聚焦国家重大需求与基础前沿研究，实验室设立极地地质演化与环境、海洋地质过程与矿产资源形成机制、海洋矿产勘探开发等三个研究方向。
方向一聚焦于南北极大陆的岩石圈及古环境演化，南北极的古气候演化影响着全球的大洋环流、大气环流以及海洋岩石圈演化，有助于认识海底成矿过程；方向二聚焦于海底关键金属矿产与油气矿产的成矿机制与地质演化之间关系；方向三针对矿产勘查与开发，涉及到勘探技术等相关基础研究与勘探设备的研发与应用，是“产学研”一体化重要组成部分。
1．极地地质演化与古环境重建
南北极是地球系统的重要组成部分，更是一个涉及多界面、跨圈层、多尺度的系统，系统地认识极地地质过程及其演变规律，是深入理解极地乃至全球环境变化的基础。本研究方向将通过多学科理论、方法和技术应用，依托中国南北极科学考察、中-智联合南极科学考察、中-俄联合北极科学考察等平台支撑，研究极地岩石圈结构组成、形成过程和演化规律，极地古气候演化过程，揭示极地地质与古气候演化对深海矿产形成的影响，为地质勘探和未来可能的矿产开发提供理论基础和战略储备。主要研究内容包括：
（1）极地岩石圈演化
探测南极岩石圈壳幔结构，厘清南极重大地质事件及其与全球超大陆聚散过程的联系，确定重要成矿元素和有机物的迁移和富集规律；开展环绕极地海洋的洋中脊、陆缘及裂谷系统的地质地球物理探测，揭示沉积输运通量、海底热通量和地球化学循环变异机理及影响；加强冰下地质探测相关方法的基础理论研究，开展冰盖底部地质构造、水热系统与基岩及海洋之间的相互作用研究，评估冰下基岩热异常及火山等特定地质事件对冰盖演化影响。
（2）极地古环境与古气候
解译南、北极关键海道开闭、岩浆活动和陆架盆地演化的资源环境效应；聚焦研究南大洋演化与热带驱动的耦合关系研究，从沉积记录揭示极地放大效应及其对全球气候变化的影响和响应；重建南大洋洋流演化，结合地质证据与现代观测开展南极冰盖与南大洋洋流演化数值模拟与预测；深入认识北极海冰对全球气候变化的响应机理，开展北极冰盖古今演化及预测研究；结合地质历史记录研究极地海域生源元素生物地球化学循环的关键过程、历史变化及其对未来海冰快速消融的响应机制；通过古今对比，建立不同时间尺度极地环境演变对全球变化的响应机制及其作用模式；研究极地遥感大数据智能信息提取技术，形成关键要素遥感产品生成能力；基于多源遥感数据和人工智能算法，建立遥感信息智能分析技术体系；基于深度学习算法，综合利用遥感观测数据、先验信息和知识进行高精度南极海冰动态监测和制图，开展基于冰架表面冰流速的冰流线提取，研究冰架表面冰流运动趋势，探究南极冰架物质平衡及变化。
2. 海洋地质过程与矿产资源形成机制
重点研究海洋矿产资源的成矿机制，针对岩石圈及盆地形成演化、油气成藏富集、天然气水合物成矿赋存机制、成矿元素富集过程及成矿时代确定等关键科学问题，开展实验与高分辨率物理和数值模拟，建立极地与海洋矿产资源综合地质模型，为进一步资源勘探与开发提供理论支持。
（3）大洋岩石圈演化
洋脊增生系统、深海盆地系统和俯冲消减系统的大洋岩石圈构造变形、岩浆—热液作用与动力学过程；西太平洋沟弧盆体系的壳幔结构、形成模式及其控制因素，岩浆产物的时空演化规律；南海被动陆缘伸展过程中的构造—沉积—岩浆响应及其动力学机制研究；西南印度洋等慢速—超慢速扩张洋脊地区的下洋壳与地幔岩开展洋壳增生过程构造—岩浆相互作用研究。
（4）边缘海演化与成矿机制
