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包頭地區(qū)在震旦紀(jì)、寒武紀(jì)曾一度受到海侵，今色爾騰山就有海相沉積分布；寒武紀(jì)后期，沒(méi)有受到海侵的影響；奧陶紀(jì)、老留紀(jì)、泥盆紀(jì)的地層缺失；泥盆紀(jì)之后，僅在凹陷地帶有陸相沉積；約在白堊紀(jì)時(shí)，又受到地殼運(yùn)動(dòng)的影響，地殼發(fā)生褶曲，并有火成巖浸入。白堊紀(jì)初期，包頭地區(qū)分布著許多淡水湖盆，有機(jī)物質(zhì)極為豐富，生物繁盛，氣候是溫暖濕潤(rùn)的；到了后期，氣候逐漸向干熱，甚至一度向炎熱方向轉(zhuǎn)化。因此，普遍沉積了厚層的紫紅色及雜色砂礫巖。

早第三紀(jì)時(shí)，今大青山和烏拉山開(kāi)始緩慢地隆起，但是從包頭市以及附近地區(qū)總體來(lái)看，地殼比較穩(wěn)定，地勢(shì)平坦，地表遭受長(zhǎng)期剝蝕和侵蝕，直至早第三紀(jì)末期，和中國(guó)大地一樣進(jìn)入準(zhǔn)平原化階段。那時(shí)，當(dāng)?shù)貫樾行秋L(fēng)系的環(huán)流形勢(shì)所控制，氣候炎熱，氣溫比較高，為一個(gè)較濕熱的氣候環(huán)境。自然景觀是以被子植物占優(yōu)勢(shì)的亞熱帶針葉闊葉混交林。

在晚第三紀(jì)，隨著喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，陰山山脈逐步形成，區(qū)域的內(nèi)部差異開(kāi)始明顯起來(lái)。今大青山、烏拉山以南，地勢(shì)較低，接受較多的季風(fēng)影響，氣候由濕熱型向溫和型轉(zhuǎn)化。其植被除針葉林外，還有落葉闊葉林，林下有禾本科、藜科和蒿屬的草本，為一種類(lèi)似于現(xiàn)代溫帶森林草原景觀。大青山、烏拉山以北地區(qū)，由于隆起高度和相對(duì)地形高差不大，故與山南的氣候類(lèi)似，只是偏干旱一些，自然景觀仍為溫帶森林草原。

第四紀(jì)雖然極為短暫，僅有200萬(wàn)年左右，在地球的歷史長(zhǎng)河中只是短暫的一瞬，但是自然界卻演變得相當(dāng)復(fù)雜，尤其是冰期和人類(lèi)的出現(xiàn)，成為這個(gè)時(shí)期最突出的大事件，它們不僅在地球表面留下了很多痕跡，而且大大地改變了自然界。

第四紀(jì)初期，又一次強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)使得剛性的鄂爾多斯臺(tái)向斜地殼上拱，促使今大青山、烏拉山與鄂爾多斯高原之間產(chǎn)生地塹，形成呈東西向的狹長(zhǎng)狀沉降盆地。隨著大興安嶺、陰山等山脈的不斷隆起，決定了內(nèi)蒙古偏干旱的地理隔離性。此時(shí)，各個(gè)方向挾帶水氣的氣流至此已成強(qiáng)弩之末，因而整個(gè)第四紀(jì)，這里形成明顯的內(nèi)陸干燥的自然地理環(huán)境。內(nèi)蒙古大部分地區(qū)開(kāi)始向半干旱的草原化方向發(fā)展（包頭市屬于該范圍）。包頭地區(qū)的自然景觀也逐漸演化為溫帶干草原栗鈣土。但是，由于包頭地區(qū)地貌類(lèi)型的南北差異（即平原、山地、丘陵盆地），形成了至今各具特點(diǎn)，區(qū)域差異較為顯著的3個(gè)自然地理區(qū)。即北部丘陵盆地區(qū)，中部山地區(qū)和南部平原區(qū)。