แผ่นดินไหวดังกล่าวเกิดขึ้นในมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันตกที่ระดับความลึกค่อนข้างน้อยเพียง 32 กิโลเมตร โดยศูนย์กลางแผ่นดินใหญ่อยู่ห่างจากคาบสมุทรโอชิกะ ภาคโทโฮกุ ประมาณ 72 กิโลเมตร เป็นเวลาอย่างน้อยหกนาที[1] นครใหญ่ที่ใกล้จุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวที่สุดคือเซ็นไดบนเกาะฮนชู เกาะหลักของญี่ปุ่น ซึ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางแผ่นดินไหว 130 กิโลเมตร กรุงโตเกียวอยู่ห่างจากศูนย์กลางแผ่นดินไหว 373 กิโลเมตร[2] แผ่นดินไหวดังกล่าวเกิดขึ้นหลังแผ่นดินไหวนำอย่างรุนแรง และมีรายงานแผ่นดินไหวตามอีกหลายร้อยครั้งตามมา ฟอร์ช็อก (แผ่นดินไหวนำ) ใหญ่ครั้งแรกเป็นเหตุแผ่นดินไหวนำความรุนแรง 7.2 แมกนิจูด เมื่อวันที่ 9 มีนาคม ห่างจากจุดที่เกิดแผ่นดินไหวเมื่อวันที่ 11 มีนาคมไปอย่างน้อย 40 กิโลเมตร ตามด้วยฟอร์ช็อกอีกสามครั้งที่เกิดขึ้นในวันเดียวกัน ซึ่งล้วนแต่ความรุนแรงมากกว่า 6 แมกนิจูด[2][31] หลังเกิดแผ่นดินไหว อาฟเตอร์ช็อกความรุนแรง 7.0 แมกนิจูด ได้รับรายงานเมื่อเวลา 15.06 น. (ตามเวลาท้องถิ่น) ตามด้วย 7.4 เมื่อเวลา 15.15 น. และ 7.2 เมื่อเวลา 15.26 น.[32] อาฟเตอร์ช็อกมากกว่าแปดร้อยครั้งมีความรุนแรงมากกว่า 4.5 แมกนิจูดตั้งแต่เกิดแผ่นดินไหวหลัก[33] อาฟเตอร์ช็อกเป็นไปตามกฎโอโมริ ซึ่งกล่าวว่า อัตราอาฟเตอร์ช็อกลดลงแปรผันตรงกับเวลาตั้งแต่แผ่นดินไหวหลัก ดังนั้น อาฟเตอร์ช็อกจึงเกิดขึ้นน้อยลงเมื่อเวลาผ่านไป แต่อาจเกิดขึ้นเรื่อย ๆ อีกหลายปี[34]

หนึ่งนาทีก่อนผลกระทบจากแผ่นดินไหวจะรู้สึกได้ในกรุงโตเกียว ระบบแจ้งเตือนภัยแผ่นดินไหวล่วงหน้า ซึ่งมีเครื่องตรวจวัดแผ่นดินไหวมากกว่าหนึ่งพันตัวในญี่ปุ่น ได้ส่งคำเตือนออกอากาศทางโทรทัศน์เกี่ยวกับเหตุแผ่นดินไหวแก่ชาวญี่ปุ่นหลายล้านคน คลื่นเอสแผ่นดินไหว ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 4 กิโลเมตรต่อวินาที จึงใช้เวลา 90 วินาทีในการเดินทาง 373 กิโลเมตรไปยังกรุงโตเกียว สำนักอุตุนิยมวิทยาญี่ปุ่น เชื่อว่าระบบการแจ้งเตือนภัยล่วงหน้าสามารถช่วยหลายชีวิต[35][36] คำเตือนต่อสาธารณชนถูกส่งไปราว 8 วินาทีหลังคลื่นพีแรกถูกตรวจจับ หรือ 31 วินาทีหลังเกิดแผ่นดินไหว อย่างไรก็ตาม ความรุนแรงที่ประเมินไว้น้อยกว่าความเป็นจริงในบางพื้นที่ในคันโตและโทโฮะกุ[37]

ตอนแรก USGS รายงานความรุนแรงของแผ่นดินไหวอยู่ที่ 7.9 แมกนิจูด แต่ปรับเพิ่มเป็น 8.8 และ 8.9 อย่างรวดเร็ว[38] และปรับเพิ่มอีกครั้งเป็น 9.0 แมกนิจูด[3][39]

