東北地方太平洋沖地震および津波のメカニズム
大きな地震の発生後も地殻変動が継続する現象を余効変動と呼ぶ。2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震の後も、プレート間がゆっくりとすべり続ける余効変動がGPS観測網によって検出されている。例えば岩手県山田町では地震後約5か月で東側に約72センチの移動が見られ、千葉県銚子市ではやはり5か月で東側に約42センチの移動が検出されている。この余効変動は本震時と同じく、陸側のプレートが太平洋プレートにせり上がるすべりである。このため東北日本は圧縮される力が働いていた地震前とは異なり、引っ張られる力がかかるようになっている。このためこれまでの圧縮力がかかるなかで地震が発生していた関東や東北地方では、本震からちょうど1ヶ月後の4月11日にいわき市で発生したM7.0の福島県浜通り地震のように、引っ張られる力による正断層型の地震が起きるようになった。
GPS観測網によって観測された余効変動は三陸沿岸部や銚子付近で大きく、地震本体で大きくすべった場所の北部や南部、そして深部のプレート境界部分、つまり地震本体によるすべりの周辺に主に見られ、逆に日本海溝周辺のように大きくすべった場所ではあまりすべりが見られない。そして東北地方の日本海側でも最大で40センチ程度の東側への動きが見られ、余効変動による地殻変動は東北地方太平洋沖地震本体のものよりも広い範囲に及んでいる特徴がある。
東北地方の陸地は東西圧縮による隆起が確認されているが、東北地方の太平洋沖合いの地質調査では違った地殻変動が確認されている。東北地方の太平洋沖約1500-3000メートルの海底から、陸や陸近くの浅海で堆積したと考えられる礫岩が見つかったことなどから、東北地方太平洋沖地震の震源域は約3000万年前には陸地であったことが明らかとなった。またこの海底から検出された底棲有孔虫を調べてみると、年代が新しくなるにつれて水深が深くなっていったことが判明した。つまり東北地方太平洋沖の深海は約3000万年前には陸地であったが、継続的な沈降によって現在のような深海になったと考えられる。
この東北地方太平洋沖の深海で見られる沈降活動の原因は、日本海溝から沈み込む太平洋プレートによって東北地方が乗る陸側のプレートが削られる、造構性浸食作用が起こっているからであると考えられている。陸側のプレートは現在でも沈み行く太平洋プレートによって削られ続けており、沈降が続いていることを示す多くの正断層が確認されている。造構性浸食作用が日本海溝で起きていることから、日本海溝で超巨大地震が発生する可能性を想定されなかったことを批判する意見もある。沈み行く海のプレートが上盤の陸のプレートを削っていく造構性浸食作用が起こる理由を考えると、海のプレートと陸のプレートとの間の摩擦が大きい可能性が指摘できる。つまり日本海溝ではプレートの沈み込む場所の摩擦が極めて大きいことが想定され、プレート間が強く固着していることが推察できることによる。
東北地方の太平洋沖では、これまでマグニチュード7クラスの地震が繰り返し発生していることが知られていた。例えば宮城県沖では1793年の寛政地震以降、マグニチュード7-8クラスの地震が30年-40年あまりの間隔で繰り返し発生しており、宮城県沖地震は前回は1978年に発生していたため、次回の宮城県沖地震の発生が切迫しているものと考えられていた。また宮城県沖地震のように繰り返し発生する地震の存在や、地震波の解析によって明らかとなった地震時の断層面すべりが大きな場所があることなどから、プレート間の固着が強く、地震発生時のすべりが大きいアスペリティと呼ばれる場所があることがわかってきた。
そして同一の場所で繰り返される地震は、アスペリティが単独または隣接するアスペリティを巻き込んで複数同時に動くことによって発生すると考えられるようになった。例えば東北地方太平洋沖では、1968年に発生した十勝沖地震で破壊された二つのアスペリティのうち、南側は1931年、1994年にも破壊されたと考えられた。先述した宮城県沖地震では、1933年、1936年、1937年に相次いで発生したマグニチュード7クラスの地震でそれぞれ破壊されたアスペリティ全体が1978年宮城県沖地震で破壊されたと考えられ、2005年に発生した地震によって1936年の地震とほぼ同一のアスペリティが破壊されたと見られるが、まだ破壊されていないアスペリティが残っているものと考えられた。そして時には1793年に発生したM8.
