El terremoto principal estuvo precedido de una larga serie de terremotos previos, que comenzaron con un temblor de 7,2 MW el día 9 de Marzo de 2011, aproximadamente a 40 kilómetros de distancia de donde se produjo el terremoto del 11 de Marzo, y seguido de otros tres el mismo día de la catástrofe que excedieron los 6 MW de intensidad.Un minuto antes del terremoto principal, el Sistema de Alerta de Terremotos, conectado a cerca de 1.000 sismógrafos en Japón, envió una serie de avisos a los diferentes medios de comunicación japoneses alertando del peligro inminente. Se cree que gracias a estas alertas se pudieron salvar una gran cantidad de personas.
El epicentro del terremoto se localizó en el Océano Pacífico, a 130 kilómetros al este de Sendai,Honshu, a las 14:46 hora local. Se situó a 373 kilómetros de Tokio, capital de Japón, de acuerdo al Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS). Tras el terremoto se registraron múltiples réplicas. Un terremoto de magnitud 7,0 se registró a las 15:06 hora local, de 7,4 a las 15:15 hora local y de 7,2 a las 15:26 hora local. Luego del terremoto inicial se registraron más de cien réplicas con maginitudes superiores a 4,5 grados.
En un principio el USGS informó que la magnitud había sido 7,9 aunque rápidamente se modificó a 8,8 y luego a 8,9, y posteriormente a una entre 9,0 y 9,1.
Este terremoto se produjo en la Fosa de Japón, donde la Plaza del Pacífico subduce bajo la Placa del Ojotks. Un terremoto de esta magnitud por lo general tiene un frente de ruptura de al menos 480 kilómetros y requiere de una larga línea de falla relativamente recta. Debido a que el límite entre placas y la zona de subducción en esta región no es tan recta, es por lo que los terremotos en esta región se espera tengan magnitudes de entre 8 y 8,5, por esto la magnitud de este terremoto fue una sorpresa para algunos sismólogos. La región hipocéntrica de este terremoto se extiende desde la costa de Iwate hasta las prefecturas fuera de la costa de Ibaraki. La Agencia Meteorológica de Japón declaró que este terremoto puede haber generado una ruptura en la falla desde Iwate a Ibaraki , con una longitud de 400 kilómetros y un ancho de 200 kilómetros. Se ha señalado que puede haber tenido el mismo mecanismo que el de otro gran terremoto ocurrido en el año 869, que también causó un tsunami de gran tamaño.
El terremoto ha registrado un máximo de 7 en la Escala Sísmica Japonesa en Kurihara, en la prefectura de Miyagi. Otras tres prefecturas más (Ibaraki, Fukushima y Tochigi) han alcanzado la escala 6. Estaciones sísmicas en Iwate, Gunma, Saitama y Chiba han medido temblores por debajo del grado 6, mientras que en Tokio se ha alcanzado el grado 5.
Un oficial de la ciudad más dañada, Kurihara en la prefectura de Miyagi, respondió en una entrevista telefónica para la Agence France-Presse:
"Fuimos sacudidos tan fuertemente que tuvimos que sujetarnos para no caer. No podíamos escapar de los edificios inmediatamente porque los temblores no paraban... La policía ahora está en la calle, recogiendo información del daño".
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