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隨著時代的變遷，氣候也在不斷地變化。在古生代，內(nèi)蒙古地區(qū)的氣候溫暖而濕潤。這可由陰山古陸的隆升，呼和浩特南部地殼下沉，“華北古海”由東向西入侵，形成“鄂爾多斯古海”，鄂爾多斯珊瑚化石的大量發(fā)現(xiàn)得到證明。從已發(fā)現(xiàn)的茂蕨類化石可以看出，當時的植物根深葉茂，軀干魁偉，鱗木、蘆木等可高達30米～40米，直徑達1米左右，樹木生長均勻，普遍缺少年輪。說明當時的氣候炎熱多雨，四季不明顯?，F(xiàn)今發(fā)現(xiàn)并在開采的東勝煤田、準格爾煤田就是那個時期茂密的森林所形成的。杭錦旗一帶發(fā)現(xiàn)的白堊紀初期蜥腳龍的椎體化石，體長達20米左右，據(jù)推算，這類恐龍體重可達30噸～40噸，反映在中生代的氣候具有高溫、高濕的特點。

根據(jù)內(nèi)蒙古地質(zhì)局對內(nèi)蒙古高原白堊紀地層分析，從巖性、生物環(huán)境的變化，大體上可以推測白堊紀初期階段在內(nèi)蒙分布著許多淡水湖盆，有機物質(zhì)極為豐富，生物繁盛，氣候是溫暖濕潤的；而后期氣候則又逐漸向干熱，甚至一度向炎熱方向變化，因此沉積較為普遍的厚層紫紅色及雜色砂礫巖。

第三紀始新世初期，根據(jù)內(nèi)蒙古烏蘭察布盟（今烏蘭察布市）一帶各鉆孔資料分析，巖陣的變化除從紅色砂礫巖逐漸變?yōu)橐惶最伾喑拾瞪?、深灰、青灰的巖層外，亦發(fā)現(xiàn)有大量植物和短足獸、犀牛、鱷魚化石，可知第三紀初期干熱氣候逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^濕熱的環(huán)境，此時還原作用強烈，湖盆中多泥巖，植物又漸繁盛，推測當時是一個淡水湖泊的濕熱森林草原景觀。

第三紀中期漸新世，高原上的湖盆逐漸縮小，湖泊沉積物變粗，機械風化增強，甚至到了漸新世末期，由于湖水大量濃縮，氧化作用強烈，巖相中反映出高價鐵富集，以致構成此時期的磚紅色泥巖的沉積建造。說明此時氣候又逐漸變干，但溫度確又有大幅度上升的跡象，以致發(fā)育晚第三紀中新世的紅層以及普遍夾有石膏透境的巖性特征，推測當時的氣候是干旱的。

上新世期間，氣候又有緩和趨勢，大體上是由中新世的干熱，漸變?yōu)闈駸岫蟪蔀闇睾偷臍夂蛱卣?。這主要反映在當時沉積巖由紅色砂礫相轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗷疑姆凵皫r，淡水灰?guī)r以及泥灰層的出現(xiàn)，高價鐵的物質(zhì)逐漸由鈣質(zhì)的結核所代替，生物由三趾馬、鹿類轉(zhuǎn)變?yōu)楦泐悇游锶合档脑黾?。而在高原南部，岱海盆地南的紫紅色晚中新世湖相沉積巖中發(fā)現(xiàn)的孢子花粉化石，進行分析的結果也證明這一點，其中有針葉樹的云杉、冷杉、闊葉樹的樺、棟、椴以及禾本科、藜科等，說明當時廣大地區(qū)屬于一種類似溫帶森林草原氣候。

第三紀末期，氣候又轉(zhuǎn)為干旱。在廣大草原地區(qū)鈣質(zhì)的增加和沙漠的形成，說明這次變干程度遠較現(xiàn)代為甚。從西遼河平原及紅山老哈河谷底部第三紀地層表面均為厚約3米～5米的一層褐色風化殼，并與上覆第四紀沉積物呈不連續(xù)的接觸關系這一情況看，第三紀末的氣候曾一度變干，降水量劇減，遂使第三紀河湖沉積層露出地表，遭受較少時間的風化。

第四紀初期（即早更新世），氣候又轉(zhuǎn)為炎熱多雨。這一點從當時內(nèi)蒙古地區(qū)的河流、湖泊等水系發(fā)育十分完整得到證明。此時期形成的達里淖爾湖盆，據(jù)湖濱遺跡推斷，其水量最大時的水位要高出現(xiàn)今湖面的50米～60米，面積也要大5倍以上。

晚更新世時，氣候向干寒方向發(fā)展，近年來在二連浩特東北的哈拉圖廟、薩達格廟一帶，以及大青山北麓包括古圖廟、巴彥哈少、哈泥河一帶發(fā)現(xiàn)的冰川地貌及冰磧漂礫等充分證明，這一時期內(nèi)蒙古地區(qū)氣候普遍變得寒冷。

全新世開始氣候趨于緩和，極區(qū)冰川消退，永凍帶北移，草原帶重新占領本區(qū)。全新后期氣候再度變干，此時由于河湖水量大規(guī)?？s減，導致某些干谷和內(nèi)陸的形成，暴露于地表的沖積、湖積砂層，在風力作用下形成砣甸地和黃土的堆積。