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早古生代时(距今5.7亿年前～4.4亿年前)，雷州半岛与南海岛地区是一个沉降带。加里东造山运动使雷琼地区上升成陆，形成以东北方向为主的一系列断裂褶皱带，使早古生代沉积的地层发生了质变。到晚古生代(距今4.4亿年前～2.3亿年前)，南海岛陆块相对稳定。但印支运动又促使岩浆活动强烈，形成南海岛广泛分布的花岗岩体，构成了山地，也筑成了南海岛的基础。后来的燕山运动和喜马拉雅运动又使这个花岗岩穹窿发生强烈的断裂，形成几条大的东西向断裂带，使断裂以南大约三分之二的区域抬升，称为海南构造隆起，且1亿多年以来一直在上升；断裂以北发生下陷，称为雷琼凹陷。然而，在第四纪以前(250万年前)，南海岛和雷州半岛还连在一起，在地质构造上属华夏地块的延伸部分。到了大约更新世(距今250万年前～1.5万年前)中期，由于火山活动，雷州半岛和南海岛之间发生了断陷，变成了琼州海峡，才使南海岛与大陆分开。以后海平面多次升降又使南海岛与大陆多次分离和相连，到第四纪冰期结束，海平面大幅度上升，才形成琼州海峡和南海岛的形态。