東北地方太平洋沖地震

東北地方太平洋沖地震は、2011年3月11日14時46分18.1秒に日本の三陸沖の太平洋を震源として発生した超巨大地震である。気象庁による正式名称は「平成23年東北地方太平洋沖地震」。

地震の規模はMw9.0で、日本の観測史上最大規模だった。また宮城県栗原市で最大震度7が観測された。震度7が記録されたのは、1995年の兵庫県南部地震・2004年の新潟県中越地震以来、観測史上3回目である。

この地震による災害を総称して「東日本大震災」と呼ばれる。本震とそれに伴う大津波、その後の余震は東北から関東にかけての東日本一帯に甚大な被害をもたらした。人的被害は災害関連死を含め死者19,759人・行方不明者2,553人・負傷者6,242人となっており、日本における第二次世界大戦後最悪の自然災害といわれている。また、国際原子力事象評価尺度で最も深刻なレベル7と評価された福島第一原子力発電所事故も併せて発生した。

1. 概要
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この地震は、2011年3月11日14時46分18.1秒、牡鹿半島の東南東約130 kmの太平洋の海底、深さ約24 kmを震源として発生した。太平洋プレートと北アメリカプレートの境界域における海溝型地震で、震源域は岩手県沖から茨城県沖にかけての南北約500 km、東西約200 km、およそ10万平方キロの広範囲にわたった。地震の規模を示すマグニチュードはMw9.0 - 9.1で、大正関東地震のMj7.9, Mw8.2を上回る日本観測史上最大であるとともに、世界でもスマトラ島沖地震以来の規模で、1900年以降でも4番目に大きな超巨大地震であった。

地震によって大規模な津波が発生した。最大で海岸から6 km内陸まで浸水、岩手県三陸南部、宮城県、福島県浜通り北部では津波の高さが8 - 9 mに達し、明治三陸地震の津波を上回る最大溯上高40.1 mを記録するなど、震源域に近い東北地方の太平洋岸では、その急峻な地形もあいまって高い津波が甚大な被害をもたらした。津波は関東地方の太平洋岸でも被害をもたらしたほか、環太平洋地域を中心に世界の海岸に達した。また、宮城県北部で最大震度7、岩手県から千葉県にかけて震度6弱以上を観測するなど広範囲で強い揺れとなり、関東地方の埋立地で大規模な液状化現象が発生した。一方東北太平洋岸では、地盤沈下により浸水被害が長期的に続いている。余震も過去例に無いペースで発生したうえ、通常の余震域外でも地震活動が活発化している。

津波、液状化、建造物倒壊など、東北の岩手県、宮城県、福島県の3県、関東の茨城県、千葉県の2県を中心とした被害は大きく、この地震による死者・行方不明者計約1万8,500人の大半は東北の3県が占めた。また、発電施設被害による大規模停電や一連の震災により、日本全国および世界に経済的な二次被害がもたらされた。

一方、地震と津波を要因とする人災により福島第一原子力発電所事故が発生し、10万人を超える被災者が屋内退避や警戒区域外への避難を余儀なくされた。警戒区域外でも、放射性物質漏れによる汚染が起きているほか、日本の原子力発電所の再稼働問題、電力危機なども発生した。

本地震の特徴として、いくつかが挙げられる。

海溝型地震であったこと 北アメリカプレートと、その下に沈み込む太平洋プレートの境界部、日本海溝と呼ばれる海域で発生した海溝型地震であった。 連動型地震であったこと数十年 - 百数十年間隔で発生する海溝型のM8前後の大地震ではなく、それらが複数同時に発生する連動型地震であった。日本では19世紀終盤の近代観測開始以来初めて明瞭に連動型地震と断定されるものであった。 東北太平洋沖でこのような連動型地震が発生する事態は「想定外」であったといわれている 地質調査や文献調査では、南海トラフ沿いにおいて20世紀中盤から、関東地域において20世紀終盤から広く認識されていた一方、東北太平洋沖、北海道や千島列島の太平洋沖、九州や南西諸島の太平洋沖ではそれぞれ21世紀に入ってからその可能性を示す知見が得られつつあった程度で、地震学界でも強く認識されていなかった。そのため、被害想定でもM8前後の海溝型地震までしか想定されていなかった。本地震後、新たな知見の集約や地震想定を見直す動きが活発化している。 超巨大地震であったこと Mw9.0は「超巨大地震」に分類され、19世紀終盤からの世界観測史上数回しか発生していない未曾有の規模であり、日本国内では観測史上最大の規模であった。 広範囲で強い揺れを感じたこと 規模が大きく震源域が南北に長かったため平行する本州・東日本の広範囲で強く揺れた。また、減衰しにくい長周期地震動によって名古屋、大阪など遠方でも揺れを観測し建物が損壊した。 揺れが長時間続いたこと 本震の地震動は東日本全域で6分間以上継続し、長い揺れとして体感された。長周期地震動は10分間以上、地球を自由振動させる超長周期地震動に至っては数十時間にわたって観測された。断層が滑る過程で、強い地震波を放出する破壊が数回に分けて断続的に発生したことが原因だとする説が発表されている。 短周期の揺れが主体であったこと 地震の規模に比して長周期の揺れは小さく、短周期の揺れが主体であったため、地震による直接の家屋被害は比較的起きにくかったといえる。ただし、家屋被害は宮城県と福島県を中心に広範囲に渡って発生している。 高い津波が発生したこと 東北・関東・北海道などの太平洋岸に数m以上の巨大津波が到達、内陸の浸水が広範囲に及んだ。津波地震でみられるような海溝
寄りにおけるゆっくりとした断層の滑りや、津波が高さを増すような複数回にわたる滑りが生じていたことなどが原因だとする説が発表されている。 大きな地殻変動が生じたこと 東日本全域にわたる東方向への地殻変動や東北太平洋岸の地盤沈下などが、本震により急激に発生、その後も速度を緩めながらゆっくりと進行している。 液状化現象が多発したこと 関東地方の津波の影響を受けなかった埋立地を筆頭に液状化が顕著に現れた。 前震とみられる地震があったこと 本地震発生2日前の3月9日、前震とみられるM7.3、最大震度5弱の地震が三陸沖で発生した。その地震による震度1以上の余震は、本地震発生当日の3月11日午前まで発生している。 余震や誘発地震が多発していること その規模の大きさに比例して余震の回数・規模ともに大きく、地震学で通常「余震域」とされる地域の外で「誘発地震」が発生した。研究者・行政双方から、東日本では本地震による地殻変動の影響などで、被害をもたらすような地震の発生が促されているとの発表がなされており、警戒が強められている。

