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东北平原东西位于大兴松安岭与小兴安岭、张广才岭——长白山之间。东邻张广才岭褶皱带，南部与华北地块北缘相邻，西部为蒙古——兴安褶皱带。盆地周缘断裂及盆地内部隐伏断裂构造发育，盆地内以北北东向岩石圈断裂为主体，控制着盆地的形成与分布。伴生发育着北西、北西西、北东东向级断裂。北东向断裂广泛分布，主要有嫩江断裂、孙吴——双辽断裂以及依兰——伊通断裂。盆地内北西向断裂构造形成晚，常切割北东向断裂，具有多期活动的特点。盆地内多为第四系沉积物样品覆盖，十分发育，且分布广泛，岩性为冲积、洪积、风积、冰水堆积、海陆交互相碎屑堆积物，局部发育火山岩。基岩露头少，在盆地边缘可见断续出露的中生代地质体。
东北平原以开原一辉南线（相当于北纬43°）为界，北部地质上属吉黑褶皱系松辽拗陷，南部属中朝准地台下辽河断陷。中生代燕山运动伴随两侧华夏向山地隆起，形成了华夏向沉降带，奠定了现今地形的基本轮廓。第三纪后的新构造运动主要表现为具有明显的继承性和间歇性的地壳升降运动，将南北的构造体系连结起来，成为同一演化体系，平原继续下沉，沉积了深厚的白垩系、第三系和第四系地层。
松辽盆地的基底由古老的结晶岩系组成，经历了兴凯旋回、加里东旋回和华力西旋回，后者在西部形成了内蒙古——大兴安岭褶皱系，东部为张广才岭褶皱带和延边褶皱系，中部为松辽拗陷。在以后的地质历史中各种地质构造活动不断地进行着，到白奎纪末期褶皱、断裂及岩浆活动达到高潮。此后，地壳相对稳定，进入了剥夷堆积期。喜马拉雅运动在老构造的基础上使地层产生翘曲、断裂，表现为大兴安岭翘起、隆升，盆地沿断裂沉降。从此，盆地进人了第四纪的演变期，冰期和间冰期的交替出现，新构造运动的频繁发生，对第四纪环境的演化起了主导作用。
更新世初期，欧洲及北美大陆发生大陆冰盖，中国西北山地发生了山谷冰川，全球气温下降，寒冷气候波及松辽平原。在大兴安岭山前地带、盆地中部及东部丘陵沉积了数米至数十米的白土山组地层，岩性为白色砂砾岩，夹粘土透镜体，该地层向盆地中部渐变为湖相粘土，在早更新世的中、晚期，粘土层的分布范围扩大，湖泊已具有较大的规模。
中更新世大兴安岭、长白山山地抬升，松辽盆地缓慢而稳定下沉，在早更新世湖盆的基础上发展为大湖盆，沉积了厚达30一70米的湖相淤泥质粘土及粘土，面积达50000平方千米。
晚更新世沉积环境发生明显的分异，盆地的东、南及沿海地带以水流作用为主，为河流相沉积物。在西、西南部受到武木冰期的影响，气候干冷，为冰缘环境，风力作用强烈，堆积了马兰黄土和古沙丘。
晚更新世初，松辽分水岭缓慢抬升，西辽河与松嫩水系分离，形成辽河水系，松辽平原沉降中心不断缩小，古水文网发生重大变迁，且逐渐西移；中更新世形成的巨大湖泊大大萎缩，被分割为星罗棋布的小湖泊，在古河床及河曲带形成湖泊群。
晚更新世以来，东北地区的气候向干冷转变，在贝加尔和蒙古高压的控制下形成强劲的西北风，产生风沙流和尘暴，沙漠化再次发展、扩大，达到高峰，而且风沙流还伸延到东部台地边缘，通榆一长岭弧形垄状沙带便是在该期形成的。通过沙丘剖面测年表明，该沙带形成于晚第四纪更新世末期。
东北平原四周为山麓洪积冲积平原和台地，海拔200米左右。北部台地形状保存较明显，南部强烈侵蚀呈浅丘外貌。平原西南部风沙地貌发育，形成大面积沙丘覆盖的冲积平原。平原东北端循松花江谷地与三江平原相通。
辽河与松花江水系流经平原南北，两大水系之间为松辽分水岭。在地形上东北平原分为3部分：北部为松花江和嫩江及其支流冲积而成的松嫩平原；南部为辽河水系冲积而成的辽河平原；中部是松辽分水岭。
1．松嫩平原。西、北、东三面为大兴安岭、小兴安岭和东部山地的山麓平原和台地，南为松辽分水岭，大体呈菱形。在嫩江下游、乌裕尔河、讷谟尔河、雅鲁河下游形成大面积的沼泽湿地，湿地上河曲发达，河漫滩宽广，泡沼成群，还有沼泽湿地型的无尾河，如乌裕尔河和霍林河，为一特殊的闭流区。
