松代群発地震
震源域となった松代はフォッサマグナの中央部にあり、中央隆起帯の北西縁付近に位置し糸魚川静岡構造線に近い。中新世後期以降沈降している長野盆地および水内丘陵とは異なった地質区を形成し、相対的に隆起している地域である。数年後に行われた人工地震調査により、水内丘陵と中央隆起帯の境界と考えられる構造が地下に発見されたが、群発地震は境界を越えた水内丘陵内部では発生していなかった。
1967年(昭和42年)には付近の重力分布調査が行われ、皆神山付近には低重力域があり、地下には縦800メートル、横1,500メートル、高さ200メートルのマグマ溜まりが起源と考えられる空洞の存在が推定される。ボーリング調査により、皆神山溶岩は150メートル程度の厚さがあることが確認されており、その下に湖水堆積物が見つかっている。
1930年6月1日の茨城県北部地震(M6.5)、1943年8月12日の田島地震(M6.2)、1949年12月26日の今市地震(M6.2, M6.4)がきっかけになったとの研究があるほか、1964年男鹿半島沖地震 M6.9、新潟地震 M7.5との関連性を指摘する研究がある。別の研究では、松代群発地震に先立って日本海東縁変動帯で発生していた青森県西方沖地震(1964年5月, M6.9)と新潟地震(1964年6月, M7.5)の影響を受けて応力が高まり影響を受けたとする研究がある。
地震の原因としては諸説あり、いくつかを列記する。
地下水の湧出量が多い(10立方メートル)ことから、水噴火説がある。この水噴火説は、『地下深部の高圧な地下水が,割れ目に沿って上昇・拡散する過程で岩石の 破壊強度を低下させて地震を引き起こす』というものである。また、この水は上部地殻中に存在していたものだけでなく、上部マントル付近を由来とする水であることが、後年のヘリウム同位体比の分析技術の進歩により明らかとなった。
地下の溶岩の上昇が関わっており、溶岩の上昇に伴い熱せられた岩が膨張し発生したものと考えられ、観測結果から3箇所のマグマ溜まりの存在が示唆される。
マグマが貫入したとの説もあるが、地磁気の観測データからは否定的な結論が導き出されている。