずみ集中帯の形成・発達と地震発生に至る過程に関する定量的なモデルの構築を行う。また，スラブ内地震の発生機構を解明するため，スラブ内の震源分布や地震波速度構造を詳細に明らかにし，スラブ内に取り込まれた流体の分布と挙動の解明を図る。
GPS/音響結合（GPS/A）方式の海底地殻変動観測や海底水圧観測により，東北地方太平洋沖地震発生に伴って，最大で東南東方向に約31 mの水平変動，約5 mの隆起変動が観測された。陸域のGPS観測データに海底地殻変動観測データを加えて本震時の滑り分布を推定した結果，海溝寄りの深さ10～20 kmの領域で最大約80 mの滑りが推定された。したがって，海溝軸付近のプレート境界でもひずみエネルギーが蓄積されていたことが示唆された。また，想定宮城県沖地震の震源域でも5 m以上の滑りが推定され，M7クラスの地震の数回分の滑りに相当するひずみが解放されたと考えられる。
余効変動は，地震時の変動と同様に東向きの成分が卓越しており，地震発生後10か月の間に岩手県中部沿岸で最大90 cm弱の水平変動が観測された。推定された余効滑りは，地震時の大きな滑り領域の深部延長である岩手県沿岸部で最大となっている。最大滑り量は2.9 m，モーメントマグニチュード（Mw）8.57に達している。
東北地方太平洋沖地震の発生前に日本海溝沿いのプレート境界で発生したM6以上の地震について，地震時の滑り及び地震後の余効滑りによるモーメントを比べると，2005年宮城県沖の地震に関しては，両者がほぼ同程度であるのに対して，2008年及び2010年の地震では，後者が前者に比べてはるかに大きいことが判明した。また，これらの滑りは東北地方太平洋沖地震の震源域を取り囲む場所で発生していた。一方，地殻変動データを再解析した結果，2011年3月9日の最大前震の滑り域及びその後の前震活動域の浅部延長部において，2008年にもゆっくり滑りが発生していたことが示された。
余震活動は1994年三陸はるか沖地震の震源域より北には伸びなかった。このことは，1994年の地震とその後の余効変動により，ひずみエネルギーが解放されていたためと考えられる。また，余震分布の北端の位置は，本震発生からの経過時間の対数に比例するように拡大したことも指摘された。
トモグラフィー解析により推定された東北地方太平洋下のプレート境界直上の地震波速度構造によると，宮城県沖を中心に高速度異常域が見られるのに対して，その南北の岩手県沖及び福島県沖では低速度異常となっている。高速度異常域は本震時の滑り量が特に大きい領域とほぼ一致しており，構造不均質に起因する摩擦特性の違いが滑り域を制約している可能性がある（図4）。また，1900年以降のM6以上のプレート境界地震や東北地方太平洋沖地震のM7以上の余震の震源の多くは，高速度異常域内あるいは低速度異常域との境界付近で発生していることもわかった。
最大前震とその余震活動は，海溝軸から30 km程度までの上盤側のP波速度が極端に小さい領域ではほとんど見られないが，この領域は特に大きな地震時滑りが推定されている領域に相当しており，低P波速度の未固結堆積物の存在が，本震発生までは非地震的でありながら地震時に大きな滑りを起こしたことになる。
関東地方における東北地方太平洋沖地震後の相似地震活動の解析結果によると，太平洋プレート上面に加え，フィリピン海プレート上面のほぼすべてのグループで発生間隔が短くなっており，広範囲にわたって，両プレート上面における非地震性滑り速度が加速したことを示唆している。
中長期的なゆっくり滑り（SSE）は，房総半島南東沖，東海地方，豊後水道の３領域に限られていたが，新たに日向灘においても半年から1年程度の継続時間をもつSSEが，2005年以降約2年間隔で繰り返し発生していることが明らかとなった。その滑り域は，1996年12月の日向灘の地震の余効滑り領域の深部側とほぼ重なり，余効滑り域でSSEが発生し得ることが指摘された。
