在深层—超深层碳酸盐储层仍有大量油气出现，但优质储层成因尚不明确。通过对塔里木盆地寒武系肖尔布拉克组典型井和露头样品进行岩石学观察，总结出主要发育四类岩石类型：微生物岩、颗粒云岩、晶粒云岩和泥晶灰岩。根据阴极发光、流体包裹体测试、碳酸盐矿物碳氧同位素测试，认为上述白云岩基质形成于弱氧化海水；近地表—浅埋藏环境下则主要形成细晶白云石胶结物；深埋藏条件发育中粗晶白云石胶结物和鞍形白云石。随着埋深增大，白云石δ18O呈现降低的趋势，反映形成温度升高，但都具有较正的δ13C。方解石由于烃类并入，具有负偏的δ13C(-4.07‰±0.92‰)，为热化学硫酸盐还原（TSR）成因。原位微量稀土测试显示成岩流体从早期到晚期：从具有海水特征的配分曲线逐步演化为中稀土富集，最终变为轻稀土富集的模式，反映了从海水为主的孔隙水演化为热流体为主的孔隙水的过程。定量统计表明热液溶蚀可提高储层3%的面孔率，最大孔隙度达10%。根据沉积—成岩改造类型，划分出三类优质储层：热液/大气水改造的凝块石储层、热液/TSR改造的浅滩相颗粒云岩储层、TSR改造的膏盐相关白云岩储层。该研究为塔里木盆地寒武系碳酸盐岩油气勘探提供了有利的指导，有助于理解深层—超深层优质白云岩储层成因。