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3月11日，在日本東海岸外130公里的海床下，太平洋板塊的地殼滑動了超過20米，使這個島國向加利福尼亞州靠近了4.3米，其海岸線下沉了66釐米。 事實上，位於東北衝地震（根據離岸震中最近的島國區域正式命名）中心附近的第一個海底地質感測器記錄到，該點向東南偏東方向移動了約24米，並抬升了3米。
日本海岸警衛隊的水文地理學家佐藤真理子說：“日本歷史上曾遭受過海底巨大地震的破壞，這些地震的震源區通常位於海底之下。”她的團隊彙編了海底資料，該資料於5月19日在科學雜誌線上發表。“我們安裝了海底觀測站，以直接監測近海的地殼運動。”
然而，海底資料在另外兩項對地震的分析中均不可用，這兩項分析也於本週在科學雜誌線上發表。 加州理工學院的地球物理學家馬克·西蒙斯和他的同事們開發了一個計算機模型，模擬了持續數分鐘的地震，該模型基於1200多個地面全球定位感測器以及12個海嘯浮標，並且與佐藤的資料相符。 西蒙斯指出：“事實證明，我們的模型幾乎完美地擬合了這些資料。”
這次地震——估計為里氏9.0級——發生在比以往大型地震（如去年的8.8級智利地震）小得多的總面積內，這表明日本地震的滑動幅度要大得多，這是有記錄以來最強大的四次地震之一。 西蒙斯解釋說：“我們懷疑，但我們沒有線索，那裡有一個特別卡住的區域——一座古老的海山或巖塊。” “這種粗糙度使其非常卡住，以至於應力必須長時間積累才能決定斷裂。”
事實上，根據古海嘯的發現以及當時的文獻，這次地震的歷史先例似乎發生在公元869年7月——被稱為貞觀地震——這意味著如此大的滑動發生在千年尺度上，而較小的地震則表徵了通常發生的每年約八釐米的蠕動俯衝。 這有助於解釋為什麼如此大的地震在該地區是出乎意料的，導致了災難性後果，包括超過24,000人死亡或失蹤，以及沿海福島第一核電站三個反應堆的燃料熔燬。
西蒙斯說：“南部地區[更靠近東京]沒有什麼不同”，因為一場大地震將是出乎意料的，但並非不可能——現在在與其緊鄰的區域已經發生了一次強烈的地震。 這可能表明所謂的“拉鍊式”系列地震，用西蒙斯的話說，就像2004年印度洋地震和海嘯後蘇門答臘島發生的那些地震一樣，隨著時間的推移沿著斷層傳播。 西蒙斯解釋說：“它有可能發生大型事件，也有可能只是以較小的事件‘蠕動’。” “我們不應該掉以輕心。”
東京大學的井出悟領導的另一項分析認為，深層地下滑動幅度要小得多，而淺層運動“過大，可能釋放了超過100%的累積應力”，井出悟說。 這種巨大的運動——釋放的能量相當於910萬千兆焦耳，或大約相當於15億桶石油中蘊含的能量——解釋了海嘯摧毀日本東北海岸的原因。 井出悟補充說：“[海嘯]很大，但並沒有出乎意料地大於使用地震波的估計。”
然而，這種地震模型與來自海底感測器的資訊不太吻合——將這些資料納入未來的計算機模擬應該能更好地瞭解在這次巨大的構造事件中實際發生的情況。 然而，這並不一定意味著未來會有更好的預測。 西蒙斯認為，地震預測是徒勞的。 他說：“出於許多基本的物理原因，地震是完全不可預測的。” “這些罕見和極端的事件是如此罕見和極端，以至於即使我們只對我們的後院感興趣，瞭解它們的唯一方法就是了解它們在任何地方發生的情況。”