（1）关键地质时期生命与环境的协同演化（106~104年）

以生命演化的早期阶段（元古代）、重大生物突变期（古、中代之交和晚泥盆世）和重大异常气候环境时期（白垩纪）的生物和环境事件记录及其动力学过程为重点，深入研究这些关键地质历史时期、时间分辨率为106~104年的事件序列，旨在重塑早期生命演化、全球性生物危机及异常环境背景条件下地球环境和生命系统的演化历史，揭示地质历史时期的生命过程与地球环境演化之间的因果联系，为当代地球环境和生物圈协同演化规律提供必要的理论依据。

（2）新生代以来气候环境事件的生态响应（104~102年）

以长江流域和青藏高原的沉积记录为研究对象，深入挖掘104~102年时间分辨率的地质学、地球化学和生物学信息，揭示新生代以来我国大陆季风气候背景下某些重大的生物和环境事件特征，探索生物演化与环境变迁之间的激励、响应和反馈机制，为科学解决当前人类活动影响下的全球环境－生态危机（如环境恶化、生物多样性锐减等）提供直接启示。

（3）与人类活动相关的生物-环境地质过程（102~100年）

以工业革命以来生物和环境事件为主要对象。以102~100年乃至更高时间分辨率的湖泊沉积物、土壤和地下水等环境介质为载体，系统研究人类干预下的地球表层系统生态环境变迁和生物多样性变化，重点从生物地球化学和地质微生物角度剖析人类地质作用的水资源生态环境效应，借鉴第一、二方向的研究成果，运用“以古示今”的科学思想，融理论探索和工程实践于一体，为解决人类活动干预下的生态环境恶化问题提供理论与技术支撑。