由于两大平原在第四纪以来，属于间歇性沉降的加积平原，且具有明显的继承性、多期性和差异性，加上古气候的冷暖交替，导致区内第四纪古地理环境与沉积相在时间上和空间上产生差异。
（一）早更新世古地理环境与岩相
1.早更新世早期（距今300～250万a前）
早更新世早期的三江平原与现在面貌迥然不同，盆地范围很小。仅在绥缤凹陷和前进凹陷有三个内陆封闭盆地接受第四系沉积，其余广大地区属于陆源剥蚀区，其周围山地约高出当地基面100～300m。区内除松花江有明显河道外，其他河流尚未形成。
主要沉积相有河床滞留相和冲洪积相（图3-3），沉积物厚20～100m，推断距今年龄约300～250万a前。
兴凯湖平原湖泊尚未形成，仅在松阿察河一带有一近南北向深槽，沉积了冲洪积物，厚30～50m（图3-4）。
2.早更新世中晚期古地理环境与岩相（距今250～120万a前）
由于两大平原断陷下沉，其沉积范围逐渐扩大，至早更新世未，达到山麓边缘，大体受平原周边断裂带控制。
三江平原西界小兴安岭山前台地边缘与依兰—伊通裂谷北段相通，东接完达山西麓，与敦化—密山裂谷相连，南临山前台地，以近东西向断裂为界，略小于今日三江平原范围，周围山地高出当地基面100～350m，属陆源剥蚀补给区。
区内的黑龙江业已形成，约在福兴一带入松花江再北泄。其河床滞留相沉积物的电阻率达300～400Ω·m。表明河流能量较小，尚未切穿嘉荫峡谷，还没有能力携带更粗颗粒沉积物。小兴安岭东坡的梧桐河已形成，流出山口后汇入松花江，古松花江仍按其故道北泄，至桦川一带分两支，主流北支继续北泄与黑龙江汇合后流入现今的俄罗斯境内，形成一个较大水体，另一支流过花马山入“古三江湖”（拟称）。
古松花江、东河床滞留相沉积物电阻率约180～250Ω·m，表明河水能量小，携带能力弱，没有切穿依兰峡谷。
“古三江湖”的滨湖相沉积由泥质粉砂、细砂构成。电阻率100～70Ω·m。浅湖相沉积物，由亚黏土、亚砂黏土与粉细砂互层，电阻率为50～70Ω·m。
在完达山北麓与抚远间，亦存在一个较大的水体。有两股水流注入其中：一股由北而南入湖。另一股源于锡霍特山，自东而西注入湖泊中，此两河床滞留相沉积物的视电阻率为300～200Ω·m，该水体滨湖相沉积物视电阻率约100～80Ω·m；浅湖相沉积物为80～50Ω·m。
其余广大地区均属于边滩相沉积（见图2-48）。沉积物厚40～100m，距今年龄约为250～120万a。
图3-3 三江平原岩相对比图
图3-4 兴凯湖平原岩相对比图
以上特点表明古三江水系在早更新世晚期仍属于内陆水系，没有外泄入海。
兴凯湖平原在早更新世晚期，湖泊相当广大，约相当于现今平原面积1/3。古兴凯湖（见图2-59）北至虎林县城，西抵宝东、承紫河、青山一线，东临松阿察河，南越中苏边界线，此外在平原北部的阿北—新政一带也存在一个较小湖泊。
此期，古穆棱河形成，注入兴凯湖，形成大面积三角洲沉积，在俄罗斯境内的伊漫河、塔姆加河开始形成，分别流入盆地的两个湖中，形成入湖三角洲与边滩相沉积。
区内河床滞留相沉积物视电阻率为200～150Ω·m。三角洲相为150～100Ω·m，滨湖相视电阻率为100～70Ω·m。浅湖相视电阻率为70～30Ω·m。
（二）中更新世古地理环境与岩相（距今120～20万a前）
进入中更新世以来，由于两个大平原整体稳定下沉，致使沉积范围达到最广时期。现今的台地后缘即为当时的平原边界，到中更新世晚期，湖泊发育极盛时期，“古三江湖”南迁至宝清、双鸭山一带，在集贤、汤原、鹤立一带都有较大湖泊（见图2-71）。
小兴安岭东麓的诸顺坡河，均已形成，分别汇入松花江，并形成各自的河床滞留相沉积物。黑龙江与松花江在绥滨—萝北地区相汇。由于水流过大，使河道漫散，沉积了较宽的河床相砾石层。