2. 名称
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地震が発生した3月11日、気象庁はこの地震の現象を「平成23年東北地方太平洋沖地震」と命名した。

英文による名称として

公式の名称、「en」 - 気象庁、平成23年3月11日命名。
「en」 - 日本政府、首相官邸。
「en」 - 防衛省、外務省、国土交通省、経済産業省など。
「en」 - アメリカ地質調査所 、2011年3月16日時点。
「en」 - 英語圏メディア。
「en」 - 英語圏メディア。
「The Great East Japan Earthquake」- 東日本大震災などがある。

地震発生後、しばらくの間は各メディアや組織・団体において震災としての名称は統一されておらず、「東日本大震災」や「東北関東大震災」などの呼称が用いられていたが、日本政府は2011年4月1日の持ち回り閣議で、この地震による災害およびこれに伴う原子力発電所事故による災害を「東日本大震災」とすることを了解、発表し、それ以降は各メディアでの呼称も「東日本大震災」に収束した。なお、気象庁は、地震現象の名称と地震災害の名称との違いに注意を喚起している。

その後、略称として月日より取られた「3.11」という記述も、メディアではしばしば見られるgroup="注"。なお、「3.11」は2011年新語・流行語大賞トップテンに選出された。

3. 本震
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気象庁や防災科学技術研究所などによると、この地震の要素は以下の通り。なお、発生時刻や震源は既知の地下構造モデルによって算出された理論上の精密値であり、実際の要素と多少のずれが生じている可能性がある。

発生時刻: 2011年3月11日 金曜日 14時46分18.12秒
震源: 三陸沖
震源の深さ: 23.74 km
地震の規模
モーメントマグニチュード  9.0
気象庁マグニチュード  8.4
最大震度: 震度7
最大加速度 : 2,933.7ガル
発震機構: 西北西－東南東方向に圧力軸を持つ逆断層型
地震の種類: 太平洋プレートが北アメリカプレートの下に沈み込んでいる沈み込み帯である日本海溝で起きたプレート境界型地震この地震により震度5弱以上を観測した地点は以下の通り。3月30日、4月25日、6月23日に一部の震度データが修正されている。この地震では発生から約3分後の震度速報で震度7が発表された。速報の段階で震度7が発表されたのはこの地震が初めてである。ちなみにこの地震における計測震度6.67は観測当時、史上最大のものである。また、仙台市で震度6強を観測したが、政令指定都市で震度6弱以上の揺れを観測したのは2005年の福岡県西方沖地震以来6年ぶりである。

宮城県栗原市で最大震度7を観測し、激しい揺れは2分間続いた。震度7を観測したのは、2004年の新潟県中越地震以来7年ぶり、観測史上3回目。仙台市内では震度6強を観測した。このほかにも宮城県、福島県、茨城県、栃木県の一部で震度6強を観測するなど、震源域が広かったことから強震が広範囲にわたった。東京都内でも震度5強や5弱の強い揺れに見舞われた。関東地方において震度6弱以上の揺れを観測したのは火山性地震を除けば関東大震災以来88年ぶりである。

また、気象庁の推計震度分布図によると、福島県いわき市で局地的に震度7相当の揺れがあったと推計されたほか、防災科学技術研究所の強震観測網によると、栃木県芳賀町にある観測点で震度7相当の揺れを観測していたことも分かっている。ただし、前者は震度計による観測ではない推計値であり、後日精査した震度および震源データを用いて再作成した推計震度分布では震度6強以下に更新されている。また後者も気象庁が発表する地震情報で使用する震度観測点ではない。

このほかに北海道・東海・甲信越などの一部地域で震度4、近畿でも震度3を観測した。遠く鹿児島市でも震度1を観測しており、震源から1,300 km以上離れていることから、地震波はS波だけでも5分以上かけて到達している。東京大学地震研究所の解析によると、本震の揺れは東日本全体で約6分間続いた。 日本国内で震度1以上を観測した地点がなかったのは宮崎県・沖縄県の全域と兵庫県・広島県・山口県・高知県・佐賀県・長崎県・熊本県・大分県・鹿児島県の一部地域のみ。長野市松代町の気象庁精密地震観測室は、地震発生から2時間半おきに、この地震によると見られる5回の表面波を確認。地震波は時速14,000 kmで地球上を5周したと見られる。

4. メカニズム
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4.1. 規模
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4.1.1. 日本観測史上最大の規模
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気象庁は当初マグニチュードを、気象庁マグニチュードで7.9と速報値を発表したが、16時00分に8.4という暫定値を発表した。その後、新たにモーメントマグニチュードで17時30分に8.8と発表し、1900年以降で最大だった1933年昭和三陸地震のMw8.4や1963年択捉島沖地震のMw8.5を上回って、日本の近代地震観測史上最大となった。さらに、3月13日には外国の安定した遠地波形データと50分間の観測データを用いて9.0と発表した。通常、日本の地震で使用されるマグニチュードは「気象庁マグニチュード 」と呼ばれるもので、発表されたM7.9、8.4は気象庁マグニチュードの値であったが、M8.8、9.0は「モーメントマグニチュード 」の値であった。M9.0は、大正関東地震の約16倍、兵庫県南部地震の約1450倍のエネルギーに相当する。

気象庁は、地震発生3分後にMj7.9と推定した時点ではマグニチュードの「頭打ち」が起こっているとは認識できず、従来から想定されていた宮城県沖地震が発生したものと判断した。しかし実際には地震があまりに巨大だったため、地震発生から約1時間14分後に発表された暫定値の気象庁マグニチュード8.4でも正確な規模の把握はできなかった。通常15分程度で算出できるモーメントマグニチュードも、国内の広帯域地震計がほぼ振り切れたため対応できず、国外の地震波形データを用いMw8.8と算出したのは約54分後と時間が掛かった。しかし、気象庁松代地震観測所では、アメリカ地質調査所  が運営するライブ・インターネット地震サーバー  などのデータを解析し地震から約10分後にはM9を算出していたがこの計算結果は警報に使用されなかった。また、アメリカ地質調査所は当初、モーメントマグニチュードを8.8と発表、地震発生から約34分後に8.9、約6時間後に9.0と速報値、同15日に確定値を発表し、1900年以降に世界で発生した地震の中で4番目の規模と発表した。