2．辽河平原。位于辽东丘陵与辽西丘陵之间，铁岭一彰武之南，直至辽东湾，为一长期沉降区。地势低平，海拔一般在50米以下，沈阳以北较高，辽河三角洲近海部分仅2～10米。有辽河、太子河、浑河、大小凌河、沙河等，各河中下游比降小，水流缓慢，多河曲和沙洲，港汊纵横，堆积旺盛，河床不断抬高，汛期常导致排水不畅或河堤决溃，酿成洪涝灾害。辽河携带丰富沉积物，使平原不断向辽东湾延伸。近海部分和古河道内涝积水多成沼泽，繁育大片天然和人工芦苇。
3．松辽分水岭。由冲积、洪积物组成，上覆黄土。分水岭是更新世时沿断裂上升而形成的。分水岭东西长约200千米，南北宽150千米左右，海拔200～250米，高出松嫩平原50～100米。分水岭外貌似波状起伏的平原，与南北平原浑为一体。
东北平原西南部以西辽河为中心，呈沙丘与洼地相间、微波起伏的风沙地貌景观。地势西高东低，海拔170～250米。沙丘从西向东、从西南向东北，以流动沙丘为主逐渐过渡为半固定、固定沙丘；沙漠化程度循同方向减轻。沙丘主要由就地起沙形成。
东北平原土壤类型主要为暗棕壤、棕壤、白浆土、黑土、黑钙土、草甸土、栗钙土、盐碱土、潮土、水稻土、沼泽土、风沙土、褐土等，以草甸土、黑钙土和黑土为主，黑土是区内重要土壤资源。
黑土分布于小兴安岭南部的山前台地和平原，向南扩展分布至长白山脉中段西坡，向北分布至大兴安岭东北坡向的山前台地和平原，总面积610万平方千米，在台地分布55%、平原分布26%、丘陵山地分布19%；松嫩平原分布71%、三江平原分布7%、辽河平原分布3.3%。
松嫩平原中、东部主要为黑土，分布于山前台地和平原阶地上，从北向南呈弧形分布；松嫩平原西部主要是黑钙土、草甸土。在辽河平原主要分布有草甸土一潮土。滨海有盐土、沼泽土。
东北平原旧石器早期遗址遍布辽河、松花江流域，遗址文化类型与北京猿人、山顶洞人的基本特质一致。东北文明起源100万年前吉林前郭王府遗址，而后40-50万年前的庙后山文化、20-30万年前的金牛山、鸽子洞文化，5至1万年前的青头山人、榆树人、安图人、哈尔滨人、前阳人等古人类，9000年前的海拉尔扎拉诺尔人，7000年前沈阳新乐下层文化，6000至7000年前的吉林大安县长新南山遗址、辽东半岛小珠山文化，6000年前的海拉尔西沙岗文化、昂昂溪文化、密山新开流文化、饶河小南山文化，5000至6000年前的长春氏族部落、奈曼旗大沁他拉遗址、霍林河下游新石器时代遗址、西辽河红山文化，是后来形成的商族、肃慎、东胡、秽貊（扶余、高句丽）等东北各民族、部落共同的文明起源。
夏、商、周时期，东北诸民族向中原的王朝纳贡，成为中国的一部分。战国时的燕国控制了东北的南部地区，设立上谷、渔阳、右北平、辽西、辽东等五郡，进行有效行政管理。汉族移民随之进入东北南部地区。
秦汉时的东北南部地区主要居住着汉族人口，当地农业发展较好，东汉时，东北南部人口略有下降。两汉时代，在松嫩平原上出现了夫余国。公元前1世纪，在今辽宁吉林的东部山区出现了高句丽，东汉末年，中原军阀混战，许多汉族人到高句丽避难。铁农具的使用，推进了对丘陵山地的农业开发。
汉晋南北朝时，东北西部地区生活着乌桓、鲜卑、契丹、奚等游牧民族，逐水草而牧，为草原环境。东北东部、中部和北部广大地区，生活着以挹类、夫余、沃沮、高句丽、棘辑等渔猎民族，为森林环境。隋唐时，东北中部的渤海国农业发展迅速，形成了新的农业区，其中以上京龙泉府、中京显德府和东京龙原府所在地区的农业最为发达。
十六国时期，鲜卑人建立的前燕、后燕和北燕先后统治东北，中原汉人为躲避战乱，相继大量进入东北地区。从公元698年到926年，在东北出现了渤海政权，为唐朝的藩属。渤海占有高句丽的部分领土，境内有许多高句丽遗民，继承了高句丽的牛耕农业。
