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博斯腾湖所在的焉耆盆地属南天山造山带中的山间断陷盆地，地质历史上曾是塔里木古老地块的一个组成部分。它的形成演化历史可追溯到距今8亿年左右的 [[ 前震旦纪 ]] 。距今250万年左右的新第三纪末开始的新构造运动，使该区发生大规模差异性升降，博斯腾湖南缘的老断裂和北缘的新断裂活动强烈，断裂之间的博斯腾湖地区开始强烈沉降，博斯腾湖上游的开都河也因 [[ 大尤鲁都斯盆地 ]] 和焉耆盆地的沉降、两盆地之间准平原的抬升而强烈下切，形成了长达50千米的 [[ 开都河大峡谷 ]] ，加上 [[ 开都河 ]] 源头地区的山体已大多抬升到雪线以上，使大气降水以粒雪冰的形式贮存起来，并长年源源不断地向博斯腾湖供水，博斯腾湖才得以真正形成。