约公元前7000万年的白垩纪末期，盆地发生了一次强烈的地壳运动：“燕山运动”。盆地四周山地继续隆起，同时产生不少大断层，如西部的龙门山大断层和东部的华釜山大断层，这些断层把盆地分成了三个部分：西部高原，中部盆地，东部山地，“陆湖”面积则进一步缩小到二万平方公里左右。水面逐渐缩小，四周高山阻隔，盆地气候变得湿热，沉积物由海相、海陆交替相变为陆相，大量风化、侵蚀、剥蚀的物质在盆地上堆积了上千米厚，由此形成了红色和紫红色的沙、泥、页岩。由于气候的变迁，裸子植物不断衰退，被子植物逐渐增多，“陆湖”里面的海水不断的蒸发和沉积，湖水浓度增大，盐分不断析出形成盐湖。盐湖慢慢被盆地周边高山上的江河带来的泥沙掩埋并保存在地层之下，经过漫长的地质作用形成了盐岩层，自贡一带的井盐就是这个时期逐渐形成的。

约公元前2000多万年的新第三纪，盆地西部的青藏高原再一次被抬高，喜马拉雅山则慢慢停止长高，稳定在了今天的高度。

盆地前后经历了三个阶段，海盆—湖盆—陆盆的沧海巨变，才有了今天的四川盆地。

约300万年至180万年的第四纪时代，因气候变化，盆地西北山地形成了大量的冰川。随着冰川的消融，大量沉积物由岷江、沱江等携带填满了四川盆地的凹陷区，最终形成了今天的成都平原。东部的巫山受两侧水系的冲击和侵蚀，慢慢被浸穿口子，渐渐形成了今天的三峡地貌，巴蛇之称就是这么来的。盆地地势西高东低，盆地内湖水浩浩荡荡的经过三峡东流入海，盆地内高山上的支流水系也渐渐纳入进来，由此形成了举世闻名的母亲河--长江。长江的贯通及支系水流量的增大，带走了大量的盆地湖水，盆地逐渐由封闭的内流盆地变为外流盆地，由沉积物堆积为主变为河流侵蚀为主。

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