Nguyên nhân

Dịch chuyển của mảng kiến tạo Thái Bình Dương và mảng Bắc Mỹ tại rãnh Nhật Bản với tốc độ 8 cm/năm qua quãng thời gian lâu dài đạt một mức độ đủ lớn làm đứt gãy liên kết giữa hai mảng này dẫn đến sự trượt lên nhau của hai mảng. Mảng Thái Bình Dương đâm xuống phía dưới, mảng Bắc Mỹ trượt lên trên. Kết quả là sự sụt lở và sự trồi lên của đáy biến tạo nên động đất và sóng thần.

Diễn biến

Trước đó vào ngày 9/3 ở khu vực này đã có trận động đất 7,2 thang độ lớn mô men và 3 dư chấn có độ lớn trên 6,0; và nhiều chấn động có độ lớn trên 5 trong ngày 10/3. Một phút trước khi ảnh hưởng của động đất được cảm nhận ở Tokyo, hệ thống cảnh báo sớm động đất được liên kết từ hơn 1.200 địa chấn kế ở Nhật Bản đã gởi tín hiệu cảnh báo lên trên truyền hình về nguy hiểm của trận động đất đến hàng triệu người. Điều này là có thể vì sóng S, truyền với tốc độ 4 km/s, mất khoảng 90 giây trên quãng đường 373 km đến Tokyo. Cảnh báo sớm từ JMA được tin là đã cứu sống nhiều người.

Trận động đất xảy ra phía Tây Thái Bình Dương, cách phía Đông của thành phố Sendai, Honshu, Nhật Bản 130 km. Chấn tâm cách Tokyo 373 kilômét (232 dặm). Dư chấn có độ lớn 7,1thang độ lớn mô men xảy ra sau chấn động chính 40 phút. Có hơn 40 dư chấn có độ lớn từ 5 thang độ lớn mô men trở lên được ghi nhận chỉ trong vài giờ sau chấn động chính.

Ban đầu Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ báo độ lớn trận động đất là 7,9 nhưng sau đó hiệu chỉnh lại là 8,8 và 8,9 Mw.

JMA đánh giá rằng các dư chấn của trận động đất này rất mạnh, tính đến thời điểm 12 giờ ngày 16 tháng 3 năm 2011 số dư chấn lớn hơn 7,0 là 3, và số dư chấn lớn hơn 6,0 là 48. Dư chấn đã xảy ra trên phạm vi rộng thuộc địa phận bờ biển các tỉnh Iwate, Miyagi, Fukushima, và Ibaraki.

Tác động địa lý

Theo Viện Địa chất và Núi lửa Quốc gia của Ý, sức mạnh to lớn của trận động đất đã di chuyển trục Trái Đất khoảng 25 cm (9,8 in). Sự sai lệch này đã dẫn đến một số thay đổi nhỏ của hành tinh, bao gồm cả độ dài của một ngày và độ nghiêng về phía xích đạo của Trái Đất.[36] Do sự phân phối lại khối lượng Trái Đất, tốc độ quay của Trái Đất tăng lên, một ngày bị rút ngắn lại 1,8 micro giây.

Báo cáo của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ cho biết đảo Honshu, hòn đảo chính của Nhật Bản, đã dịch chuyển 5 m về phía Đông, làm Nhật Bản gần thêm với Hoa Kỳ. Nhà nghiên cứu Lucy Jones nói về dữ liệu chính xác như sau: "Người Nhật có thông tin chính xác nhất thế giới về địa chấn. Đây là trận động đất với độ lớn áp đảo nhất từng được ghi nhận."

Shinmoedake, một ngọn núi lửa ở Kyushu, đã phun trào hai ngày sau trận động đất. Ngọn núi lửa này đã phun trào lần cuối vào tháng 1 năm 2011. Vẫn chưa xác định được lần phun trào mới đây có liên quan đến trận động đất hay không.

Năng lượng

Trận động đất đã giải phóng một năng lượng bề mặt 1,9±0,5×1017 jun, được phân tán bằng năng lượng rung lắc và sóng thần, gần gấp đôi năng lượng giải phóng bề mặt của trận động đất và sóng thần Ấn Độ Dương 2004 đã giết chết 230000 người (26,3 megaton). "Nếu chúng ta có thể chỉ khai thác năng lượng (bề mặt) từ trận động đất này, nó sẽ cung cấp điện cho thành phố cỡ Los Angeles trong một năm", McNutt nói trong một cuộc phỏng vấn. Tổng năng lượng được giải phóng, cũng được biết như tại thời điểm địa chấn (M0) là hơn 200000 lần năng lượng bề mặt và được tính toán bởi USGS ở 3,9×1022 jun. Năng lượng này tương đương với 9.320 gigaton TNT, thấp hơn một chút động đất Ấn Độ dương 2004 (9560 gigaton hay 4,0×1022 jun) hoặc xấp xỉ 600 triệu lần năng lượng của bom hiroshima.Viện nghiên cứu quốc gia cho khoa học Trái Đất và phòng chống thiên tai Nhật Bản (NIED) đã tính toán một tải trọng động đất (PGA) ở 2,99 g (29.33 m/s²). Ghi nhận riêng lẻ lớn nhất trong Nhật Bản là 2,7 g tại tỉnh Miyagi, 75 km từ chấn tâm; ghi chép cao nhất trong khu vực đô thị Tokyo là 0,16 g.