発表値の推移
3月11日
14時49分 速報値 7.9、変位M
16時00分 暫定値 8.4、変位M
17時30分 暫定値 Mw 8.8
13日12時55分 暫定値 Mw 9.0

4.1.2. 海溝型地震・広い震源域
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気象庁や東京大学地震研究所などによると、この地震は、断層面が水平に対して10度と傾きが浅く、西北西-東南東方向に圧縮される、低角逆断層型のずれであった。水平方向の変位量が大きく、東北地方の太平洋沖地域に特徴的なタイプの海溝型地震である。断層の破壊が始まった震源地は三陸沖だが、断層破壊があった震源域は日本海溝下のプレート境界面に沿って南北に長く、最終的に、岩手県沖から茨城県沖までの南北約500 km、東西約200 km、深さ約5 km - 40 kmの範囲で、合計約10万 km2の広範囲に及ぶ。一方、スマトラ島沖地震 では破壊域が長さ1,000 kmを越えたが、東北地方太平洋沖地震ではその半分程度の500 kmの破壊域でM9の規模であり、これは宮城県沖の震央付近での変位量が極めて大きかったことを意味している。

4.2. 連動型地震
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気象庁は地震発生後、この地震は単一ではなく、3つの地震が連動したものと解析した。会見で同庁地震予知情報課の課長は、「5分前後かけて連続して発生するという、複雑な起こり方をしている。極めてまれで、気象庁の観測で初めての経験」と述べた。文部科学省の地震調査委員会は13日に臨時会を開き、破壊断層は南北に400 km、東西に200 kmの広範囲で、少なくとも4つの震源領域で3つの地震が連動発生したと述べた。東京大学地震研究所は、「大きな断層破壊が、1.宮城県沖、2.宮城県のさらに沖合、3.茨城県北部沖の陸に近い部分、の順に起こった」と説明している。このうち第2の断層破壊で非常に大きな地殻変動が起きており、最大滑り量は30 m超あるいは60 mと推定されていたが、最終的にこの滑り量は平均で62 mと計算された。この最大滑り量は2004年スマトラ島沖地震など世界の他の超巨大地震よりも大きく世界最大のものである。震源域の中で強い地震波を放出した点は大きく震源の東側付近と茨城県沖の2つに分かれており、連動型地震特有の長く複雑な破壊過程を経た。震源域が広いため広範囲で揺れを観測し、プレート境界深部が破壊したため震源域近部では強震となった。また、プレート境界浅部が2度にわたって破壊したことで2つのピークを持つ大津波を生じた。

地震波の解析により、プレート境界の海溝側の浅い部分と陸地側の深い部分で往復する形で破壊が進行したことが判明し、2011年5月20日付けのサイエンスに発表された。海溝側の浅い部分の破壊は津波地震の特徴でもあり、これにより津波が巨大化した可能性も指摘されている。

発生から3秒間は浅い海溝側で、3月9日に発生したM 7.3の前震よりも小さい、緩やかな初期破壊。
40秒かけて深部に破壊が伝播し、短周期の地震波により陸上の激しい揺れをもたらす。
続いて発生60 - 75秒後にかけて浅い海溝付近でダイナミックオーバーシュートにより長周期の地震波と大規模な津波を発生。
その後、再び深部へ破壊が伝播し、発生90秒後にかけて短周期の地震波により再度陸上の激しい揺れをもたらす。大きな破壊は100秒後までに止む。この蓄積された歪を超える滑りであるダイナミックオーバーシュートによる強大な津波の発生メカニズムが明らかとなり、1896年の明治三陸地震津波は海溝側の浅部の滑りにより強大な津波が発生したものと理解される。

また、海底活断層や約100万年前に日本海溝から北米プレート下に沈み込んだ海山が関与している可能性も指摘されている。この地域のプレート境界は元来摩擦が少なく固着しにくいとされ、M9規模の超巨大地震が発生した原因はこれまで不明となっていたが、この海山が留め金として働いていた可能性があるという。

小山  らは、本地震が従来連動型地震の起こりにくいとされてきた比較的高角の沈み込み帯である日本海溝で発生したこと、三陸沖中部から茨城県沖の陸側の震源域の連動に加えて海溝寄りまで震源域となり2重の地震セグメント帯  であったことなどから、Single Segmentationと推定される1707年宝永地震や1960年チリ地震などとは異なる発生過程をたどったと考えた。従来低角でチリ型の沈み込み帯に分類されていた南海トラフやチリ海溝南部は地震前には明確な地震空白域を形成しているが、本地震の発生した日本海溝では明確な空白域は見られない、あるいはDouble Segmentationと推定される本地震や1964年アラスカ地震などでは狭い範囲に超大すべり域が存在するなどの特徴が見られ、超巨大地震にも多様性があることが示された。

4.3. 地震波・揺れの特徴
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本地震の本震による揺れの特徴として、広範囲で強い揺れに見舞われたこと、揺れの継続時間が長かったこと、長周期地震動が広範囲で長時間発生したこと、短周期の揺れが主体で家屋被害は比較的起きにくかったことが挙げられる。

本震では、地震動の発生源である断層の破壊が複雑な過程で約150秒間も続いた。この中には、1.宮城県沖3箇所、2.宮城県のさらに沖合、3.福島県沖3箇所、4.茨城県北部沖、5.茨城県中部沖での計5回の大きな断層破壊が含まれており、各地の地震波形にそれが表れている。地震波は秒速3 - 7 kmという限りある速度で伝播するため、異なる場所で発生した地震波が時間差で到達し、破壊継続時間以上の長さで強い震動が継続した。後日の詳細な震源過程解析によれば、例えば野津厚はSPGAモデルを導入し、発震からの約150秒間を9のサブイベントに分けることで地震波形を精度良く再現できるとしている。