辽、金时期，统治者把大量人口安置在西辽河流域，当地人口压力倍增，其经济形态也从游牧经济转变为农耕经济，上京、中京等城镇建筑所耗木材砍伐了当地很多森林资源。人口的激增、土地垦殖的增加、草原的超载过牧，使“平地松林”不断消退所。辽、金时期人们在西辽河流域所从事的农牧业活动，畜牧过载引起草原沙化；大片农田开垦，地面失去自然植被保护，造成了水土流失，再加之该时期气候转向冷干，西辽河地区的生态环境大大恶化。
金朝时期，大批猛安谋克从东北向南迁入中原；于此同时，契丹、奚等东北民族的人民也一起进入中原，并留居在中原地区，形成了唐代以来又一次边疆民族的内迁高潮。东北中北部民族的内迁，当地人口大减，其经济也逐渐衰落，自然生态则得到恢复。
元朝时期，东北人口大量集中在东北南部，经济开发获得一定发展，而中部则是人烟稀少，基本上保持着较为原始的自然生态环境。
元末明初，辽东地区在明军与元朝军队的反复厮杀中，社会经济遭破坏，为尽快恢复和发展当地经济，明政府招徕人口向辽东地区聚集，广建军卫，并推广屯田法，组建军屯、商屯和民屯等多种形式的垦田模式，鼓励农业发展，该区人口和屯垦均有很大发展。洪武年间，辽东屯田有12386顷。嘉靖十六年（1537年），辽东人275155人，额田增至31620顷。嘉靖四十四年（1565年），辽东人口达到96441户，381496口，额田也增至38415顷。
明中期开始，辽东的经济出现了退步，农田日益减少，经济日趋残破，当地民众的逃亡也日益增加，人口的逃亡加剧了经济的萧条。蒙古草原的蒙古诸部和东部山区的女真人开始不断骚扰辽东，掳掠人口。辽东很多地区出现了土地荒宪、村落稀少的现象。辽东地区在整体上已经再次陷入了经济萧条、人口减少的不良境地，而生态环境则出现了土地荒宪、野草丛生的自然环境。
明代的东北除了辽河下游平原为汉人聚居区外，其他地区则为其他民族居住区。在额尔古纳河、嫩江、大兴安岭和西辽河流域主要生活着蒙古兀良哈部，基本上是狩猎和游牧经济。明代中期以后，西辽河流域的大宁卫地区的蒙古部落学会了农耕，但仍是初步阶段。在黑龙江中游及其精奇里江流域和小兴安岭地区生活着达呼尔人。黑龙江以北和外兴安岭之间生活着被称为北山野人的民族。黑龙江下游、松花江、乌苏里江流域的广大地区则是海西女真的生活区域。长白山、鸭绿江、图们江和绥芬河流域是建州女真的活动地区。虽然建州女真具有一定规模的农业，上述广大地区基本上仍以渔猎与游牧经济为主，经济生活对当地环境的影响较小，基本保持了良好的自然生态环境。
16世纪后期，以努尔哈赤为代表的女真人堀起，不断征服了周边势力，逐渐强大起来，入关南下，进军京师（今北京市），一统中国，建立清朝。为了集中人口、发展经济和壮大军事力量，努尔哈赤和皇太极多次收服东北北部和东部地区人口，向浑河流域和辽东地区聚集。在努尔哈赤对明朝的战争中，后金军队在攻占明朝辽东边墙里的城镇和村堡后，把俘获的大量汉人迁徙到辽东地区，通过招诱和军事征服等手段把蒙古地区人口聚集到辽东地区，蒙古草原人口继续向辽东聚集。
清朝初年，清统治者对东北地区实行全面封禁的政策。顺治初年，清政府开始修筑“柳条边”。清政府以柳条边为界，将边外的西部地区列为蒙古族游牧区，将边外的北部和东部地区列为满族渔猎区，皆禁止汉人进入垦荒。在东北特定区域划定皇室独占的禁地，其中包括围场、牧场、贡江山、官河泡以及各种禁山等。康熙十九年（1680），清政府又在柳条边内划定旗界和民界，把民人全部迁出旗界，禁止旗民混居。乾隆时期，清政府对东北采取了全面封禁的政策，正式下令禁止关内流民出关出口。