GPSデータの詳細な解析から，北海道東部の屈斜路カルデラから阿寒カルデラにかけての地域が，「ひずみ集中域」となっていることが判明した。このことは，屈斜路カルデラ中心部直下の深さ5 kmから20 kmの領域で低比抵抗異常が推定されていることからも支持される。
福岡県西方沖の地震（2005年）の余震観測データの解析から不均質な応力場が検出され，地震断層深部の破壊開始点付近で本震時滑りの数十パーセントに相当する滑りが発生している可能性が示唆された。GPSによる本震時滑りや余効滑りのモデルを考慮すると，この滑りは地震前から発生していた可能性があり，これが本震の破壊を引き起こした可能性が指摘された。
2011年4月7日に宮城県沖で発生したM7.1のスラブ内地震の震源域周辺の詳細な地震波速度構造を推定した結果，本震及び余震は低速度領域で発生していること，断層面とプレート表面とのなす角は約60 度であることがわかった。これらのことから，かつてこの地震の震源域がアウターライズ周辺に位置していた時に，この地域で特徴的な正断層運動によってプレート内に水が取り込まれて含水化した後，沈み込みの進行に伴う温度・圧力の上昇によって脱水分解反応が起こり，断層面に高い間隙圧の水が供給された。そのため，断層面の強度が著しく低下した状態のところに，東北地方太平洋沖地震の地震時滑りによって断層面でのせん断応力が増加したため，地震が誘発されたものと解釈された。
火山噴火予知研究の目標は，噴火の時期，場所，規模，様式及び推移を予測することである。現状では，研究が進んでいる幾つかの火山において，観測と経験則により異常の原因が推定できる段階になっているが，これを，現象を支配する物理・化学法則を明らかにし，それに基づいたモデルと観測結果を合わせて将来の予測ができる段階に引き上げることを目指している。火山噴火準備過程研究計画では，噴火に至るまでの現象を理解するため，マグマ上昇・蓄積過程の解明と，地質学的研究による噴火履歴，及び，マグマの発達過程の解明を2本の柱として研究を推進している。
マグマ上昇・蓄積過程は多様であるが，地盤変動の時間変化と噴火活動との関係に注目すると，1)静穏期にある火山への繰り返しマグマ貫入，2)噴火活動によるマグマ放出のある火山への繰り返しマグマ貫入，に大別できる。1)について，伊豆大島及び岩手山の膨張・収縮変動を解析し，その圧力源の位置や付随する諸現象から，静穏と思われる火山でも繰り返しマグマの貫入が起こっていることを裏付ける重要な結果が得られた。2)のタイプにおいては，地殻変動に加えて，噴出物の時間変化が重要な情報となる。代表例である桜島（図10）においては，山頂下へのマグマ蓄積率の増減が1年ごとに繰り返され，これに対応して表面の爆発活動も多くなる。噴出物の物質科学的分析から，玄武岩質マグマの貫入が山頂下へのマグマ供給率や爆発回数の増加を支配していることが指摘された。また，山頂下への繰り返しマグマ供給に加え，深部マグマだまりへの供給率の増減も5年ごとに現れ，現在活発に爆発活動を続けている昭和火口の活動の最初のピークは，この5年周期の供給率増加期に一致することもわかった。一方，この二つの分類に当てはまらない活動として，山体の膨張が主噴火に直結した新燃岳2011年噴火が挙げられる。この噴火について，地殻変動データを精査した結果，山頂部は単調膨張のまま噴火に至った訳ではないことがわかった。
クリチェフスコイ火山，十勝岳，有珠山，羊蹄山，蔵王山，伊豆大島，桜島で調査を行い，火山の形成年代史とマグマ供給系の発達過程が理解されつつある。最も重要な成果は，桜島におけるマグマ供給系の変遷過程が明らかになったことである。桜島の現在の活動を支配していると考えられる玄武岩質マグマの間歇的関与は，大正噴火の時に始まり現在まで続いていることがわかった。マグマの発達過程がいくつかの火山において示されたことは，噴火様式と直結しているマグマの性質が常に変化しており，将来において過去と同様の噴火を繰り返さない可能性を示唆する。噴火予知という観点では，この点が重要である。
研究開発局地震・防災研究課