陆上深层碳酸盐岩层系是当前重要的油气勘探领域之一,不同地区地质背景的特殊性决定了深层碳酸盐岩储层的复杂性。塔里木盆地下奥陶统蓬莱坝组碳酸盐岩被广泛白云石化,其平均埋深超过6000m,是未来深部油气勘探的目标之一。本研究收集了13口钻遇下奥陶统蓬莱坝组白云岩储层的岩芯样品,这些样品提供了研究深层白云岩储层成因机理的机会。基于此,本研究以塔里木盆地碳酸盐岩油气勘探的实际需要为出发点,采用地质、测井及地球化学相结合的方法,深入研究了蓬莱坝组白云岩成因模式及储层形成机理,并对蓬莱坝组白云岩储层进行了有利储层发育带优选。通过详细的岩石学观察确定了三类基质白云岩和两类白云石充填物,包括:非平直它形-平直面半自形,微-粉晶（D1）白云岩;平直面半自形-平直面自形,细-中晶（D2）白云岩;非平直面它形,中-粗晶（D3）白云岩;平直面半自形-自形,中-粗白云石（Cd）充填物;非平直面它形,粗-巨晶鞍形白云石（Sd）充填物。D1白云岩广泛分布在整个研究区域,其δ¹³C值为-2.4～-0.1‰,δ¹⁸O值为-8.1～-4.1‰,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.70899～0.70979;并且它与同时代灰岩相似的REE配分模式相似,表明D1白云岩具有海水成因。D2白云岩被限制在缝合线的一侧发育,δ¹³C值为-1.8～-0.4‰,δ¹⁸O值为-8.3～-3.7‰,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.70871～0.70955,表明D2白云岩是在浅-中埋藏条件下形成,其白云石化流体为地层中残留的海水。D3白云岩被解释为在深埋藏条件下较高温度中形成的,基于它的晶体结构和较高的δ¹⁸O值（-9.0～-6.8‰）。尽管两种白云石充填物具有不同的晶体结构,基于它们相似的产状及地球化学特征,Cd白云石和Sd白云石被解释为相同热液白云石化事件中不同阶段的产物。此外,根据D1白云岩的分布特征,岩石学特征以及地球化学特征,提出用中盐度-近咸化海水的渗透回流白云石化模式解释D1白云岩的大规模成因。系统阐述了成岩作用对研究区白云岩储层的改造,认为对白云岩储层发育有利的成岩作用包括溶蚀作用以及破裂作用等;而胶结作用、压实压溶作用、过度白云石化和充填作用对储集空间的发育起破坏作用。岩石学和扫描电镜的观察表明存在四种孔隙类型,包括溶洞、晶间孔、晶间溶孔和裂缝。基于上述观察,建立了成岩演化序列和成岩孔隙演化模式。研究认为表生岩溶作用局限在塔中东南部发育,其中海西早期岩溶作用对蓬莱坝组碳酸盐岩储层影响明显,具有明显的岩溶分带结构。通过对白云岩面孔率、结构类型、储集空间特征以及白云岩形成环境的综合分析,系统总结了白云石化作用与孔隙发育之间的关系。研究认为回流和埋藏白云石化不能有效地增强孔隙发育,并且在热液进入地层之前,破坏性成岩作用在早-中成岩阶段已导致了岩石的致密化,热液作用对早期孔隙的继承不明显。由于白云石充填物的Mg²⁺主要来源于寒武-奥陶系围岩,热液进入地层后,尽管对围岩不饱和,但由于热液与围岩作用较为缓慢且需要一定的时间,因而流体中镁离子浓度相对较低;这导致了白云石充填物较低的丰度和大量残余的溶蚀孔洞。热液作用显著地提高了储层物性,净增加了孔隙度。通过白云岩成因及成岩作用分析,对白云岩孔隙成因机理进行总结,建立了一套热液横向迁移模型来解释塔里木蓬莱坝组白云岩储层成因,认为中下奥陶统致密的灰岩和白云岩地层作为封闭层阻挡了热液的上涌,致使逐渐冷却的热液流体将从侧面流入孔隙度和渗透性更高的地层,从而远离断裂带,并形成一系列近水平状的孔洞。最后结合该区的石油地质条件,指出了有利勘探方向。