晚清时期，沙俄和日本相继侵入中国东北地区，对东北各种资源进行疯狂掠夺，俄国和日本对中国东北森林的肆意砍伐，造成大片森林被毁。至1915年，俄国己经侵占了黑龙江省内的17258平方俄里的森林资源。随着西辽河上游的开垦，当地水土流失日益严重，辽河河身不断抬升，并多次泛滥，在此期间，原本低洼的辽泽开始逐渐游积，地势也逐渐升高。清政府为了加强对边疆的控制，对东北边疆的封禁逐渐松弛，大片封禁的黑土带陆续开放。自1861年到1904年，清朝对东北边疆地区采取了弛禁放垦政策，允许移民来边境垦荒。1904年起黑龙江地区“全面开放”，平均每年放荒100多万垧，一些土地肥沃的黑土带，移民尤为集中，土地资源大量开发。到1910年，东北共放出荒地687.5万垧，其中垦熟地34.7万垧。民国时期，延续了晚清的大规模移民的政策，移民数量大量增加。来自山东、河北等地的大量汉人“闯关东”（出古北口和山海关等），在东北黑土带进行空前的农垦。1915年，吉林省耕地面积已达8598万亩，黑龙江省亦达3716万亩。
20世纪东北地区数度出现土地开发热潮，大量关内移民和周边地区的国际移民涌入东北地区，国内外资本也纷纷进入东北，设立大批农业垦殖公司，并引进了拖拉机等近代农业设备和技术。借助于农业现代化的推力，东北地区的土地开发以前所未有的规模迅速展开，到20世纪20年代末，东北地区已经成为全国主要大豆生产基地。
从民国十三年（1924年）到民国十九年（1930年），东北三省粮食产量由1457万吨增至1886万吨，1925年东北人均占有粮食已达1359斤。日伪统治时期，日伪从关内和日本、朝鲜迁来大量移民，大面积荒地被开垦。到1940年，东北地区已开垦耕地1930万公顷，占全区土地面积的14.8%。
民国二十六年（1937年）春，关东军促令伪政府成立“满洲农业政策委员会”，并于5月审议了所谓农业基本政策，决定对稻米、小麦、大豆等开始实行“统制”。太平洋战争爆发后，实行了决策搜荷方策，抗日战争胜利后，国民党政府敌战区农业生产遭到严重破坏，耕地荒芜，广大农村趋于破产。
新中国建立后东北地区建立了大批的国营农场，大批退伍军人挺进东北平原，开辟了新垦区，仅在黑龙江省就新开荒地7000多万亩，相当原有耕地的50%以上，使东北地区成为中国最大的商品粮生产基地。经过一个世纪的开发，东北地区实现了从“北大荒”到“北大仓”的历史巨变。从1949年到1990年，仅黑龙江省就开垦耕地596万公顷，是建国初期的1倍多。建国后东北黑土带的土地开发大体经历了以下三个阶段：
第一阶段，1949—1960年。1948年完成土改后，地方政府实行了开荒头三年不交粮的奖励政策，以调动广大农民开荒的积极性。黑龙江省和吉林省1950年开始接纳大量山东、河北等省移民和支边青年迁入开荒。1954年铁道兵和农建二师建场开荒，1956年山东移民迁入垦荒，1958年10万转业官兵开发“北大荒”，建立了数十个大型国营农场。1956年后随着高级农业社和人民公社成立，又开始了集体开荒。这十年间，黑龙江省每年开垦荒地面积13.3万公顷左右，1957年新开荒地达到20.8万公顷。由于大面积开垦荒地，到1957年全省已建立75个国营农场和150多个移民新村，全省耕地面积已达到666.6万公顷，比建国初期增加了100多万公顷。
第二阶段，1961—1977年。在“文革”期间，接纳百万知识青年上山下乡，1967年组建了生产建设兵团，将国营农场、劳改农场统统划归生产建设兵团，进行了大面积的开荒。1965年黑龙江省开荒面积达到29.12万公顷。到1970年黑龙江省耕地面积达到766.6万公顷。十年间，黑龙江全省已建成国营农场128个，军队农场171个，形成了中国大的国营农场群。1974年以后主要进行集体开荒，国家将人民公社集体开荒纳入计划，给予一定的资金补助，全省共建机械化集体开荒点1350个，共开垦荒地133.2万公顷。
第三阶段，1988年由国家立项的三江平原开发，共投入资金8.1亿元，集中成片开发建设120个小区。三江平原土地资源开发涉及到佳木斯、牡丹江、双鸭山、鹤岗、鸡西、七台河等6个省辖市、22个县（市）、4个国营农场管理局和62个国营农牧渔场。到1990年末，共开垦荒地12.46万公顷，改造中低产田52万公顷，其中旱改水16.24万公顷，治理低洼地35.74万公顷。通过三江平原土地资源综合开发，新增粮食生产能力150万吨。除三江平原开发外，黑龙江省其它地区也开发土地76.66万公顷。建国后的40多年来，黑龙江省共开垦荒地596万公顷，相当于建国前的1倍多，全省粮食总产从1949年的120亿斤增加到1990年的426亿斤。
