塔里木盆地是中国最大的内陆盆地，其边界由几条构造复杂的造山带组成，即南侧的昆仑山、北侧的天山和东南侧的阿尔金山。该盆地富含丰富的油气资源，故油气勘探工作一直非常活跃。尽管最近研究发现一些油气圈闭中的油气资源来源于盆地深层的奥陶纪地层，但在该盆地的晚古生代至早中生代地层中也发现了一些重要的含油气藏。大量的研究表明高分辨率层序地层学及古地理的重建是盆地分析中的必要手段，它们不仅提高我们对塔里木盆地在晚古生代的地质演化规律的认识，而且能对该盆地的油气勘探工作有很大的指导作用。因此，本研究试图综合利用微相分析、高分辨生物地层学与地震综合剖面和井下录井资料，识别和建立塔里木盆地法门期至空谷期详细的层序地层格架。共识别出了23个三级层序和47个体系域，并按照层序地层格架、年代地层学和横向展布与对比等方面进行描述。这些层序能归并到4个超层序(即二级层序)，即Heshilafu、Azigan、Kankarin 和Qipan超层序。每个超层序都以全盆地范围的不整合面为边界，这些不整合面与同时期的全球范围海平面下降以及区域性的构造抬升相对应，同时三级层序界面通常与小规模的地表暴露相对应。该盆地晚古生代海平面变化曲线揭示了4次规模较大的海平面下降事件分别发生在谢尔普霍夫期末，莫斯科期末、晚亚丁斯克期和空谷期末。在Visean、Bashkirian、Kasimovian、Kungurian最初的海侵阶段，小规模的海平面波动十分迅速且频繁发现。在晚古生代的多数时期，塔里木盆地相当于三级层序级别的海平面变化曲线基本与距离甚远的华南、北美和俄罗斯台地的同期海平面波动一致。唯一的例外是在空谷晚期塔里木盆地的海平面戏剧性的下降，而欧美和华南地区的同期地层记录则与之完全相反，记录了一个大规模海侵的最高点。这一事实表明三级层序内部的小规模海平面升降旋回和由层序界面指示的三级海平面下降很可能是由盆地范围的海平面升降或地方性构造活动的共同作用而引起的。此外，本文以三级沉积层序内部的体系域为时间单元通过详细研究统一时期的岩相和盆地范围内的沉积相变首次重建了塔里木盆地晚古生代详细的古地理演化规律，总共恢复了从晚泥盆世到中二叠世最早期47幅古地理图。在泥盆纪末期，加里东晚期的造山运动与塔里木盆地晚古生代最初的海侵事件的相互叠加强烈地改造了该盆地的古地理轮廓。这时，分别位于盆地的北部、东部以及南缘的三个重要的古陆共同将该盆地的中部和西南部地区围成了一个巨大的喇叭状、但开口并没有完全打开的海湾，其开口指向目前盆地的西南方向并和古特提斯洋相连通。石炭纪时期，塔里木地块的古地理格局分异相当明显，出现包括三角洲系统、近滨带、潮间带、潮下带、局限台地、开阔陆缘海直到开阔的碳酸盐岩台地等局部环境。在该阶段尽管海平面的升降对晚泥盆纪世形成的大海湾改造作用相当明显，但是半封闭海湾轮廓自晚泥盆世以来基本保持原样。晚石炭时期的区域性构造抬升致使塔里木西南缘海湾持续性收缩，至早二叠世时期，该海湾仅仅只出现在盆地的西南边缘地区。与之完全相反的古地理演化出现在塔里木的西北边缘地区，该地区自晚石炭世形成的小海湾不断扩张，特别是在早二叠世该海湾迅速向它的东南向的扩展并合并了盆地中部的大部分地区。塔里木板块顺时针方向的旋转和向北方向的漂移作用相互作用可能致使了该盆地西南和西北边缘碳酸盐岩台地发育展的不均衡性。两个方向的海湾地貌最终在晚空谷期抬升，至中二叠世时期塔里木地块变成了前陆盆地。