東北地方太平洋沖地震および津波のメカニズム
3月9日以降の地震活動にはもうひとつの顕著な特徴が見られた。地震の発生数と規模は一般的に
logN = a-b log (M)
という式で表されることが知られている。ここでNはマグニチュードMの地震の数、a・bは対象となる地震により一定の係数となる。bは通常1に近い値を取る。これはマグニチュードが1増えると地震数は10分の一となることを示している。しかし前震では通常よりも小さな地震が少ないため、bの値が1よりも遥かに小さな値を取ることが知られている。日本海溝付近の地震のbは0.8程度とかなり小さめであるが、3月9日から11日までの地震活動ではbは約0.47であり、通常の1、日本海溝周辺の地震の0.8と比べて極めて小さな値であり、これは3月9日以降の地震活動が3月11日の東北地方太平洋沖地震の前震である有力な根拠であるとされている。
また、日本海溝周辺の地震についてのb値について詳しく検討してみると興味深い事実が明らかとなった。もともと日本海溝周辺の地震のb値は約0.8と小さめの値であることが知られていたが、1960年代から現在までbの値が減少し続けていた。これらの事実から、太平洋プレートの西進によってひずみの蓄積が進んだ日本海溝のプレート境界では、岩石にかかる圧力が増大することにより小さな地震が減少してきており、3月9日のM7.3の地震以降は、プレート間の破壊が徐々に進行して小さな割れ目が結合して大きな割れ目となる中で小さな地震数が顕著に減少して、3月11日の本震発生に至ったという経過が想定される。
千島海溝に沿った北海道の十勝沖から千島沖にかけては、これまでマグニチュード8クラスの地震が、約数十年おきに比較的規則的に発生してきたことが知られていた。しかし東北地方沖から房総沖にかけての日本海溝付近では、三陸沖や宮城県沖ではこれまでマグニチュード8クラスの地震が発生したことがあったことは知られていたが、地震発生の間隔や規則性ははっきりせず、また福島県沖から房総沖にかけては、1677年に房総沖でマグニチュード8クラスの地震が発生したと考えられるが、福島県沖と茨城県沖ではマグニチュード7クラスの地震が時々発生することが知られているのみで、これまでマグニチュード8クラスの地震の発生は確認されていなかった。
東北地方から房総沖にかけての日本海溝沿いでは、869年に発生した貞観地震が記録に残る最も古い地震である。しかし16世紀以前の地震は、記録が残っていないなど資料不足が原因で欠落があるものと考えられている。そのため近年、津波による堆積物の調査、地震による地割れや液状化現象による噴砂の跡などを調査によって確認し、記録に残っていない過去の地震について把握する研究が進められるようになった。
中でも最も注目されたのが869年の貞観地震であった。貞観地震については、六国史の日本三代実録に陸奥国で大地震が発生し、巨大な津波が押し寄せたことが記されており、早くも1906年には「歴史地理第8巻第12号」に、吉田東伍による論文が発表された。