東北地方太平洋沖地震
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 (M5.4) 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。
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(LOD(Length of Day)が1.8μs(マイクロ秒)短縮された。つまり、この地震は地軸をずらすほど巨大なものであったということである。ただし、LODの変動に最も大きな影響を与えるのは潮汐であり、巨大地震の影響は潮汐の影響の1/100以下の微少なものに過ぎない。
類似の現象は他の同規模の巨大地震の際にも発生しており、2004年スマトラ島沖地震の際には形状軸が約7cmずれ、一日は6.8μs短縮した。また、2010年チリ地震では形状軸が約8cmずれ、一日は1.26μs短縮した。すなわち東北地方太平洋沖地震では、形状軸がスマトラ・チリ両地震の倍以上移動したということである。
また欧州宇宙機関(ESA)によると、地球の重力も(局地的ではあるが)変化していたという。
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(平成23年)3月11日 金曜日 14時46分18.12秒(日本標準時)
震源: 三陸沖(牡鹿半島の東南東約130 km付近、北緯38度6分12.6秒 東経142度51分39.6秒)
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 (Mw) 9.0 気象庁マグニチュード (Mj) 8.4
最大震度: 震度7(宮城県栗原市築館、計測震度6.67)
最大加速度 (PGA): 2,933.7ガル(宮城県栗原市築館)
発震機構: 西北西-東南東方向に圧力軸を持つ逆断層型(CMT解)
地震の種類: 太平洋プレートが北アメリカプレート(オホーツクプレート)の下に沈み込んでいる沈み込み帯(海溝)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(14時49分)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。
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(「千葉県東方沖地震 (1987年)#千葉県東方沖のスロースリップ現象」も参照)。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。
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(2012)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(宮城県沖)、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 (宮城県沖)
14:47:33.4 S1-3 (宮城県沖)
本震に対し、気象庁は石巻大瓜観測点で初期微動(P波)を検知(14時46分40.2秒)した5.4秒後に緊急地震速報(予報)の第一報を発表し、8.6秒後に緊急地震速報(警報)を宮城県・岩手県の全域、福島県の浜通りと中通り、山形県の最上地方と村山地方、秋田県の内陸南部に発表した。震源が海底だったこともありほとんどの地域で主要動が到達する前に緊急地震速報が発表された。実際に震度7を観測した宮城県栗原市ではS波到達まで15秒の猶予があった。しかし、この地震発生の際に発表された緊急地震速報では、予測震度と実測震度が大きく乖離している地点があり、震度5弱以上の強い揺れを観測した青森県、関東・甲信越地方には一般向け緊急地震速報は発表されず、青森・関東・甲信越を放送エリアとする民放のテレビ・ラジオ番組、該当地域にない携帯電話のエリアメール機能などで注意喚起がされなかった。また、地震検知5.4秒後に発表された予報第1報でのマグニチュードは4.3・最大震度1程度以上と過小評価され、一般向けの警報を発表したのはM7.