建国后，国家在东北地区布局了大批重工业项目，东北地区重工业比重不断上升，成为中国主要的重工业基地，钢铁、化工、石油加工和基础装备行业是东北地区重工业的主导行业，东北老工业基地有37个资源型城市（含内蒙古蒙东地区5个），占全国资源型城市总数的16%。2003年国家实施东北振兴战略以来，东北地区经济增速呈现先增后降的总体趋势。2003-2011年，东北地区经济整体增速高于全国水平，但国内生产总值占全国比重总体表现为下降趋势，2014年东北地区国内生产总值占全国比重下降到8.38%。
根据中国社会科学院《中国工业化进程报告》显示，1995年东北地区的工业化进程在全国七大区域中排名第二位。但国家统计局的数据显示，东北地区的工业产出增幅在2013年已经明显地低于全国平均水平，2014年出现了“失速”的状态。根据《东北蓝皮书：中国东北地区发展报告（2016）》信息显示，2013年后东北三省GDP占全国的比重逐年下降，2015年回落到8.0%。2016年上半年，东北地区经济增速虽然仍落后于其他地区，但下行趋势开始趋缓，开始向高端装备制造业、矿产经济深加工、有机保健食品、汽车、新材料、生物医药、新能源等产业结构转型。
矿产资源
石油是东北平原最重要的矿产资源。平原北部因盆地抬升缩小，产生了巨厚的沉积物，为石油生成提供了有利条件。位于东北平原上的三大油田分别是大庆油田、吉林油田和辽河油田。
东北平原除了有丰富的石油资源外，煤炭、黄金、石灰石、玛瑙等矿产资源储量可观，品位居高。截至2008年，已探明煤炭储量1.5亿吨，远景储量2.48亿吨；探明黄金储量15.4吨，远景储量58.7吨；石灰石储量在数十亿吨以上，为发展矿产采掘、加工提供了有利条件。
截至2008年，东北三省已探明储量的矿种有84种，占中国已探明矿种的64%，其中有近60种为大中型矿床。累计探明储量占中国首位的有石油、铁、金、镍、锰、钼、菱镁、金刚石、石墨等；居中国前五位的有铜、镁、铅、锡、石膏、大理石等。其中，铁矿保有储量为1241.6亿吨，占中国储量的1/4；石油储量占中国1/2以上；煤炭669.1亿吨，占中国9%，油页岩储量211.4亿吨，占中国68%。
土地资源
东北平原林地分布于山地和丘陵，耕地分布于平原和台地、丘陵、山地；草地分布在丘陵、平原、山地和台地。沙地，即科尔沁沙地，盐碱荒地分布于松嫩平原中部，湿地分布于三江平原和沿河两岸及其冲积的积水河湾。
东北平原位于中国北方农牧交错带的东段，平原中的耕地面积占东北耕地总面积的70.18%，松嫩平原中的耕地占整个东北平原耕地面积的54.10%，辽河平原占31.10%，三江平原占15.10%。东北平原林地仅占东北全部林地面积的91.3%。东北平原草地面积占东北全部草地的34.15%。盐碱荒地的95.16%分布在松嫩平原。湿地滩涂的74.16%分布在松嫩平原和三江平原。
生物资源
东北平原是中国重点林区，有林地面积4393万公顷，森林总蓄积量为37亿立方米。东北林区木材品种齐全，林质优良，树的种类有100多种。全区有野生动物1000余种。除飞龙、雕、天鹅、东北虎、鹿、紫貂等30余种珍稀动物外，经济价值较高的还有林蛙、花尾棒鸡等。东北三省天然草原野生植物也比较丰富，已查明的野生经济植物就有800余种。
植物种类受水热条件的综合控制，具有从东南向西北递减的趋势。西部大兴安岭山地为寒温带落叶针叶林分布区，以耐寒的兴安落叶松为典型树种；东部的长白山地为温带针阔叶混交林分布区，以喜湿的红与枫桦为典型树种；中部的东北平原为温带森林草原、草甸草原和干草原分布区，以耐旱的羊草、贝加尔针茅等为典型植物种，并且是中国重要的商品粮基地。
