東北地方太平洋沖地震および津波のメカニズム
東北地方太平洋沖地震による断層すべりモデルと、海底水圧計、波浪計、験潮所などで観測された津波のデータから、プレート境界のやや深い部分のすべりによって発生した津波がゆるやかに海面が上昇をした第一波で、比較的長周期の波長を持った津波であり、続く短時間で海面が急上昇した第二波は、日本海溝付近の浅い部分が大きくすべったことによって発生した津波で、短周期かつ振幅の大きな津波であったと考えられた。またプレート境界のやや深い部分のすべりによる第一波は、波長が長いゆるやかな海面変化を引き起こし、仙台平野や石巻平野のような平野部を数キロに渡って浸水させた津波となり、これは9世紀に仙台平野や石巻平野を広範囲に水没させた貞観地震による津波による津波に類似しており、短周期で高い波高を持った第二波は、1896年の明治三陸地震による津波のように、三陸沿岸に高いところで30メートルを越える極めて波高の高い津波となって押し寄せた。つまり東北地方太平洋沖地震では、波長が長くゆるやかな水位上昇で平野部奥深くまで浸水させた貞観地震タイプの津波と、短い波長で急速かつ高い海面上昇をもたらす明治三陸地震津波の両方の性質を持った津波が発生し、三陸海岸ばかりではなく、仙台平野など平野部でも甚大な被害をもたらした津波となった。
地震発生後約60秒から100秒後にかけて、今度は地震の破壊が再び西側に広がった。第一の破壊で震源の西側に破壊が広がったことを考えると、震源西側は第一回と第二回の破壊が折り重なるように発生したことになる。西側に広がった第二回の破壊は日本海溝沿いの大規模な破壊と異なり、短周期の地震波中心のものであり、宮城県や岩手県内の強震観測で検出された第二のピークの短周期地震波に当たると考えられている。またこの西側に広がった破壊によって、宮城県沖地震の想定震源域付近も破壊が進行したと見られている。
なぜ第二の破壊過程で数十メートルにも及ぶ大きなすべりが発生したのかについては、いくつかの仮説が提唱されている。
吉田は日本三代実録の記述を詳細に分析、検討し、貞観地震が陸奥国に極めて大きな被害をもたらしたことを明らかにするとともに、貞観地震の真の姿を知るために更なる研究の必要性を訴えた。しかしその後貞観地震についての研究はなかなか進まなかった。事態が変化したのは1987年、仙台市若林区荒浜で貞観地震のものと考えられる津波堆積物が検出された後のことであり、吉田の指摘から80年以上が経過していた。1990年には仙台平野で検出された津波堆積物の内容から、貞観地震の際、仙台平野に2.5-3メートル程度の津波が押し寄せたとの研究が発表され、その後2002年から2009年にかけて地震調査研究推進本部による津波堆積物調査が行われるなど、2000年代に入って貞観地震による津波によって形成された津波堆積物などの研究、分析が進み、東北地方太平洋沿岸の広い地域に津波が押し寄せていた実態が明らかになってきた。また貞観地震以外の津波堆積物も検出され、東北地方太平洋沿岸には数百年-千年程度のスパンで巨大な津波が押し寄せていたことも明らかになってきていた。これら最近の研究成果を踏まえ、地震調査研究本部の地震調査委員会では貞観地震など過去に東北地方太平洋沿岸を襲ったと考えられる巨大地震を考慮に入れた地震予測の更新を検討していたが、その結論を待たずして東北地方太平洋沖地震が発生してしまった。
地震発生後約100秒以降は、震源より南方の福島県沖、茨城県沖へと破壊が進行した。破壊の規模は第二の破壊過程よりも小さかったが、福島県から関東地方に渡って強い振動をもたらした。地震発生後約150秒で破壊は終了するが、約150秒間の間に発生した第一から第三の破壊過程により、宮城県から茨城県に至る南北約300キロに渡って震度6強以上の極めて強い地震動が観測された。そして海洋科学研究開発機構による海底下の地下構造調査結果と東北地方太平洋沖地震の破壊過程を比較してみたところ、千葉県銚子沖付近のフィリピン海プレートが太平洋プレート上に乗る場所で破壊が止まったと考えられ、フィリピン海プレートの北東端が東北地方太平洋沖地震のすべりの広がりを止めたと見られる。