中生代时期，自三叠纪始，塔里木盆地转为陆内坳陷—断陷发展演化阶段。早三叠世早期短暂的海侵形成统一盆地后，即转入陆内沉积盆地发展阶段，因塔中隆起和塔北沙雅隆起阻隔，形成库车、塔中（塔东）、塔西南、塔东南不相连通的陆相盆地。塔里木中生代盆地的演化是印度板块向北俯冲推挤，西伯利亚板块向南阻挡挤压，板块相互作用形成的板内应力场效。由于分割后的盆地在塔里木陆块所处的构造位置不同，盆地沉积建造与构造变形样式都有差异。库车盆地受南天山褶皱带向南推挤形成北断南超型前陆盆地，塔西南盆地受昆仑褶皱带及天山褶皱带南北挤压形成南断北超型前陆盆地的同时，喀什坳陷强烈下陷，与乌恰走滑盆地相汇合。塔东南盆地受阿尔金断裂的影响，前陆盆地兼有走滑特征。位于塔里木盆地中东部的塔东盆地，三叠纪继承了华力西晚期特征形成陆内拗陷型盆地，侏罗纪因塔中隆起影响，沉积中心东移形成塔东侏罗纪坳陷盆地，由于库鲁克塔格褶皱带向盆地的挤压，侏罗纪晚期与库车坳陷统一为前陆坳陷盆地。
库车前陆坳陷盆地的形成是南天山褶皱带推挤作用的结果，由于推挤强度的变化及作用点的迁移，对近邻的克拉通盆地的隆升和沉降起到导引作用，南天山褶皱带强作用点自东向西迁移时，三叠—侏罗纪在东部表现为由强烈推挤转为弹性松弛，由挤压导致前隆区及毗邻克拉通盆地强烈隆升和前陆盆地强烈沉降，过渡为由松弛导引前隆区及毗邻克拉通盆地大幅度沉降和前陆盆地的强烈沉降。在西部则表现为推挤作用的逐步增强，使前陆盆地沉降幅度加大，前陆隆起向克拉通迁移，造成前隆区及毗邻克拉通盆地晚期强烈抬升。
塔西南前陆坳陷盆地三叠纪由几个孤立盆地组成，侏罗纪连成北西—南东向狭长盆地，湖泊—河流冲积平原相沉积层自西南向东北呈楔形由厚至薄，地层充填样式呈箕状不对称形。盆地西南缘与昆仑褶皱带间有一逆冲推覆构造，铁克里克推覆体形成于晚二叠世，侏罗—白垩纪形成第一次逆冲高潮，在推覆构造下盘发育了中生代前陆盆地，后缘则出现拉张断陷盆地。从三叠纪沉积盆地的分布来分析，可能与走滑拉分有关，侏罗纪转为挤压前陆盆地，由于南天山褶皱带的复合挤压作用，喀什坳陷沉陷幅度远大于叶城—和田坳陷，晚白垩世喀什—叶城前陆盆地抬升并向北迁移，可能是印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应所致。
塔东南前陆坳陷盆地呈北东—南西向挟持于阿尔金断裂与罗布庄断裂之间，阿尔金断裂是一条超深断裂，形成于元古宙晚期，后期多次活动，在三叠纪时期活动较弱。从晚三叠世保留的地层分析，含煤地层属于湖沼相沉积，断陷盆地狭窄。侏罗纪早中晚期由扇体发育转为湖侵再转湖退，并有可采煤层，反映了以滨湖和扇三角洲为主近物源特点。由于昆仑-阿尔金断裂继续活动，侏罗纪比晚三叠世湖泊发育更深、更长、更开阔。狭长盆地出现深湖相沉积并向侧向超覆在基岩之上，表明盆地的形成与拉张作用有关。塔东南前陆盆地北部边界受制于罗布庄断裂，盆地走滑拉张性质与阿尔金断裂具有转换断层性质密切相关。
燕山晚期至喜马拉雅期，塔里木盆地古气候发生较大变化，自白垩纪始转为干旱燥热气候，不利于植物的繁生和聚煤。古地理面貌也发生很大变化，早白垩世巴楚隆起至塔中隆起形成北东向展布面积广阔的塔里木低地，并与塔东南古城—罗布庄隆起连为一体。塔东南断陷盆地范围大为缩小，仅在车尔臣河东南有小型湖泊—河流相沉积。塔西南断陷盆地仅在盆地边缘有冲积扇，形成大面积河流相沉积。库车断陷与塔东坳陷已连为一体，从塔中隆起以北至南天山前形成陆内河流—湖泊相沉积。晚白垩世古地理又发生变化，塔北—塔中盆地除阿瓦提发育海相沉积外，其它大面积仍为陆相河流沉积。由于西部海侵塔西南盆地由陆相转为海相局限台地、潮坪—潟湖相沉积，而且海泛范围扩展到巴楚隆起北部，将塔西南盆地与塔北—塔中盆地连为一体。塔东南盆地与其不同，由于阿尔金断裂带影响，塔里木盆地东南部隆升处于剥蚀状态。老第三纪海水又向东扩展，除盆地中部及东部仍为陆内河湖相沉积外，塔里木盆地西部，以及南、北部都为海泛区，形成局限台地、开阔台地及潮坪—潟湖相沉积，整个盆地仅有巴楚隆起北部和塔中隆起西南部为隆起剥蚀区。新第三纪古地理继承了前期特点，除玛扎塔克至塔中隆起一带为剥蚀区外，整个盆地形成披盖式的沉积，但海水已经西退，除西部、北部仍有潟湖相沉积外，其它均为陆内河湖相沉积。
塔里木盆地中新生代时期经历了挤压、走滑—拉张、伸展应力转化过程。三叠纪时期是应力转化过渡期，继承性较强，以克拉通内坳陷为主体，盆缘前陆坳陷仅具雏形。侏罗纪时期在克拉通边缘发育了前陆坳陷盆地，同时在陆块周缘断陷盆地亦很发育。白垩纪时期有的断陷盆地继续扩展，有的亦开始萎缩。第三纪时期应力场发生重大变化，在拉张伸展作用下，形成面积浩瀚的拗陷型盆地，披盖式的沉积覆盖全盆。喜马拉雅末期整个盆地应力场又发生重大变革，在以南北挤压应力为主导的状况下，中新生代沉积盖层以及古生代克拉通盆地都受到强烈的冲击，产生了明显的褶断变形。
印支期—燕山早期在形成坳陷盆地或前陆坳陷盆地过程中，造就了三叠、侏罗纪含煤盆地，燕山晚期盆地继承性发展和喜马拉雅期披覆式沉积盖层的形成，对含煤岩系的深埋热演化成煤、成烃，以及对含煤岩系的封盖保存都是必不可少的条件。当然，印支、燕山期同沉积构造，以及喜马拉雅期构造变动，含煤岩系的变形褶断，使盆地构造更加复杂化，都是对含煤盆地的破坏性因素。
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