野津の解析によるサブイベントの発震時間
14:46:43.5 S1-1 破壊開始、1978年宮城県沖地震のスーパーアスペリティの再活動
14:46:46.9 S1-2
14:47:33.4 S1-3
14:47:26.3 S2
14:47:57.1 S3-1
14:48.04.4 S3-2
14:48:15.0 S3-3
14:48:25.8 S4
14:48:30.9 S5 青森県から神奈川県にかけての各地で、震度4以上の揺れの継続時間が軒並み2分を超え、特に崩壊範囲の中間に位置する福島県いわき市で3分10秒に達するなどした。また、地震動を感じ始めてから最大の震動を記録するまでの時間が長く、宮城県仙台市では約30秒後、茨城県日立市では約70秒経過後であった。仙台市や塩竈市でも3分程度揺れが継続し、数十秒間だった1995年兵庫県南部地震や1978年宮城県沖地震と比べて非常に長かった。

また日本全国で長周期主体の地震動を観測した。変位応答スペクトル波形では周期7秒付近に変位40 - 50 cmのピークがあり、7秒前後の固有振動周期をもつ建物の揺れが大きかったと分析されている。また高層建築物の高層階で片振幅最大30 - 60 cm程度の変位が観測された。それでも、M9という地震の規模の割には長周期の揺れは小さかった。

岩手・宮城・福島・茨城・栃木の各県で観測された本震の地震波の波形を速度応答スペクトル解析した結果によると、極短周期地震動・短周期地震動に当たる周期0.1 - 1秒の範囲で最も大きな揺れが見られる地点が多く、それより長い周期では相対的に揺れは小さかった。宮城県栗原市築館、塩竈市、茨城県日立市では、「キラーパルス」に当たる周期1 - 2秒では100カイン  であり、木造家屋の倒壊被害が目立った1995年の兵庫県南部地震における200 - 300カインに比べて小さく、家屋被害は起きにくい揺れだったと考えられる。震度7を観測した栗原市においても全半壊した建物は47棟で、死者は0人だった。一方で家屋被害は宮城県と福島県を中心に、茨城県にまで及んだ。震源域の中間に位置する福島県では、震源に近い浜通りだけではなく、内陸の中通り地方でも土砂の崩壊や家屋損壊が目立ち、矢吹町では30%の家屋が全半壊し、郡山市でも2万棟の家屋が全半壊するなど、他県の内陸市町村に比べて特に被害が集中した。

5. 過去の地震・想定地震との比較
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5.1. 地震調査委員会の想定
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この地震の震源となった三陸沖は、フォッサマグナより東側の日本を乗せている北アメリカプレートに対して、太平洋の広範囲を乗せている太平洋プレートが年間約8 cmの速さで東南東から押し寄せ、青森県から千葉県にかけての沖合にある日本海溝を境にして東北地方・関東地方の下に沈み込んでいる。太平洋プレートが沈み込んでいるこの付近には、M7を超えるような海溝型地震の震源域が多数存在しており、本地震発生前の段階で地震調査委員会ではこの地域を以下の8つの領域に区切ってその発生間隔や確率を評価していた。

このうち「宮城県沖地震」の領域は30年以内にM7.4前後の地震が99%で発生するという評価がなされていた上、平成17年の地震によってそのアスペリティの一部が破壊された、つまり宮城県沖地震は平成17年に部分的に再来したと考えられ、残りの2つのアスペリティは近いうちに破壊されて地震を起こすと考えられていた。

断層の破壊が最初に始まった「三陸沖南部海溝寄り」やその海溝側にあたる「三陸沖から房総沖の海溝寄り」の中部で20 mを超える非常に大きな断層運動が発生したのをはじめ、この地震の南北500 km・東西200 kmにおよぶ震源域は、「三陸沖中部」、「宮城県沖」、「福島県沖」、「茨城県沖」の計6つの領域に及んでいた。破壊は牡鹿半島沖の震源から南北へ連鎖的に進んでいったが、北米プレートの下に沈み込んだフィリピン海プレートの北東端が地殻破壊の南下を食い止め、「房総沖」の北隣の「茨城県沖」で止まった。また、北側では1994年三陸はるか沖地震あるいは1968年十勝沖地震の震源域南端付近で止まっている。このような広い震源域を持つM9の巨大地震は、従来想定されていなかった。

5.2. 想定に入れられなかった過去の巨大地震
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この地震の震源域は、869年に宮城から福島にかけての太平洋沖で発生したM8.4の貞観地震の推定震源域と類似しており、地震発生直後よりこの再来である可能性が指摘された。貞観地震は以前より文献記録によって知られていたものの、2000年代になって津波堆積物の調査によって石巻・東松島で海岸から3 km内陸まで遡上、仙台で同2 km、名取・岩沼で同4 km、亘理・山元で同2 kmと大規模な津波を伴う巨大地震であったことが明らかになった。堆積物の広域調査から同様の巨大地震は紀元前390年頃、430年頃、貞観11年、1500年頃と過去4回発生しており、再来間隔は450 - 800年程度と推定する報告があった。また、東北学院大学の地質調査により、約2千年前の弥生時代にも津波が発生しており、本地震で発生した津波浸水域と同程度の浸水域が仙台平野では発生していた可能性があることが地震後報道された。これらのことから、東北地方太平洋沖地震発生後に海溝型地震の長期評価見直しを進めた政府の地震調査委員会は2011年11月24日、津波堆積物の調査結果を反映して、紀元前4 - 3世紀頃、4 - 5世紀頃、869年の貞観地震、15世紀頃、今回の地震、合わせて都合5回、三陸から房総にかけて約600年周期で海溝型地震が発生していると認定し、次回の地震規模はM8.3 - 9.0としている。なお、869年貞観地震は日本海溝深部、1896年明治三陸地震は日本海溝浅部の、お互い隣接する細長い震源領域の地震と考えられており、本地震は「貞観地震と明治三陸地震が同時発生した」と見る研究者もいる。

2011年4月13日、東北大学の当地震の緊急報告会で、東北アジア研究センター教授の平川新は、江戸時代に整備された宿場町が、今回の地震で津波被害を受けていないことを指摘。「慶長16年に発生した慶長三陸地震では、当地震と同等規模の津波浸水域が発生したとされ、その経験を基に宿場・街道などが整備された」、「明治時代以降の土地利用で津波経験の記憶を喪失した」との報告を行った。また、同報告会では、貞観地震で発生した津波よりも本地震で発生した津波の方が大規模だったとの報告も行われている。