聚焦边缘海盆地构造-沉积动力学与油气资源分布规律，开展多学科交叉系统性研究，主要研究内容包括：中国边缘海盆地形成演化深部动力学机制与背景；边缘海盆地沉积充填沉积动力学过程；大陆边缘发育机制与“源-汇”系统及资源效应；边缘海盆地油气成藏规律、成藏动力学与成矿成藏分布预测技术；边缘海盆地烃源岩、储集层和油气圈闭半定量、定量评价，建立静态油气成藏模式。基于边缘海盆地构造演化、沉积演化和油气成藏演化，探讨边缘海盆地矿产资源成矿机制，重点研究内容包括：我国近海沉积盆地演化和充填作用，重点研究典型盆地新生代构造演化和沉积充填过程，建立构造演化模式和沉积充填模式。边缘海盆地晚期生烃和成藏作用，重点研究新构造运动对边缘海盆地油气形成与富集的影响，系统分析底辟作用相关的油气成藏、动态成藏、幕式成藏等。开展海上数字盆地研究和油气资源评价相关软件平台的建设，建立我国近海典型盆地海洋油气地质数据系统。总结完善与威尔逊旋回相关的沉积盆地类型划分、沉积充填作用和油气富集规律。
建立从微观到宏观的水合物形成、演化、成藏和识别模式；天然气水合物储层精细刻画、时空结构与资源评价；天然气水合物（古）环境与生态效应；天然气水合物跨尺度模拟与测试技术；研发深海水合物资源调查、监测技术与设备；完善水合物钻采理论，推动水合物钻采工程技术突破。
（5）古海洋演化与海底矿产
针对新生代重大古海洋事件关键时段，通过岩心沉积物样品中古海洋环境替代性指标的分析，从构造和轨道时间尺度上揭示新生代海陆分布格局变迁、古海洋事件的演变规律，探讨其成因机制及其对海底矿产资源形成的影响。在深海与极地微生物存在形式、元素循环以及全球变化响应与反馈机理等方向上开展研究，形成机理-过程-环境效应综合的科学研究体系。主要研究内容包括：南极中-新生代古气候与古生物演化研究；南极绕极洋流形成、演化与模拟研究；建立高分辨率年代学时间标尺精确地确定古海洋重大事件和海底矿产资源的形成年代；海底矿产资源形成的古海洋环境控制因素；研究深海特殊生境（冷泉、热液、极地、洋中脊等）的微生物生态特征、微生物矿物相互作用、元素生物地球化学过程及其演替规律。
聚焦大洋多金属结核、富钴结壳、深海稀土资源，以西太平洋、中太平洋、东北太平洋等为主要研究区，通过矿物学、沉积学、地球化学、古海洋学、资源分布特征等方面的分析研究工作，探讨大洋多金属结核、富钴结壳、深海稀土资源的成矿机制及成矿环境的演化。重点研究内容包括：多金属结核与富钴结壳的结构构造组成、矿物组成、主要成矿元素组成、同位素组成及元素赋存相态等特征，探讨大洋多金属结核与富钴结壳的成矿机理与成矿物质来源；建立大洋多金属结核与富钴结壳生长年代框架，划分其主要成矿世代；大洋多金属结核、富钴结壳资源分布特征、矿物组成特征及元素组成特征与成矿环境演化之间的耦合关系，综合分析大洋多金属结核与富钴结壳资源的成矿机制。
3. 极地探测与海洋矿产勘探开发
极地探测与海洋矿产勘探开发方向涉及极地与海洋矿产地球物理勘探、极地与海底科学钻探技术与装备以及深海矿产资源开采与装备等三个方面研究内容。
（6）极地与海洋矿产地球物理勘探
面向极地基础地质研究需求，开展极地遥感地质研究与研发前沿性海洋地球物理探测技术和勘探方法，构建数据采集、处理和综合解释体系，并进行相关技术装备、软件平台的研发。主要研究内容包括：