ธรณีวิทยา

แผ่นดินไหวครั้งนี้เกิดขึ้นโดยแผ่นแปซิฟิกมุดตัวลงใต้แผ่นเปลือกโลกใต้ฮนชูเหนือ ซึ่งแผ่นเปลือกโลกแผ่นใดที่เกิดปรากฏการณ์ดังกล่าวขึ้นนี้ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ในหมู่นักวิทยาศาสตร์[40][41] แผ่นแปซิฟิก ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตรา 8 ถึง 9 เซนติเมตรต่อปี ลาดลงไปใต้แผ่นเปลือกโลกซึ่งรองรับฮนชู และปลดปล่อยพลังงานออกมามหาศาล การเคลื่อนไหวนี้ดึงแผ่นเปลือกโลกที่อยู่ข้างบนลงจนกระทั่งเกิดความเครียดมากพอที่จะเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวขึ้น การแตกทำให้ระดับน้ำทะเลเพิ่มสูงขึ้นหลายเมตร แผ่นดินไหวความรุนแรงระดับนี้โดยปกติแล้วจะมีความยาวรอยเลื่อนอย่างน้อย 480 กิโลเมตร และมักเกิดขึ้นโดยมีพื้นผิวรอยแยกค่อนข้างตรงและยาว เพราะรอยต่อแผ่นเปลือกโลกและเขตมุดตัวในพื้นที่ของรอยเลื่อนไม่ตรง ความรุนแรงของแผ่นดินไหวครั้งนี้ที่เกิน 8.5 แมกนิจูดจึงผิดปกติ และสร้างความประหลาดใจแก่นักแผ่นดินไหววิทยาบางคน[42] พื้นที่ศูนย์กลางแผ่นดินไหวขยายจากนอกชายฝั่งจังหวัดอิวะเตะไปจนถึงนอกชายฝั่งจังหวัดอิบาระกิ[43] สำนักอุตุนิยมวิทยาญี่ปุ่น ว่า แผ่นดินไหวอาจทำให้เขตรอยเลื่อนแตกออกจากอิวะเตะถึงอิบะระกิ โดยมีความยาว 500 กิโลเมตร และกว้าง 200 กิโลเมตร[44][45] การวิเคราะห์แสดงว่า แผ่นดินไหวนี้ประกอบด้วยชุดเหตุการณ์สามอย่างประกอบกัน[46] แผ่นดินไหวอาจมีกลไกลคล้ายคลึงกับแผ่นดินไหวใหญ่ใน พ.ศ. 1412 โดยมีขนาดคลื่นพื้นผิวที่ 8.6 ซึ่งได้ก่อให้เกิดคลื่นสึนามิขนาดใหญ่เช่นกัน[47] แผ่นดินไหวใหญ่ที่ก่อให้เกิดคลื่นสึนามิอื่น ถล่มพื้นที่ชายฝั่งซานริกุใน พ.ศ. 2439 และ 2486

การสั่นไหวที่รุนแรงถูกจัดให้อยู่ในระดับ 7 ซึ่งเป็นระดับสูงสุดของมาตรความรุนแรงแผ่นดินไหวของสำนักอุตุนิยมวิทยาญี่ปุ่นในคูริฮาระ จังหวัดมิยางิ[48] ส่วนในจังหวัดอื่นอีกสามจังหวัด ได้แก่ จังหวัดฟูกูชิมะ จังหวัดอิบารากิ และจังหวัดโทจิงิ ถูกบันทึกไว้ว่าอยู่ในระดับ 6 บนตามมาตราดังกล่าว ส่วนสถานีแผ่นดินไหวในจังหวัดอิวาเตะ จังหวัดกุมมะ จังหวัดไซตามะ และจังหวัดชิบะ วัดความรุนแรงได้ในระดับ 6 ล่าง และ 5 บนในโตเกียว

สำนักงานข้อมูลปริภูมิ (Geospatial Information Authority) ญี่ปุ่น รายงานการทรุดตัวของแผ่นดิน ที่วัดค่าโดยจีพีเอสจากค่าล่าสุดเมื่อวันที่ 14 เมษายน พ.ศ. 2554[49] ที่ลดลงมากที่สุดคือ คาบสมุทรโอชิกะ จังหวัดมิยะงิ 1.2 เมตร[50] ด้านนักวิทยาศาสตร์ว่า การทรุดตัวดังกล่าวเป็นการถาวร และจะส่งผลให้ชุมชนที่ประสบการทรุดตัวของแผ่นดินนี้จะเสี่ยงต่อภาวะอุทกภัยในช่วงน้ำขึ้นมากยิ่งขึ้น[51]