石橋克彦は「日本三代実録」の記録を基に、今回の地震が貞観地震より大規模なもので震源域が南に延びていたかもしれないと推定している。理由は、貞観地震では京都や関東の地震記事がないというものである。

岩手県大槌町では岩手県や大槌町の調査により、本地震による津波の浸水範囲は、明治三陸地震による津波の浸水範囲とほぼ同程度だったことが判明している。同年5月15日にこれが発表されるまで町側は津波の規模や被害を想定外としていたが、実際には本地震から過去115年前にも同規模の津波が襲来したことが明らかになり、改めて三陸沿岸一帯が「津波常襲地帯」であることが浮き彫りになった。

6. 予知及び前兆現象
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東北地方太平洋沖地震では地震予知は成功せず、巨大地震の発生前に起こるとされているプレスリップも観測されなかった。地震学界で確立されていると考えられていた地震の規模、発生域と発生間隔を予測する確率論的な「長期予知」においても、この地震のように東北地方太平洋沖の広範囲が破壊してMw9.0に達するような巨大地震は予見されておらず、前項の地震調査委員会の発生評価にもなかったことから、「想定外」の事態であった。

ただ、このような地震を予見しうる手掛かりはいくつかあった。比較沈み込み学の「日本海溝は沈み込む太平洋プレートが古いため超巨大地震は発生しない」という定説に対して、古い海洋プレートが沈み込んでいる地域で起きた2004年スマトラ島沖地震によって疑問が提起されていた。また2000年代に日本の地震学界での支持が広がっていた「アスペリティモデル」に対しても矛盾が指摘されていて、地震の活動度に地域差がある東北沖では地震の少ない地域では「非地震性のすべり」がひずみを解消しているという説を見直す動きもあった。また2000年代後半以降、地質調査により仙台平野内陸などでほとんど知られていなかった巨大地震の津波の痕跡が次々と明らかになっていてこれらの知見を確率論的地震予知に反映しようとする動きが始まっていた。しかし、2011年3月11日時点では、超巨大地震発生の想定にはまだ至っていなかった。

こうした経緯から、地震後は従来の説を見直す動きや様々な方法で地震予知をしようとする動きが活発化している。また、地震の発生想定の拡充を求める意見や、「確率が低いから地震は来ない」といった楽観論を生みやすい確率論的な地震予知に対する批判、反省を行う向きがあり、予知よりも減災、防災に力を入れるべきとする見解を表明する地震学者もいる。

事後の検証において、1976年から2011年までの期間に本震震源域で発生した Mw 5.0 以上の地震と潮汐力の関係を調査したところ、1976年からの約25年間は相関関係がなかった。しかし、2000年頃から次第に相関関係が現れ、本震の発生直前では明瞭な傾向が出現し、断層に掛かる力が最大になる時間帯に地震が多く発生していた。特に、前震とされる3月9日11時45分M 7.3 の震源と本震の破壊開始点の間の領域付近には強い相関が現れていたが、本震以降は潮汐力との関係は見られなくなった。

6.1. 静穏化
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長期的な静穏化と短期的な静穏化の複数の『静穏化』現象が生じていたことが複数の研究者により報告されている。この静穏化の後、後述の前震活動が始まった。

中長期的
勝俣啓は、気象庁の一元化震源カタログを用いて1965年から2010年までのM4.5以上の地震のデータを解析したところ、本震で最もすべり量の大きかった領域の深部側で約22年前の1989年頃から静穏化が起きていたとしている。
松浦律子らは、1885年以来のM6以上の地震カタログを使い解析したところ、相対的静穏化が2000年頃に明瞭に出現し2008年には通常のレベルに戻っていたと報告している。

6.2. 前震活動
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3月9日11時45分に、本震震源の約50 km北東に当たる北緯38度19.7分、東経143度16.7分、深さ8 kmの三陸沖を震源とするMw7.3、宮城県栗原市・登米市・美里町で最大震度5弱を観測する地震が発生し、青森県から福島県にかけての太平洋沿岸に津波注意報が発表され、大船渡市で0.6 mの津波を観測した。また、翌3月10日6時23分にはその近くでM6.8・最大震度4の当時最大余震と考えられていた地震が発生するなど、3月11日の巨大地震当日にかけて震度1以上を観測する余震が発生していた。気象庁はこれが「前震だった可能性がある」としている。また、2011年2月13日から、3月9日の地震とほぼ同じ場所でM5.5を最大とするM5クラスの地震がまとまって発生していた。

これより約1カ月前の2月中旬以降、3月11日の本震の破壊開始点北側で2度の短期的スロースリップイベントが発生し、3月11日の本震の破壊開始点に向かう微小地震の震源移動が続いていた。1度目は、2月中旬から2月末にかけて、2度目は3月9日のM7.3の地震の発生後で、これらのスロースリップにより、モーメントマグニチュード 7.1に相当する地震エネルギーが解放されたと考えられる。この短期的スロースリップが、巨大地震の発生を促進した可能性が指摘されている。一方、3月11日の本震の破壊開始点西側の領域では、約10年前の2002年ころから長期的スロースリップが生じており、「この長期的スロースリップが2011年の地震の発生を早めた可能性がある」とする研究がある。

地震学において前震では、地震の規模と回数の関係式における系数b値が通常の1よりも小さな値となり、「地震の規模に比して小さな余震が少ない」ことが知られている。この3月9日の地震ではb値が約0.47と、通常の日本海溝付近における0.8に比べて顕著に小さく、前震の可能性が高い有力な根拠の一つとされているほか、日本海溝地域で1960年代から2011年までb値が減少し続けていたことが明らかとなった。

ただし、3月11日の本震と震源域が重複せず隣接していることから、前震ではなく9日の地震により11日の地震が誘発された可能性を指摘する研究者もいる。

6.3. 電離層全電子数
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北海道大学教授の日置幸介によるGEONETの公開データを用いた調査では、地上局とGPS局を結ぶ経路がちょうど震源域上空の電離層における最大電子密度高度約300 kmと交差する局において電離層全電子数  の変化を推定した結果、電子密度の増大が地震発生の約40分前から発生しており、これを地図面に投影すると20分前から地域の特定ができることが分かり、1994年北海道東方沖地震や2010年チリ地震でも確認されたことから「巨大地震の直前予知には有望な手法」だとしている。また、電気通信大学名誉教授の早川正士は、アメリカ・ワシントン州ジム・クリークの超長波局NLKが250キロワットで送出している24.8kHzビーコンの、東京調布での夜間継続観測において、地震発生約5日前の3月5日と3月6日電離層に振幅が小さくなる異常があったとしている。

