東北地方太平洋沖地震および津波のメカニズム
巨大な津波を発生させた原因は海溝軸まで及んだ海底の変位で、変位量は海溝陸側が東南東方向に50mの水平移動と、7mから10m隆起したことにあると推定されている。
海底の詳細な調査は海洋研究開発機構を中心とした研究グループによって行われ、有人潜水調査船「しんかい6500」、深海調査船「かいれい」、無人探査機「かいこう7000-II」、地球深部探査船「ちきゅう」、地球:研究船「みらい」などの装備により潜水、ボーリング、マルチチャンネル反射法探査システムにより多面的な調査が行われた。その結果、プレート境界の岩石サンプルの採集を行い、、設置した温度計で断層面及び近傍の残留摩擦熱の温度変化を長期(9ヶ月間)にわたり直接計測し、滑りを生じた粘土層での摩擦発熱による間隙水圧上昇現象の証拠や、地震断層と地震履歴を残した変形構造として海底地すべりの発生を示唆するタービダイトや堆積地形などが確認されている。
まずこれまでに例えば大きなすべりが発生した場所には極めて固着が強いアスペリティが存在していて、数百年に一度そのアスペリティが破壊される際には、周囲を広く巻き込み超巨大地震となるというモデル、東北地方太平洋沖は全体的に普段はアスペリティとはならないが、条件が揃うとアスペリティとなるような場所であり、その中に小さく強いアスペリティが散らばっている構造をしており、通常は小さく強いアスペリティがマグニチュード7クラスの地震を起こしているが、条件が揃うとアスペリティが一気に破壊され巨大地震が発生するという、アスペリティに階層が存在するというモデル、今回の東北地方太平洋沖地震ではすべりの摩擦熱によってプレート間の水が膨張して間隙圧が上昇してしまい、通常よりも大きなすべりが発生してしまったというモデル、そして今回の地震ではすべり面の上盤が軟らかく、かつ極めて地下の浅い場所まで破壊が進行して最終的には日本海溝まで突き抜けてしまったため、歯止めが利かなくなって断層がすべり過ぎるダイナミック・オーバーシュートと呼ばれる現象が発生したなどのモデルが提唱されているが、現在のところまだよくわかっていない。なお前述のように地震発生直後の震源域での変位量自体が通常の大地震よりも明らかに大きいため、上記の仮説のうち摩擦熱が大きなすべりを誘発したとの説は成立し難いとの意見が出されている。
またこの非常に大きな破壊が東北地方太平洋沖地震が極めて大きな津波をもたらした大きな原因の一つとなった。特に三陸沿岸中心に大規模な被害をもたらした短周期かつ振幅の大きな津波は、日本海溝付近の大規模なすべりによって発生したものと考えられている。また第一の破壊過程、第二のうちで震源より西側の破壊過程はゆっくりとした水位上昇を起こす津波を励起させたと見られている。
もし過去300万年間続いてきた隆起が終了して沈降が始まっていたとしたら、現在も海岸段丘として10万年あまり前の海岸線が内陸部に確認できることから、隆起から沈降への転換はかなり最近の出来事であると解釈せざるを得なくなる。しかし隆起から沈降への転換を想定させるような地形学的な証拠は全く見当たらない。
約300万年前から隆起が続いていると考えられる東北地方で、この約100年間では太平洋沿岸ほぼ全域で沈降が確認される現象の説明としては、約100年間というスパンでは観測されなかった、東北地方の太平洋沿岸を隆起させる地殻変動が存在することによるという考え方が一般的である。約100年間というスパンでは観測されなかった地殻変動は2種類考えられている。まず東北地方の太平洋沿岸に比較的近い場所で発生する未知の活断層による地震、もう一つは日本海溝沿いに発生するプレート間の未知の大規模すべりである。後者の可能性についていえば、未知のプレート間大規模すべりは必ずしも地震である必要はなく、また広範囲にわたって発生する大規模なすべりであるため、東北地方太平洋沿岸という広い範囲を隆起させる原動力となることが期待された。東北地方の太平洋沖では明治時代以降、1896年(明治29年)の明治三陸地震、1933年(昭和8年)の昭和三陸地震、1968年(昭和43年)の十勝沖地震などといったマグニチュード8クラスの地震が発生しているが、いずれの地震でも東北地方太平洋沿岸の隆起は観測されておらず、未知の大規模なプレート間のすべりが想定されるものの、その正体ははっきりとしていなかった。
東北地方太平洋沖地震によって極めて大きな津波が発生した。土木学会海岸工学委員会・地球惑星連合等の関係者らで組織された東北地方太平洋沖地震津波合同調査グループの調査結果によると、東北地方太平洋沖地震による津波の最高遡上高は岩手県大船渡市綾里湾で確認された40メートルであり、岩手県北部から宮城県南部までの約200キロの海岸線で20メートルを越える津波の痕跡高、そして10メートルを越える痕跡高は南北約530キロで確認されている。また遠く四国では3メートル、九州でも1メートルの津波を観測しており、極めて広範囲に大きな津波が押し寄せていることが確認されている。また岩手県の一部では1896年の明治三陸地震津波とほぼ同規模の津波であったが、他の地域では明治三陸地震津波、そして1933年の昭和三陸地震津波を上回る規模の津波となっており、過去の津波と高さ、そしてその影響範囲の広さについて比較してみても、東北地方太平洋沖地震による津波の巨大さがわかる。
津波による甚大な被害の一例としては、まず約2万人に及ぶ死者・行方不明者の9割以上が津波による犠牲者である点が挙げられよう。また多くの家屋の流出、鉄道、道路等交通機関の破壊、561kmにも及ぶ浸水被害、更には東京電力福島第一原子力発電所で発生した重大な原子力事故(福島原発事故)の原因となる等、東北地方太平洋沖地震による津波災害は極めて深刻である。
東北地方太平洋沖地震の震源域となったアスペリティでは、非地震性を含むすべり現象が確認されている。GPSのデータ解析によれば1996年以降、本震震源域の南西において陸側プレートのすべりが加速していく現象が確認されている。
2011年2月半ば以降になると、本震震源付近で活発な地震活動が見られた。2011年2月13日から三陸沖では最大M5.5の地震活動が見られ、3月9日11時45分にはM7.3の地震が発生した。いずれも太平洋プレートと東北地方のプレートとの境界で発生した逆断層型の地震であり、特に3月9日の地震後には翌3月10日の6時23分に発生したM6.8の地震などM6クラスの地震が6回(9日と10日でそれぞれ3回ずつ、発生時刻の近接もあり(11時57分がM6.2、58分がM6.0))発生し、また3月9日のM7.3の地震発生から2日後の東北地方太平洋沖地震発生までの約2日間の間に、2008年9月からの約2年半の地震数27回を上回るするなど、極めて活発な地震活動が見られた。これは3月9日に20回(3月9日のM7.3の地震を含む)、3月10日に13回、本震が発生する前の3月11日にも3回三陸沖を震源とする前震と思われる地震活動があり、計36回もの地震記録が残されている。
2002年から2009年にかけて、東北地方太平洋沖地震の震源域である宮城県北部の太平洋沖に設置された海底地震計で観測された地震を分析すると、特定の地域に地震が集中して発生しており、日本海溝の最深部から約50キロ程度陸側ではほとんど地震の発生は見られなかった。また前震とみられる3月9日のM7.3の地震は、2002年から2009年にかけて多くの地震が発生した場所を震源として発生している。またこの場所ではこれまでもマグニチュード6クラスの地震がしばしば発生していた。