東北地方太平洋沖地震は、これまで日本付近で観測された中で最大のMw9.0を記録した。マグニチュード9クラスの超巨大地震が日本近海という地震観測網の整備が進んだ場所で発生したため、これまでにない精度が高いデータが大量に得られた。また前述のように超巨大地震が発生するとは考えられていなかった場所でMw9.0という規模の地震が発生したため、東北地方太平洋沖地震発生のメカニズムを知ることの重要性を多くの研究者が認識した事情が重なり、これまでに数多くの震源過程モデルが公表された。
しかしこれまで発表された震源過程モデル間にはかなりの差異が見られる。これは観測面の制約と超巨大地震の特性が影響している。地震波のデータから震源過程を分析する場合、震源域に近接した地域の近地強震波形を分析する方法と、震源域から約3000-一万キロ離れた場所で観測されたP波、S波などの実体波形を分析する方法の二つがある。まず近地強震波形は、今回の東北地方太平洋沖地震は、東北地方太平洋沖のプレート境界で発生したプレート境界型の地震であるため、陸地である東北地方を始めとする日本列島に稠密に張り巡らされている地震観測網によって詳細かつ大量のデータが取得されている。また超巨大地震であったため震源域が極めて広く、結果として東日本の多くの地域が震源域に近接していたため、震源過程の空間解像度が高いデータとなっている。しかし震源の東側は太平洋であるため観測地点が存在せず、南北方向の解像度は高いが東西方向の解像度がどうしても低くなってしまう。
またこの地震は福島県と茨城県の県境付近で活発化した誘発地震の一環とも、東北地方太平洋沖地震震源域付近で発生した余震であるとも言える。誘発地震と余震との区別ははっきりしない面があり、東北地方太平洋沖地震によって日本列島にかかる力が変化することによって発生する誘発地震も「広義の余震」と言うことができる。
なお、東北地方太平洋沖地震後に地震活動が活発化した地域は、東北日本弧の中でも日高沖構造線から柏崎-銚子沖構造線の間に集中している。この地域は約2000万年前からの日本海の拡大によって大陸から分離されたブロック地塊であり、この大きな地塊が東北地方太平洋地震によって全体的に日本海溝側に引っ張られたことを示唆している。
また誘発地震の一種として、日本海溝に沈みこむ太平洋プレート上で発生するアウターライズ地震の発生も警戒される。これは東北地方太平洋地震の発生によって、太平洋プレートには引っ張られる力がかかるようになったため、プレート内で発生する正断層型の地震のことである。実際、本震発生後約40分後に太平洋プレート内でM7.5の正断層型の地震が発生したが、東北地方の太平洋沖では1933年に発生した昭和三陸地震がアウターライズ地震であると考えられ、また2006年11月15日に発生したMw8.3の千島列島沖地震の約2ヵ月半後に、Mw8.1のアウターライズ地震が発生している。
2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震の発生直後から、震源域やその周辺ばかりではなく、東日本一帯を中心とした広い範囲で地震活動の活発化が見られた。例えば3月12日に発生したM6.7の長野県北部地震を始めとする新潟県や長野県の県境付近や、秋田県の内陸部及び日本海沖、福島県と茨城県の県境付近(福島県浜通り・中通り・茨城県北部)、そして静岡県東部(静岡県東部地震)などである。これら広範囲で見られる東北地方太平洋沖地震の影響で発生したと考えられる地震のことを誘発地震と呼ぶ。一方、岩手・宮城内陸地震と新潟県中越沖地震の余震域や猪苗代湖の南側など、東北地方太平洋沖地震前よりも地震活動が静穏化したと考えられる地域もある。