6.4. すべり欠損
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プレートの相対的平均速度から期待される相対変位量から実際の相対変位量を引いた値が、すべり欠損と呼ばれるが、宮城県沖ではこのすべり欠損が蓄積し続けていたと考えられる。つまり、歪みの蓄積量に対し地震による放出量が不足し、放出されない歪みが蓄積され続けていた。実際の観測データで見ると2003年と2005年に相次いで宮城県沖地震が発生したが2003年と2005年の放出量は1978年より少なく、一部の研究者は注視していた。また、海溝軸付近で約50 mの最大滑り量を観測しているが、松澤はプレート間の相対滑り込み速度は年間8 cm程度であることを考えると、約600年分のすべり欠損が一回の地震で解消されたことになるとしている。

7. 余震・誘発地震活動
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7.1. 余震
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7.1.1. 余震の多発
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余震活動は極めて活発で、本震から1時間足らずの間にM7以上の強い地震が立て続けに3回発生した。このうち、本震30分後の15時15分には茨城県沖を震源とするM7.6の最大余震が発生し、茨城県鉾田市当間で震度6強を観測した。本震の直後、東北大学地震・噴火予知研究観測センターが設置していた地震計の3割が破壊されたり、通信回線が途絶したりするなどしてセンターは余震の観測データを受け取れなくなり、気象庁が発する地震情報や緊急地震速報に支障が生じる事態となった。

一連の余震は、岩手県沖から茨城県沖までの幅約200 km、長さ約500kmの範囲を震源としている。3月中にM5以上の余震は479回、震度1以上の余震は3,016回発生した。2021年3月6日までに観測されたものでは、M5以上が990回、M6以上が135回、M7以上が11回、最大震度4以上のものは429回、最大震度1以上のものは14,710回あった。M5以上の余震の回数は日本観測史上最大であった1994年北海道東方沖地震の4 - 5倍の記録的なペースで推移しており、2004年スマトラ島沖地震  や2010年チリ地震  の余震活動と比べても活発である。特に福島県浜通りから茨城県北部にかけては、4月11日の地震を最大として活発な地震活動がみられ、M3以上の地震は2012年8月までに1600回を超えた。

また発生数もさることながら、単独で被害をもたらすような大きな余震が時間を経て度々発生するのも本地震の特徴である。本震から1ヶ月近く経過した4月7日には宮城県沖を震源とするM7.2、最大震度6強の余震が発生し4人が死亡した。また、4月11日には福島県浜通りを震源とするM7.0、最大震度6弱の余震が発生し4人が死亡した。本震から1年経過後も活発な余震活動が続き、2012年3月14日には千葉県東方沖を震源とするM6.1、最大震度5強の余震が発生し1人が死亡した。2012年12月7日には三陸沖を震源とするM7.3、最大震度5弱の余震が発生し最大98 cmの津波を観測し3人が死亡した。2016年11月22日には福島県沖を震源とするM7.4、最大震度5弱の余震が発生し最大1.4mの津波を観測した。2021年2月13日には福島県沖を震源とするM7.3、最大震度6強の余震が発生し1人が死亡した。このほか、2011年7月10日、2013年10月26日、2014年7月12日にもM7以上の余震が発生している。

気象庁は3月13日から4月21日にかけて、M7.0以上の地震が3日以内に発生する「余震の発生確率」を発表、当初は70%と高かったが次第に低下していった。その後4月28日には、減少がみられることから発生確率の発表を行わなくなり「今後もまれに大きな余震が起こることもある」とした。一方同年4月時点で、東京大学准教授の井出哲は「M7レベルの地震は10回以上は起きる」、当時東京大学地震研究所の大木聖子は「最大余震が1年後に発生することもありうる」、との指摘をしている。また、同年11月18日に気象庁は地震予知連絡会で、同月15日から12月14日までの1か月間に本震域や周辺においては15%の確率でM7以上の余震が発生するとの分析結果を報告した。これは発生したM5以上の余震の傾向から得たもの。また余震は減少傾向にはあるものの3月11日以前の7倍の確率であり、大きな余震への警戒を要するとしている。2016年3月、政府の地震調査委員会の委員長・本蔵義守は、「M8を超えるような規模の余震が起きてもおかしくない。」と述べた。

7.1.2. 余震の広域性
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一連の余震は、本震の震源域に当たる岩手県沖から茨城県沖までの幅約200 km・長さ約500 kmの範囲と、そこに隣接する海溝軸の東側を震源としている。多くは本震と同種の「海溝型地震」であるが、震源域西側の地殻の浅い所では「内陸地殻内地震」、震源域西側の地殻の深い所では「スラブ内地震」、海溝軸東側では「アウターライズ地震」も発生している。特に日本海溝東側の海溝外縁隆起帯では本震による地殻変動の影響で、余震が発生した場合に後述のようにより規模が大きくなる可能性が高まったことも指摘されている。このほか、次節で述べるように震源域から数百kmも離れた所でM6以上の比較的大きな地震が多数発生しており、巨大地震による地殻変動の影響が考えられることもこの地震で特徴的とされる。

7.1.3. 余震の表現を取りやめ
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2021年2月16日、気象庁は今後は本地震の震源域で発生した地震を余震と表現しないことを検討していると発表した。同年4月1日、それ以降は余震と表現しないことを決定した。その理由として、本地震前の発生頻度に近づいており、余震域での地震の回数が減少していること、10年以上が経過し本震の影響により発生したかどうかの判断が難しくなったことなどを挙げている。また、余震という表現では大地震は起きないという印象を与えかねず、防災意識の低下を防止するためでもあるという。ただし、本地震の余震活動が終わっているわけではなく、震源域での1年あたりの地震活動は本地震発生前よりも多い状況が続いていることから、気象庁は引き続き注意するよう呼びかけている。

7.2. 誘発地震
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この地震では震源域から離れたところでも被害地震が発生している。これらも大きな視点では、一連の地震活動の中に含まれると考えられており、震源域で発生する余震と区別して「誘発地震」や「広義の余震」と呼ばれている。複数の専門家が、本地震によって東日本を中心に地殻変動や応力の変化が生じ、地震の発生が促進された地域があるとの見解を発表している。

