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塔里木盆地是一个典型的长期演化的大型叠合复合盆地。它发育在太古代-早中元古代的结晶基底与变质褶皱基底之上，震旦系构成了盆地的第一套沉积盖层。在震旦纪—第四纪，塔里木盆地经历了复杂的构造演化历史。

前震旦纪

在塔里木获得最老同位素年龄的岩石和数据表明，塔里木盆地在中太古代甚至早太古代就已经发生了来源于亏损地幔的偏碱性玄武岩浆的喷溢活动，岩浆的侵入形成了塔里木盆地原始的陆核。

早元古代是本地区地壳快速增长的重要时期，也是由陆核发展成为陆块的时期。早元古代兴地期，广泛而剧烈的构造运动，使岩石产生强烈变形，最后使塔里木陆块、柴达木陆块和准噶尔微陆块聚合连成一片。

经过中元古代末兴地期克拉通化后，聚合在一起的塔里木陆块重新裂离，并在陆块内部产生了裂陷。

晚元古代，“远古南天山洋”和“远古昆仑洋”闭合消亡，古塔里木板块在经历太古宙陆核形成，早元古代稳定陆块增生发展和中—晚元古代构造演化后终于逐渐成型。

震旦纪及古生代

震旦纪是塔里木盆地发展史上一个转折时期。塔里木运动之后，统一的古塔里木板块形成。震旦系作为塔里木板块克拉通盆地的第一个沉积盖层而覆盖了塔里木盆地。

早震旦世，在塔里木板块边缘和内部发育大陆裂谷盆地。他们与地幔上隆、地壳变薄和伸展有关。晚震旦世继续拉张，在塔里木主体部位形成克拉通内张盆地。沉降速率较早震旦世明显降低。

寒武至奥陶纪塔里木板块北部由于天山微陆块继续向北运动而进一步扩张，地幔物质侵入形成洋壳。洋盆发展结果导致塔里木板块北与哈萨克斯坦板块分离，南与羌塘板块相隔。寒武系—下奥陶统是盆地主要的生油岩之一。

奥陶纪末，由于塔里木大陆板块大陆边缘早古生代的“天山多岛有限洋盆”和“库地—奥依塔格洋盆”俯冲消减和微板块的碰撞所产生的加里东中期运动，对塔里木板块及其边缘的构造演化具有重要的影响。这期运动可能是塔里木板块南北边缘化为主动边缘的反映。

志留纪开始，南天山洋由东向西逐渐闭合；泥盆纪末，塔里木板块与哈萨克斯坦板块碰撞拼贴；库地洋于泥盆纪晚期闭合，中昆仑地块拼贴到塔里木板块之上。经过这一时期一系列的构造运动之后，塔里木腹部形成了大型克拉通内挤盆地，具有独特的沉降史和构造特征。

石炭—二叠纪是塔里木板块由古全球构造运动体制新全球构造运动体制转化的过渡时期，即由早古生代边缘多中心不对称扩张、微陆块与多岛有限洋盆、弧后盆地间“手风琴”式此张彼合运动、单向俯冲与软碰撞关闭的构造运动体制向威尔逊旋回式的洋中脊大规模对称扩张、“传送带”式俯冲消减、沟弧盆体系同时发育的新全球板块构造运动体制过度。

中—新生代构造演化

从三叠纪开始，塔里木进入陆盆演化阶段，主要受控于亚欧大陆南缘特提斯洋的周期性俯冲消减和闭合作用，同时与盆地基地核挤压隆起或山系发展有关。

侏罗纪—古近纪，塔里木盆地形成演化与欧亚大陆南缘的一系列碰撞时间有关，如侏罗纪晚期的拉萨碰撞和白垩纪晚期的科希斯坦碰撞事件等。每一期碰撞都使围限塔里木盆地山系和基底核挤压隆起发生周期性复活，形成向盆地内的挤压逆冲构造，在冲断带前缘发育前陆盆地。

新近纪—第四纪，随着印度板块对欧亚板块的俯冲与碰撞，及碰撞后印度板块向欧亚板块楔入所产生的远程效应的影响，天山和昆仑山大幅度隆升推覆。碰撞后，印度板块仍然继续向北俯冲，西昆仑造山带受强烈挤压收缩和抬升，北部岩块长距离逆冲在塔里木盆地之上，加剧了塔里木板块岩石的挠曲程度。

西昆仑山，天山褶皱强烈上升，并伴随着走滑断层系活动，盆地相对下降形成统一的由造山带包围的塔里木盆地。

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