誘発地震はこれまで東西から圧縮する力がかかっていた東日本が、一転して引っ張られる力がかかるようになるなど、超巨大地震の発生によって日本列島、特に東日本ではこれまでと地殻にかかる力が変化したため発生するようになったと考えられている。東北地方の場合、本震によって太平洋プレートの沈み込みによるひずみが解消されたため、残存している北米プレート系の千島弧による北東方面からの力と本震による応力変化とが重複して、これまでとは異なる地震活動が活発化した。東北地方太平洋沖地震後に地震活動が活発化した地域では正断層や横ずれ断層型の地震発生が目立っており、例えば本震から1ヶ月後の4月11日に発生した福島県浜通り地震は、東西に引っ張られる力が働くことによって発生した正断層の地震である。
この矛盾の解決としては、やはり東北地方の太平洋沿岸の近くに未知の活断層があって、その活断層を震源とする未知の巨大地震が存在するという考え方、沿岸部を隆起させるプレート境界の深い部分で発生する地震によらないスロースリップがあるという考え方、そして東北地方太平洋沖地震の後に続く余効変動によって隆起が発生するなどといった可能性が指摘されている。中でも特に余効変動による隆起活動の継続を有力視する意見が多く出されているが、東北地方太平洋沖地震後に実際に観測されている余効変動による隆起量では、ここ数十年間で地震による沈降と地震前から続いている沈降を上回る隆起が起こるとは考えにくいとの結果が出されている。
一方、東北地方を東西から圧縮する力については、最近のGPSによる観測結果では東北地方に年30-50ミリ程度の短縮が観測されていた。地形学によれば年に数ミリ程度の短縮が推定されていて、実測値の短縮が理論値を大きく上回っており、東北地方太平洋沖地震によって東北地方が東西方向に最大で約4メートル引き伸ばされたことは、通常時に東西方向に大きく圧縮されていた東北地方が、今回のような巨大地震によって引き伸ばされることが明らかになったことによって、観測値と地形学の整合性が取れるようになったとの評価もなされている。しかし先述したように過去約100年間に東北地方はほぼ伸縮していないかむしろ伸長しているとの観測データもあり、このデータに従えば、100年以下のスパンで発生するマグニチュード7ないし8程度の地震によって、通常期に見られる東西短縮が解消されるとの解釈も可能であるため、矛盾が完全に解決を見たわけではない。
2と推定される地震のように、日本海溝沿いのアスペリティも連動することにより、より大きな地震が発生する可能性もあるとされた。つまり例えば宮城県沖地震を例に挙げれば、約30-40年の間隔で同一地域の複数のアスペリティがある時は単独で、またある時は連動して破壊される地震活動を繰り返していると判断された。
しかしこのような東北地方太平洋沖の地震活動についての解釈について、疑問の声がなかったわけではない。例えばひとくちに宮城県沖地震と言ってもアスペリティの破壊状況は様々であり、将来起こるであろう宮城県沖地震が既知のアスペリティモデルに合致している保証はないのではないかとの意見が出された。また宮城県沖地震によって開放されると考えられる太平洋プレート沈み込みに伴うひずみは、全てのひずみの約四分の一程度と試算されており、宮城県沖より南の福島県沖、茨城県沖には過去に巨大地震の発生が確認されていない地域が広がっており、それらの地域にも太平洋プレート沈み込みに伴うひずみの蓄積が想定されていた。つまりひずみの蓄積と地震によるひずみの解消との間に矛盾が見られ、その矛盾の解釈をめぐっては、プレート間に非地震性のすべりが生じているという考え方とともに、巨大地震によってひずみの解消がなされるとの可能性も指摘されていた。しかしこれまで東北地方太平洋沖の日本海溝でマグニチュード9クラスのプレート間地震の発生が知られていなかったこともあり、巨大地震の発生の可能性についての議論は深まらなかった。