7.2.1. 表面波による動的誘発
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神奈川県箱根町の箱根火山地下浅部では、本震の揺れが継続中であった14時49分から50分にかけてM3.8 - 4.2の地震が4回立て続けに発生し、本震の地震動と重なって局地的に最大で震度6弱の揺れを観測したことが、神奈川県温泉地学研究所が独自に設置した地震計の地震波解析で判明した。震源は駒ケ岳・大涌谷の深さ2 - 6 km地点、M4規模であったため強い揺れは0.5秒程であった。箱根の断層が本震の影響を受けやすい向きであったために、本震による長周期の地震動に誘発されたものとみられている。この地震は箱根に本震の表面波が到達した頃から発生しており、本震の地震波に伴う地盤の動的応力変化によって発生した動的な誘発地震と考えられている。

また、京都大学防災研究所の宮沢理稔が行った、気象庁や研究機関など日本各地約1500箇所の地震計のデータから本震や余震による直接の地震波を取り除く手法による解析では、本震後約15分間に関東から伊豆諸島、四国、九州までの広い範囲で約80 - 100回以上、M5未満の誘発地震が発生していたことが判明した。以前より活動が活発な飛騨や北伊豆で顕著に増加した。さらに誘発地震は本震の震源域から南西方向に秒速3.1 - 3.3 kmで広がっており、これは表面波の伝達速度と一致する。本震のLg波 Rg波などの表面波により起励され、「火山近傍」「プレート境界付近」「近年の規模の大きな地震が発生した余震域」などの地震が起きやすい地域で誘発されたとみられていて、動的誘発作用によるものと推察されている。動的誘発作用が広がっていく過程が確認されたのは初めてとされる。

7.2.2. 本震後の陸側プレート内部での誘発地震
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3月12日未明には長野県北部でM6.7、最大震度6強の地震が発生し、引き続いて震度6弱を観測する地震が2回発生するなど長野県北部から新潟県中越地方で活発な地震活動がみられた。さらに15日夜には静岡県東部でM6.4、最大震度6強の地震が発生した。これらの地震は内陸の活断層における地震であり、気象庁は3月12日に「太平洋沖での地震と直接関係はないが、地殻変動などにより誘発された可能性は否定できない」と述べ、今後も震度6弱の余震が連続して起こる可能性があると注意を呼びかけた。

この他には、秋田県内陸北部、福島県浜通り、茨城県南部、長野県中部、栃木県北部でも震度5強以上の地震が発生している。気象庁精密地震観測室では、6月30日に長野県中部の地震  が発生した震源域付近において、本地震後から震度1以上の有感地震の増加を観測しており、本地震による地殻変動が影響した可能性があるとの見解を示している。震源域の付近に位置し本震後に発生確率が上がったとされた牛伏寺断層との関連については、「震源の状況から別の断層によるものとみられる」との見解を示している。また、福島県会津地方から山形県置賜地方にかけては本震以降に群発地震が発生し、2011年5月7日のM4.6を最大として2011年12月末までに体に感じない微小地震を含め、16000回を越える地震を観測している。

本震後には東日本全体で地殻変動が観測されていることから、これらの地震は東日本内陸部の地殻に加わっていた応力が大きく変化した事が引き金になって発生したものと考えられている。このような地震は特殊な例ではなく、過去の海溝型の大地震後にも余震域周辺および震源域とは離れた場所で、数年間に渡って誘発地震が発生したケースがある。

7.2.3. 本震後のプレート境界での誘発地震
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関東地方南方沖では北アメリカプレートと太平洋プレートに加えてその下にフィリピン海プレートが沈み込んでいて、沈みこんだプレートが地下50 - 100 km程度に位置する茨城県南部は以前より地震が多発している地帯だが、本震後も誘発地震が多数発生した。3月24日  と4月2日  の地震は沈み込んだフィリピン海プレートと上盤側の北アメリカプレートとの境界付近で発生しているが、4月16日  と7月15日  の地震はフィリピン海プレートの下にさらに沈み込んでいる太平洋プレートとのプレート境界付近で発生しており、震源となるプレート境界が異なっている。いずれも震源地としては内陸部であるが、プレート境界で発生する海溝型地震に分類されている。

その他の地域では本震における未破壊領域となっている、南北に長い日本海溝にある本震の震源域の南端や北端での波及地震の発生が懸念されている。さらに、この他にも同海溝の北隣にある千島海溝、北アメリカプレート内の他の境界部での波及地震に注意する必要があるという指摘がある。

加えて、産業技術総合研究所の石川有三招聘研究員は関東南部におけるフィリピン海プレートの境界部でも地震活動が活発化していると指摘している。南関東直下地震の確率が上昇したとの報道が2011年9月以降にされているほか、調査により関東地方地下のフィリピン海プレートの深さが従来の想定よりも浅い所にあることが判明したことを受けて2012年3月には同地震の見直した震度推定が公表されるなど、関東地方でも被害地震の発生が懸念されている。

東北太平洋沖で早ければ2011年4 - 5月中にも再びM8級の巨大地震が発生する可能性が高いと見る専門家もおり、これが4月に報道されていた。当時京都大学防災研究所准教授の遠田晋次は、M8級の誘発地震が発生した場合、仙台市に10 mの津波が襲来すると計算している。文部科学省の地震調査委員会は、「三陸沖から房総沖の海溝寄り」の領域で発生すると予測されていた津波地震の想定Mtを従来の8.2前後から8.6 - 9.0前後に更新し、誘発される可能性があると発表した。また、同じくM9規模の超巨大地震である2004年のスマトラ島沖地震のように、数年かけて周辺で大地震が続発する可能性があるという指摘もなされている。

7.2.4. スロースリップ現象の誘発
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千葉県房総半島沖では、明瞭な振動を伴わないスロースリップが誘発され、従来は平均6年間隔で発生していたが前回の発生から4年目で発生した。この活動の総放出エネルギー量は、モーメントマグニチュードMw6.5と推定されている。

