東北地方太平洋沖地震
北海道大学教授の日置幸介によるGEONET(GPSの連続観測網)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 (TEC) 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。
国の中央防災会議の専門調査会は、この地震を教訓とした津波対策について検討した。そのうえで、これまでは過去の文献などから確実に地震の全体像が分かった切迫性のある地震だけを考慮して想定を行ってきたが、これからは確度の低いものでも考えうる最大のものを想定することを求めた。また、この地震による津波が防潮堤を超えて甚大な被害をもたらしたことから、津波のレベルとして、住民の避難を柱にした総合的な対策を取るべき最大規模の津波と、防潮堤などで浸水を防げる比較的頻度の高い津波の、2つを想定する必要があるとした。
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(地震調査研究推進本部)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(津波マグニチュード)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。
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(約25 km)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(約40 kmまで)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(dynamic overshoot、動的過剰滑り)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。
この地震の震源域は、869年(貞観11年)に宮城から福島にかけての太平洋沖で発生したM8.4(産業技術総合研究所による)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(869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。
3月9日(水曜日)11時45分(本震の約51時間前)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(ゆっくりすべり)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.