約公元前7000萬年的白堊紀末期，盆地發生了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釜山大斷層，這些斷層把盆地分成了三個部分：西部高原，中部盆地，東部山地，“陸湖”面積則進一步縮小到二萬平方公里左右。水面逐漸縮小，四周高山阻隔，盆地氣候變得溼熱，沉積物由海相、海陸交替相變為陸相，大量風化、侵蝕、剝蝕的物質在盆地上堆積了上千米厚，由此形成了紅色和紫紅色的沙、泥、頁岩。由於氣候的變遷，裸子植物不斷衰退，被子植物逐漸增多，“陸湖”裡面的海水不斷的蒸發和沉積，湖水濃度增大，鹽分不斷析出形成鹽湖。鹽湖慢慢被盆地周邊高山上的江河帶來的泥沙掩埋並儲存在地層之下，經過漫長的地質作用形成了鹽岩層，自貢一帶的井鹽就是這個時期逐漸形成的。

約公元前2000多萬年的新第三紀，盆地西部的青藏高原再一次被抬高，喜馬拉雅山則慢慢停止長高，穩定在了今天的高度。

盆地前後經歷了三個階段，海盆—湖盆—陸盆的滄海鉅變，才有了今天的四川盆地。

約300萬年至180萬年的第四紀時代，因氣候變化，盆地西北山地形成了大量的冰川。隨著冰川的消融，大量沉積物由岷江、沱江等攜帶填滿了四川盆地的凹陷區，最終形成了今天的成都平原。東部的巫山受兩側水系的衝擊和侵蝕，慢慢被浸穿口子，漸漸形成了今天的三峽地貌，巴蛇之稱就是這麼來的。盆地地勢西高東低，盆地內湖水浩浩蕩蕩的經過三峽東流入海，盆地內高山上的支流水系也漸漸納入進來，由此形成了舉世聞名的母親河--長江。長江的貫通及支系水流量的增大，帶走了大量的盆地湖水，盆地逐漸由封閉的內流盆地變為外流盆地，由沉積物堆積為主變為河流侵蝕為主。

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