8. 地殻変動
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8.1. 地震活動の変化
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本震のすべり量が大きい日本海溝の海溝軸付近では、プレート境界より深いところの海洋プレート内部では余震が多発しているものの、プレート境界の逆断層型の余震は少ない。原因として、本震時にすべり量が大きかった場所ではひずみが十分に開放された一方、その周囲では本震や余効変動によってひずみが蓄積しているため余震が多発しているのではないかという考えがあるほか、この地域では通常プレート間の固着が非常に強固であることから、本震後すぐに強固な固着が復活してしまった可能性が指摘されている。

また、震源域に近い海域での大規模な誘発地震の発生が注目されている。宮城県・福島県遠方沖、日本海溝東側の海溝外縁隆起帯にあたる太平洋プレート上に設置した海底地震計等により4月から2ヶ月間行われた、海洋研究開発機構  による海洋プレート内地震の調査では、深さ約20キロの浅い領域は本震発生以前の正断層型のまま変化はないが、約40キロの深い領域では本震発生以前の逆断層型から正断層型の地震に変化していた。本震の影響によりプレート内部の応力の方向が変化している可能性などが考えられ、これまでと異なり深い部分まで応力の方向が揃ったため、プレート内部の地震がM8級の巨大地震に及ぶ可能性も指摘されている。日本海溝東側のように沈み込む手前の海洋プレート内で発生する地震はアウターライズ地震と呼ばれており、大きな津波が発生しても震源が陸地から遠いため揺れが小さくなるといった「津波地震」と類似した特徴があるため、避難行動が遅れて被害が拡大する恐れがある。本震40分後の15時25分に発生したM7.5の余震が該当し、過去には1933年昭和三陸地震もこのタイプで甚大な津波被害を出した。

8.2. 地殻変動・沈降
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本震および、余震を含む余効変動により、大きな地殻変動が発生した。東日本全域が東方向に10 cm以上移動するなどその範囲は広い。東北から関東、甲信越までの東北日本の地殻は普段より太平洋プレートの沈み込みによる西方向への圧縮力を受けていたが、東北地方太平洋沖地震とその後の余効変動では逆に東方向への引っ張り力を受けており、地震活動の変化が懸念されている。また陸側の太平洋プレート上の震源域付近では隆起、震源域の西側では沈降が発生したため、東北から関東にかけての太平洋岸では軒並み地盤沈下が起きて二次被害をもたらしている。震源に近いところではさらに大きな地殻変動が起きていて、研究によっては震源に近い海底で東に推定50 m以上という、世界の地震観測史上類を見ない急激な移動が生じた。

国土地理院の計測による上下方向の最大移動は、宮城県石巻市鮎川浜の電子基準点付属標「牡鹿」で1.14 m沈降である。
国土地理院の計測による水平方向の最大移動は、宮城県女川町江島の二等三角点「江ノ島」での東南東方向5.85 mである。また、岩手県陸前高田市で4.473 m、東京都足立区で0.41 m動いた。遠い所では新潟県村上市1.41 m、石川県輪島市0.58 m、福井県勝山市0.26 m、岐阜県飛騨市で0.33 m移動している。なお3月12日の長野県北部地震  は、水平移動0.92 mの場所で起こっている。
国土地理院の計測によると、すべての日本の地図の基準となる東京都港区麻布台にある日本経緯度原点が、27.67 cmだけ真東へ移動した。また、国会前庭にある日本水準原点が、24 mmだけ沈下した。
陸域観測技術衛星 「だいち」のレーダーからも、広範囲で地殻変動があったことが解析された。
同上の地球観測研究センターでは被災地の地球観測衛星写真を公開している。また、GoogleはGoogle EarthおよびGoogle マップで被災前後の地球観測衛星写真を公開している。
海底基準点のデータでは、震源域のほぼ真上に位置する「宮城沖1」が東南東に約24 m移動し、約3 m隆起したものが最大であった。他の地点でも、「宮城沖2」が東南東に約15 m移動し約60 cm沈下、「福島沖」が東南東に約5 m移動するなどのデータが観測された。「宮城沖1」は本震だけで約20 m以上移動したと見られ、これらの観測結果により、震源付近の海底の移動距離は陸上の約4倍以上となることが確認された。
宮城県沖の太平洋プレートの移動は、地震前は年8.3 cmだったが、2012年9月以降は北西方向に年18 cmだったことが分かった。
海洋研究開発機構の調査によると、震源近くから海溝付近では、南東〜東南東に約50 m、上方に約7 mから10 mの地殻変動があった。本地震による津波が陸地をさかのぼったことに加えて、広範囲で地盤沈下が発生したことで、東北地方太平洋側の海岸が一部沈没した。津波によるものと地盤沈下によるものを合わせた浸水面積は、青森県から千葉県までで合計561 km2に達した。海岸線の一部沈没により一部自治体の面積が減少し、将来的に地図の書き換えが必要になると考えられるが、国土地理院は被災地に配慮し、地図の書き換えは当面行わないとした。自然災害による面積の変更は例が無いという。国土地理院は平成23年4月5日から10日にかけて3県13市町28か所の水準点、三角点や電子基準点の標高を計測し、以下の通り地盤沈下の変動量を発表した。

地震後は余効変動が継続し、GEONETによる観測結果から地震時に沈降した茨城県沿岸から宮城県沿岸にかけては地震2年後の調査時点で余効変動により隆起に転じ部分的に回復したが、三陸海岸北部では依然沈降が続いていることが判明した。また、この余効変動は本震より深部のプレート境界滑りによるものと考えられるが、その回復的隆起は小さい。東北地方太平洋岸は10万年スケールの地質学的なデータでは年間約0.5ミリメートル隆起していると推定されるのに対し、100年スケールの測地学的な観測データは沈降を示しており、さらに今回の超巨大地震で大きく沈降し余効変動でも相殺できるとは考えにくく矛盾があるとされた。

地震から約4年後の2015年2月のGPSによる観測結果では、地震直後に比べて地盤がかなり隆起した。沈降分をかさ上げして復興したため、漁業者は高すぎる岸壁に困っている。

38 cm : 石巻市大字寄磯浜
36 cm : 女川町大字女川浜
32 cm : 東松島市矢本
29 cm : 南三陸町志津川
21 cm : 気仙沼市笹が陣
19 cm : 岩手県大船渡市赤崎町

8.3. 自転への影響
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NASAジェット推進研究所の地球物理学者であるリチャード・グロスによると、東北地方太平洋沖地震によって地球の形状軸が約17cm移動し、地球の自転がごくわずかに速まり、一日の長さ