重点实验室的主要研究方向为：精时地层、生命起源和早期演化、重大生物事件和生态系统演化，以及油气资源的综合地层。前三个方向既面向世界科技前沿，又可为第四方向提供有力支撑，突出地层资源应用的导向。
精时地层：开展综合地层学研究，建立中国高精度综合地层框架，完善《国际年代地层表》，发展高精度同位素定年能力，提升地层划分对比精度。
生命起源和早期演化：加强地球生命起源和早期演化研究，培育开展“天体生物学”研究。
重大生物事件和生态系统演化：开展显生宙生物大辐射和大灭绝、陆地生态系统起源和演化、关键地史时期生物多样性和生态系统演变等研究。
油气资源的综合地层：以精时地层和精时古地理学研究为主要手段，开展多学科交叉融合、大数据集成与驱动的研究新范式，精准预测和重建油气资源的时空分布。
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