พลังงาน

แผ่นดินไหวดังกล่าวปลดปล่อยพลังงานพื้นผิวออกมากว่า 1.9±0.5×1017 จูล[52] ซึ่งประกอบด้วยพลังงานสั่นสะเทือนและสึนามิ ซึ่งเป็นเกือบสองเท่าของพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากเหตุแผ่นดินไหวและคลื่นสึนามิในมหาสมุทรอินเดีย พ.ศ. 2547 ซึ่งคร่าชีวิตผู้คนไปกว่า 230,000 คน หากสามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานดังกล่าวได้ พลังงานคลื่นพื้นผิวจากแผ่นดินไหวนี้จะเพียงพอต่อนครขนาดลอสแอนเจลิสได้ทั้งปี[34] สำหรับพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาทั้งหมด หรือที่รู้จักกันว่า โมเมนต์แผ่นดินไหว มีค่ามากกว่า 200,000 เท่าของพลังงานพื้นผิว และสามารถคำนวณได้อยู่ที่ 3.9×1022 จูล[53] น้อยกว่าแผ่นดินไหวในมหาสมุทรอินเดียเมื่อ พ.ศ. 2547 เล็กน้อย พลังงานดังกล่าวเท่ากับทีเอ็นที 9,320 กิกะตัน หรืออย่างน้อย 600 ล้านเท่าของพลังงานของระเบิดนิวเคลียร์ที่ถล่มฮิโรชิมะ

สถาบันพลังงานนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกาเปิดเผยตัวเลขซึ่งระบุว่าแผ่นดินไหวดังกล่าวสร้างความเร่งสูงสุดของพื้นดินอยู่ที่ 0.35 จี (3.43 ม./วินาที²) ใกล้กับจุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหว[54] จากการศึกษาโดยมหาวิทยาลัยโตเกียวชี้ว่าในบางพื้นที่มีค่าความเร่งสูงสุดเกินกว่า 0.5 จี (4.9 ม./วินาที²) [55] ด้านสถาบันวิจัยโลกศาสตร์และการป้องกันภัยพิบัติแห่งชาติ (NIED) ของญี่ปุ่นได้คำนวณค่าความเร่งสูงสุดของพื้นดินไว้ที่ 2.99 จี (29.33 ม./วินาที²) [56] ส่วนค่าที่บันทึกได้มากที่สุดในญี่ปุ่นอยู่ที่ 2.7 จี ในจังหวัดมิยางิ ห่างจากศูนย์กลางแผ่นดินไหว 75 กิโลเมตร ส่วนค่าที่อ่านได้สูงสุดในพื้นที่มหานครโตเกียวอยู่ที่ 0.16 จี[57]

ผลกระทบทางธรณีฟิสิกส์

แผ่นดินไหวดังกล่าวได้ขยับส่วนทางตะวันออกเฉียงเหนือของญี่ปุ่นไปราว 2.4 เมตรเข้าใกล้ทวีปอเมริกาเหนือ[20][41] ทำให้ผืนทวีปของญี่ปุ่นบางส่วน "กว้างขึ้นกว่าแต่ก่อน"[41] ส่วนของญี่ปุ่นที่อยู่ใกล้จุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหวมากที่สุดขยับไปมากที่สุด[41] สไตน์ระบุว่าแนวชายฝั่งยาว 400 กิโลเมตรลดระดับลงตามแนวดิ่ง 0.6 เมตร ทำให้คลื่นสึนามิเคลื่อนที่พัดเข้าสู่พื้นดินได้ไกลขึ้นและเร็วขึ้น[41] การประเมินขั้นต้นเสนอว่า แผ่นแปซิฟิกอาจเลื่อนไปทางตะวันตกมากที่สุด 20 เมตร[58] การประเมินขั้นต้นอีกแหล่งหนึ่ง ชี้ว่าการเลื่อนไหลอาจเป็นระยะทางมากถึง 40 เมตร[59] มีความยาวระหว่าง 300 ถึง 400 กิโลเมตร และกว้าง 100 กิโลเมตร หากข้อมูลดังกล่าวได้รับการพิสูจน์ยืนยัน แผ่นดินไหวครั้งนี้อาจเป็นหนึ่งในการเคลื่อนที่ของรอยเลื่อนที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยเกิดขึ้นจากแผ่นดินไหว[60] วันที่ 6 เมษายน ยามฝั่งญี่ปุ่นระบุว่า แผ่นดินไหวดังกล่าวเลื่อนก้นทะเลใกล้กับจุดเหนือศูนย์กลางแผ่นดินไหว 24 เมตร และยกระดับก้นทะเลนอกชายฝั่งจังหวัดมิยางิสูงขึ้น 3 เมตร[61]