古挠力河及其支流形成后，汇同松花江南部的分支河道北流入黑龙江。古乌苏里江还是一条近东西向小河，它源于锡霍特山，在抚远南汇入黑龙江，形成了各自的河床滞留相沉积。其余广大地区为边滩相沉积。
应当说明，黑龙江河床滞留相沉积物视电阻率高达1000～500Ω·m。松花江的河床滞留相沉积达600～400Ω·m，都比早更新世沉积物视电阻率明显增大。这表明水流能量剧增，携带能力强，才得以沉积粗大颗粒。由此可见，黑龙江在中更新世中晚期已切穿嘉荫峡谷，同时松花江切穿了依兰峡谷。截夺了各自上游水系所致。然而，两江汇流后并未形成广大水体，推断此期区内水系已经外泄入海，距今约在60～50万a前。这一结论与黑龙江地矿局第一水文队及原九〇四部队的研究结果相合。
古兴凯湖及其北部湖泊达到最盛时期，广泛发育滨湖相、浅湖相沉积。穆棱河分两沉积。支河道分别注入两个湖泊中（见图2-71），形成了河床滞留相和边滩相及入湖三角洲相
（三）晚更新世古地理环境与岩相
划分如下阶段。到了晚更新世时期，两大平原均处在差异性缓慢抬升沉积期，加上古气候恶化，可
1.晚更新世早期
由于两大平原周围山体隆升，使山麓前缘沿断裂带缓慢抬升。随着古气候转冷变干，三江平原中更新世遗留下来的古湖泊，除“古三江湖”外相继消亡，两大平原缩小到今日的台地前缘，周围山地接近现今高度，仍近陆源剥蚀区（见图2-78）。
黑龙江汇入松花江有两条古河道，宽10～15km，沉积物视电祖率1000～400Ω·m。松花江基本上仍按中更新世故道分两支北泄，其河床滞留相沉积物视电阻率为600～300Ω·m。
小兴安岭东坡的各级河谷，从山区携带的粗粒物质沉积在平原边缘，形成了冲洪积扇堆积物。其余广大地区为边滩相沉积，平原东侧乌苏里江北段河道已见雏形。
兴凯湖平原仍以湖泊沉积为主（图2-78），还没有形成外泄水系。
2.晚更新世中期
近，山前台地分异明显。距今15～7万a前，两大平原范围基本与晚更新世早期相似，周围山体与现今面貌相
与边滩相沉积。由于古气候转暖变湿，三江平原河流量增大。并经常淹没地势低平的洪泛区，乃致使同江—富锦—集贤一线以东广大地区，被水体淹没，形成了稳定而广阔的河漫湖，沉积了厚达6～10m亚黏土层（见图2-78），其视电阻率20～30Ω·m，其他地区为河床相
兴凯湖平原仍为广阔的湖相沉积。
3.晚更新世晚期—全新世
距今7.0万a以来，两大平原都发生了重大变化，三江平原的同江—富锦—集贤连线以东平原整体抬升，随着古气候恶化、河漫湖干涸、Ⅱ级阶地形成。至此，三江平原中的湖泊消亡，这段时期平原东部发育挠力河、别拉洪河及其支流等沼泽性河流，加积了泥质堆积物，但这些河流大都未切穿亚黏土层。由于古冰缘强烈作用，形成许多宽浅谷地，闭流洼地，为全新世发育沼泽、泥炭沉积提供了空间。
边境北泄入海。平原西部河流作用十分活跃，黑龙江在绥萝地区留下六条古河道，沉积物粒度粗大，由卵砾石组成，其视电阻率高达1～3000Ω·m，一般在1000～400Ω·m。河水携带能量相当大，至晚更新世末（距今2.2万a前）遗弃最后一条河道（后述），回到现今的中俄
松花江依然如故，沿其故道北流入黑龙江，但在同江一带曾一度向东迁移，留下了数条自然堤，形成了宽达20km的边滩沉积，它的河床相沉积物视电阻率为500～300Ω·m，此期总的看来边滩相不甚发育。
小兴安岭东坡的各级河流仍将山区携带物质叠加在晚更新世中早期扇形平原之上。由于小兴安岭东麓，坡缓流短，河流量小，故其携带能力远小于黑龙江和松花江，所以扇形地的沉积物颗粒相对较细。
兴凯湖平原也发生了重大变化，约在距今2.0万a前湖水退缩到第四道堤附近，穆棱河、松阿察河与俄罗斯境内诸水系，均被乌苏里江所截夺，使之成为外流水系（见图2-85）。