東北地方太平洋沖地震および津波のメカニズム
前述のように現在の東北地方は太平洋プレートが東側から潜り込む力が卓越しているため、北米プレート系の千島弧が北東方面から押す力は見えにくくなっている。しかし北東側からの圧力は継続しており、東北地方には北西-南東方向に走る断層系も発達している。これらの断層は大地震のアスペリティ間の境界となっており、通常は北西-南東方向の断層で仕切られたアスペリティの中でマグニチュード7から8クラスの大地震が発生し、発生場所はアスペリティ間を移動していく。
しかし北西-南東系の断層群は千島弧の動きに伴ってひずみを溜め込み、次第に断層面の固着が高まっていく。固着がある程度以上高まっていくと、海底にある断層系ではそれまで断層の割れ目から海底へと流出していた水が排出されにくくなり、プレート間に流体圧が高まっていくことになる。そのような状況下でプレート境界で最も固着が強いアスペリティの破壊が始まると、通常は断層を境として別々に地震を発生させるアスペリティ同士が連動して東北地方太平洋沖地震のような、マグニチュード9クラスの超巨大地震になると考えられる。
東北地方太平洋沖地震によって、極めて大規模な地殻変動が起こった。まず東北地方を中心とした東北日本全体が東に引っ張られ、かつ東北日本太平洋沿岸一帯が沈降した。最も大きな変位が観測されたのが宮城県の牡鹿半島で、東南東に約5.3メートル移動し、また約1.2メートル沈降した。また東北地方太平洋沿岸は軒並み数メートル東南東ないし東に移動し、数十センチから約1メートル沈降した。一方、東北地方の日本海沿岸は約1メートル程度しか移動していないため、東北地方全体としては最大で約4メートル程度引き伸ばされたことになる。そして茨城県南部から千葉県にかけては、2011年3月11日の15時15分に発生した最大余震による変動が、本震による変動を上回っている。
また東北大学と海上保安庁の海洋地殻変動観測点における観測結果では、宮城県沖の日本海溝の海溝軸に最も近い観測点では、東南東方向に31メートル移動しており、そして3.9メートルの隆起が観測された。また大きな変位が観測された観測点から少し離れると変位量が目立って減少していた。これらのことから宮城県沖の日本海溝の海溝軸では極めて大きなすべりが発生していることと、大規模なすべりが発生した地域は宮城県沖の海溝軸付近に限られると考えられる。
先述した通り、東北地方は約300万年前から基本的に隆起が続いていると考えられるが、ここ約100年の測量結果では太平洋沿岸のほとんどの地域で沈降が観測されている。そのため東北地方太平洋沿岸一帯を隆起させる未知の大規模なプレート間のすべりの存在が想定されていたが、東北地方太平洋沖地震では東北地方の太平洋沿岸一帯で顕著な沈降が発生しており、地形学的な観察結果と測地データ間に見られた矛盾の解消どころか更に矛盾が深まることになった。