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渤海湾盆地形成于中生代和新生代。渤海湾正处在中生代古老地台活化地区，位于冀中、黄骅、济阳三拗陷边缘，经历了各个地质时期的构造运动和地貌演变，形成湖盆，并在其上覆有1～7公里巨厚松散沉积层。沿岸几乎全为第三纪沉积物，形成典型的粉砂淤泥质海岸。又因几经海水进退作用，使海湾西岸遗存有沿岸泥炭层和3条贝壳堤（见天津贝壳堤）。海底沉积物均来自河流挟带的大量泥砂，经水动力的分选作用，呈不规则的带状和斑块状分布。一般来说，沿岸粒度较粗，多粉砂和粘土粉砂，东北部沿岸多砂质粉砂；海湾中部粒度较细，多粘土软泥和粉砂质软泥。