四川盆地屬揚子陸臺一部分,稱為四川陸臺,屬較穩定的地區,但仍經過兩次大規模的海浸.第一次從5億多年前的寒武紀開始,延續到3.7億多年的志留紀,不斷下陷成了海洋盆地,志留紀時發生加里東運動,除了西部的龍門山地槽繼續下陷外,其餘地區上升為陸.2.7億年前的石炭紀末,發生範圍更大的第二次海浸,盆地再次為海洋佔據.二疊紀時海陸交替,形成重慶附近的南酮、松藻、天府等煤礦.二疊紀末,盆地西部岩漿噴出,峨眉山小金頂及清音閣一帶的玄武岩就在這時生成.
距今1.9億年的三疊紀,“印支運動”使盆地邊緣逐漸隆起成山,被海水淹沒的地區逐漸上升成陸,由海盆轉為湖盆.當時湖水幾乎佔據現今四川盆地的全境,稱為“巴蜀湖”,從此結束了海浸的歷史.在中生代漫長的1億多年裡,盆地氣候溫暖溼潤,到處生長蕨類、蘇鐵和裸子植物,是又一個成煤期,永榮煤礦即在三疊紀和侏羅紀時形成.東起長壽、墊江,西到江油、邛崍,北抵大巴山麓,南到貴州赤水,還是天然氣富集區.這一時期爬行動物恐龍稱霸一時.1957年在合州發現的“合州馬門溪龍”身長22米,高3.5米,是我國亞洲最大和最完整的恐龍化石.
7000萬年前的白堊紀末期,發生又一次強烈的地殼運動“燕山運動”.盆地四周山地繼續隆起,同時產生不少大斷層,如西部的龍門山大斷層和東部的華瑩山大斷層,把盆地分為三部分.巴蜀湖縮小為僅有2萬平方公里的蜀湖.封閉的盆地地形及急劇縮小的水面,使氣候逐漸變得乾熱,沉積物由海相、海陸交替相變為陸相,大量風化、侵蝕、剝蝕的物質在盆地堆積了數千米厚,形成紅色和紫紅色的砂、泥、頁岩.裸子植物不斷衰退,恐龍滅絕了.內陸湖泊在乾燥條件下,經強烈蒸發,濃度增大,鹽分不斷積累,形成鹽湖,後來泥沙掩埋而保存於地層之中,經過漫長的地質作用形成岩層,自貢一帶是著名的井鹽產地.
2000多萬年前的新第三紀,受喜馬拉雅造山運動的影響.距今二、三百萬年的第四紀,地殼再次發生構造運動.巫山兩側水系溯源侵蝕,共同切穿巫山,形成舉世聞名的長江三峽,盆地之水納入長江水系.從而,四川盆地由內流盆地變為外流陸盆,由封閉的內流區變為外流區,由以堆積為主變為侵蝕為主,經歷了海盆——湖盆——陸盆的滄桑之變.
第四紀是冰川廣佈的時代,盆地西北山地發育大量冰川.川消融後,大量沉積物由岷江、沱江等攜帶,堆積在西部的凹陷區,即以前的蜀湖之中,最終形成了成都平原.
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