แผ่นดินไหวดังกล่าวได้ย้ายตำแหน่งแกนโลกไป โดยประเมินไว้ระหว่าง 10 ถึง 25 เซนติเมตร[62][41][63] การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโลกเล็กน้อยหลายอย่าง รวมทั้งความยาวของวันและความเอียงของโลก[63] อัตราเร็วในการหมุนรอบตัวเองของโลกเพิ่มขึ้น ทำให้วันหนึ่งสั้นลง 1.8 ไมโครวินาทีเนื่องจากการกระจายมวลโลกใหม่ การเคลื่อนย้ายแกนเกิดขึ้นจากการกระจายมวลบนพื้นผิวของโลกใหม่[64] ซึ่งเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ความเฉื่อยของโลก จากผลกระทบในการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม การเปลี่ยนแปลงความเฉื่อยดังกล่าวทำให้อัตราการหมุนของโลกเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย[65] ซึ่งเป็นสิ่งที่คาดการณ์ไว้[63] สำหรับแผ่นดินไหวที่มีความรุนแรงระดับนี้[20][64]

ปรากฏการณ์ดินเหลว (soil liquefaction) ปรากฏชัดเจนในพื้นดินที่เกิดจากการถมทะเล (reclaimed land) รอบกรุงโตเกียว โดยเฉพาะในอูรายาซุ[66] นครชิบะ ฟูนาบาชิ นาราชิโนะ (จังหวัดชิบะ) และในเขตโกโต เอโดงาวะ มินาโตะ ชูโอ และโอตะในกรุงโตเกียว มีบ้านหรืออาคารถูกทำลายอย่างน้อย 30 หลัง และอาคารอื่นอีก 1,046 หลังได้รับความเสียหายในระดับต่าง ๆ กัน[67] ท่าอากาศยานฮาเนดะที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งส่วนใหญ่สร้างบนพื้นที่ดินเกิดจากการถมทะเลนั้น ไม่ได้รับความเสียหาย โอไดบะก็เผชิญกับปรากฏการณ์ดังกล่าวเช่นกัน แต่ความเสียหายเล็กน้อยมาก[68]

ภูเขาไฟชินโมอิเดเกะ ภูเขาไฟบนเกาะคีวชู ปะทุขึ้นสองวันหลังจากแผ่นดินไหวดังกล่าว จากที่เคยปะทุขึ้นมาแล้วเมื่อเดือนมกราคม พ.ศ. 2554 ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่าการปะทุดังกล่าวมีความเชื่อมโยงกับแผ่นดินไหวหรือไม่[69] ในแอนตาร์กติกา คลื่นแผ่นดินไหวจากแผ่นดินไหวดังกล่าวได้รับรายงานว่าทำให้ธารน้ำแข็งวิลแลนส์ไถลไป 0.5 เมตร[70]

อาฟเตอร์ช็อก

ญี่ปุ่นเกิดอาฟเตอร์ช็อกมากกว่า 1,200 ครั้งนับแต่เกิดแผ่นดินไหวขึ้น โดยมี 60 ครั้ง ที่มีความรุนแรงมากกว่า 6.0 แมกนิจูด และมีอย่างน้อย 3 ครั้ง ที่มีความรุนแรงมากกว่า 7.0 แมกนิจูด อาฟเตอร์ช็อกความรุนแรง 7.7 และ 7.9 แมกนิจูด เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 11 มีนาคม[71] และครั้งที่สามเกิดขึ้นนอกชายฝั่งเมื่อวัที่ 7 เมษายน โดยความรุนแรงยังไม่สามารถตกลงกันได้ มีจุดเหนือศูนย์เกิดแผ่นดินไหวอยู่ใต้ทะเล 66 กิโลเมตรนอกชายฝั่งเซ็นได สำนักอุตุนิยมวิทยากำหนดความรุนแรงไว้ที่ 7.4 MJMA ขณะที่สำนักงานสำรวจธรณีวิทยาสหรัฐลดลงเหลือ 7.1 แมกนิจูด[72] มีผู้เสียชีวิตอย่างน้อยสี่คน และกระแสไฟฟ้าถูกตัดขาดเป็นบริเวณกว้างทางตอนเหนือของญี่ปุ่น รวมทั้งการสูญเสียพลังงานภายนอกไปยังโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฮิงาชิโดริ และโรงงานแปรสภาพเชื้อเพลิงรกกาโช[73][74][75] สี่วันให้หลัง วันที่ 11 เมษายน เกิดอาฟเตอร์ช็อกความรุนแรง 6.6 แมกนิจูดถล่มฟุกุชิมะอีกครั้งหนึ่ง ทำให้เกิดความเสียหายเพิ่มเติมและมีผู้เสียชีวิตสามคน[76][77]

จนถึงอาฟเตอร์ช็อกวันที่ 3 มิถุนายน พ.ศ. 2554 ที่ยังดำเนินไป แผนที่ที่อัปเดตเป็นประจำแสดงอาฟเตอร์ช็อกที่มีความรุนแรงมากกว่า 4.5 แมกนิจูด ทั้งใกล้หรือนอกชายฝั่งตะวันออกของฮนชูในเจ็ดวันหลังสุด[78] แสดงให้เห็นว่าเกิดขึ้น 20 ครั้ง