東北地方太平洋沖地震および津波のメカニズム
地震発生後約40秒後から100秒後までの第二の破壊過程は極めて大規模で、しかも比較的狭い地域で発生した。この第二の破壊による最大変位量は小さな推定でも30メートル以上、大きな推定では85メートルに及び、解析結果同士の数値にばらつきは見られるものの、2004年のスマトラ地震における最大変位量が約15メートルと推定されていることと比較しても、非常に大きな破壊が発生したのは間違いないと考えられる。この大きな破壊は比較的狭い地域で起こっており、120×40キロという狭い範囲から放出されたエネルギーが、地震全体のエネルギーの約60パーセントに当たるとの解析もなされている。
第二の破壊過程で最も大きな破壊が起きたのは、多くの地震波の解析によれば震源より東側の日本海溝に近い比較的浅い場所となっているが、少数だが震源より西側の破壊が大きいとの解析結果もある。多くの解析結果に従うと地震発生後約40秒から80秒後にかけて、震源東側の日本海溝付近の比較的浅い場所で極めて大規模な破壊が進行し、主にゆっくりとした変動に伴って発生する長周期の地震波が放出された。GPS、海底地殻変動、そして津波のデータから分析された地殻変動からも、震源東側の日本海溝付近で極めて大きなすべりが発生したことが示されており、日本海溝付近のプレート境界で数十メートルのすべりが発生した可能性が高い。
その後、本震が発生した後には三陸沖における地震活動が3月11日に6回(本震を除く)、3月12日に7回、3月13日以降はおおよそ1日間に1~2回程度まで減っている。
3月9日のM7.3の地震発生後、東北地方太平洋沖地震震源の北東約50×50キロメートルの範囲に地震発生域が拡大し、特に本震の震源となる南西方向への地震活動域の拡大が顕著になっていく。前震活動のスロースリップなどの余効滑りはMw6.8と計算されている。また2月半ばからの地震活動も本震の震源付近へと活動域が移動している。活発な地震活動が東北地方太平洋沖地震の震源方向へと拡大していったことは、3月9日11時45分に発生したM7.3の地震に代表される東北地方太平洋沖地震発生以前の地震活動が前震であった根拠の一つと考えられている。また3月9日から11日の本震までに発生した地震の多くは、沈み込んでいく太平洋プレートと東北日本の地殻が接するプレート境界面で発生していた。
このような非地震性のすべりや複数の地震によるすべりによって、強固に固着し数百年間のひずみを溜め込んだ震源域のアスペリティに継続的に力が加えられ、限界値に達して破壊が始まり、更に周囲の複数のアスペリティ―を巻き込むことによって超巨大地震になったと考えられている。
2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震発生後、極めて活発な余震活動が震源域とその周辺で発生した。本震発生後約20分後には震源域北端に近い岩手県沖でM7.4、本震の約30分後にはこれまでの中で最も大きなM7.6の余震(最大余震)が震源域の南端に近い茨城県沖で発生し、更に4月7日には宮城県沖でM7.2の余震が発生した。また余震の回数はこれまでで最も多くの余震が観測された1994年に発生した北海道東方沖地震の余震数を大きく上回った。
東北地方太平洋沖地震の本震は、プレート境界で発生した低角逆断層地震であるが、余震は本震と同じメカニズムの地震ばかりではなく、正断層や横ずれ断層タイプの地震も多い。これは多くの余震は巨大な本震によって、本震を引き起こしたプレート境界周辺にひずみが生じたことによって発生していることを示している。
余震の発生場所については、本震発生後時間を経過するにつれて拡大する傾向が見られる。特に震源域南側の茨城県から千葉県房総半島の沖合へ広がっている。
多くの震源過程解析を総合すると、東北地方太平洋沖地震の震源過程は大きく三つの段階に分けられるとの分析が受け入れられている。震源は宮城県沖で、プレート境界面上の日本列島が乗る島弧地殻が、地殻からマントルに移り変わるモホ面付近であると考えられている。震源からまず第一の破壊が始まった。破壊方向は震源から全方向に広がっているが、特に西側の宮城県沖のプレート境界深部に広がった破壊が、宮城県や岩手県の強震観測で検出された第一のピークの短周期地震波をもたらしたと考えられる。宮城県沖の震源から広がった最初の破壊は約40秒間継続し、破壊速度は1.5km/s程度と見られ比較的ゆっくりしたもので、また破壊の規模は続く第二段階の破壊と比較して小さい。なお、第一の破壊過程を震源周辺の3秒間の破壊と、プレート境界深部の陸地方向へ向かう40秒の破壊の2つの過程に分けるとする研究もある。
震源付近の第一の破壊過程の変位は約15メートルと開析されている。これは2003年の十勝沖地震の変位の約2倍であり、後述の海溝軸付近の大規模な第二の破壊過程に先立つ第一の破壊の段階から、通常の大地震を上回る規模の地震であった可能性が高いとされる。
震源域で行った深海調査研究船「かいれい」による反射法地震探査調査や海洋調査船「かいよう」による音響測深機を用いた地下構造や海底地形の調の結果、太平洋プレートと北米プレートの境界付近をすべり面とした地震断層の破壊は、副次的な断層を形成しつつ海溝軸の海底まで到達していた。
2013年の地球深部探査船「ちきゅう」による探査によると、プレート境界面での粘土層の厚さは5m程度であり、摩擦熱で粘土層の水が膨張しプレートが滑りやすくなるサーマル・プレシャライゼーションが起こった可能性が指摘されている。