极地遥感地质：利用多源高分遥感技术开展冰盖流动方向与速度计算、南极冰碛岩源区追踪、基岩露头区矿化蚀变、冰架崩塌检测、北极航道规划以及极地比较行星学等研究。基于高分光学和SAR影像数据计算冰盖流动方向以推测冰盖前缘冰碛物来源；利用高光谱数据反演基岩露头区矿化类型；开展基于冰架表面冰流速的冰流线提取，使用生成式人工智能算法对时间序列数据进行建模并进行海冰变化预测，研究冰架表面冰流运动趋势，探究南极冰架物质平衡及变化；研究开发新一代深度学习模型准确捕捉不同海冰类型的指纹信息，有效融合高分辨率遥感数据提高海冰厚度产品的空间分辨率，支撑高精度北极航道航线智能规划；研究极地遥感大数据智能信息提取技术，形成关键要素遥感产品生成能力；基于多源遥感数据和人工智能算法，建立遥感信息智能分析技术体系；基于深度学习算法，综合利用遥感观测数据、先验信息和知识开展高精度南极海冰动态监测和制图研究；从地球观测系统的角度对比研究地球极区与类地行星的异同，加深对极地形成演化的认识。
深海多金属结核资源：利用多波束回波反射强度反演、海底图像分析以及箱式取样等多种手段获得的数据，构建高效精准的多金属结核勘探体系。研发建立海洋数字矿区系统，基于深度学习等人工智能算法挖掘矿产资源赋存条件、丰度、品位与粒径等参数空间变化特征及其关联性。
天然气水合物和油气资源：围绕海上物探装备、宽频宽方位地震勘探、地震岩石物理实验、多波多分量地震勘探、海上时移地震等技术开展攻关研究。针对深海天然气水合物及油气资源，综合利用瞬变电磁探测、自然电位、钻孔取芯等勘探技术获得的数据，结合成矿机制和生物地球化学数据构建高效勘探方法。在钻采工程方面，针对天然气水合物保压保温取样的要求，开发长柱状高保真水合物取样钻机；建立天然气水合物地质-工程-环境一体化技术体系。
（7）极地和海底科学钻探装备与技术
利用钻探直接获取地质样品是进行矿产资源评价的重要手段。针对海底水合物、矿产资源以及极地冰层冰下资源特殊的环境与钻探要求，开展技术与装备研发。主要研究内容包括：
极地冰盖科学钻探：开展南极复杂冰层的变形特性与破裂机制、钻进流体与冰层/地层之间的耦合关系、钻头冰层破碎方式及钻头结构对冰屑形态及粒径影响机制、流固热耦合作用下冰层损伤破碎及运移机理等研究，研发耐低温环保钻井液、钻探设备与钻进工具，解决南极复杂冰层孔壁稳定机理和南极复杂地质环境高效钻进机理关键科学问题。
深海固体矿产钻探：深海多金属硫化物多层取样，开展钻遇地层识别及钻进工艺方法与参数实时优化。开发富钴结壳多次取样技术研究，开发多次取心浅钻。
（8）深海矿产开采技术与装备
针对深海多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等资源赋存特征，按照国际海底管理局开发规章的要求，开展深海采矿工艺设计、深海采矿技术与装备研发以及环境保护技术措施等。主要研究内容包括：
深海采矿工艺设计：结合勘探合同区海况条件，分析极端不利载荷边界条件，模拟计算深海采矿系统动力学过程，分析系统安全阈值，提出风险控制方法；针对深海矿产资源商业开发的目标，比较分析现有采矿系统及其关键装备技术优劣势，根据绿色、高效、可靠、智能和安全的要求，构建深海采矿系统设计方法。
深海采矿提升与采掘技术及装备研发：针对深海采矿关键装备，如提升管线、扬矿泵以及中间舱等，基于理论与技术研究，提出设计结构参数，研发装备；针对多金属结核赋存的稀软海底底质特点和面式分布特征，开展智能高效采集技术研究，提出设计方法，设计参数，并进行装备研发；针对多金属硫化物矿区复杂地形特征，开展采掘工艺优化，根据多金属硫化物力学特性和剥离矿石粒径参数要求，提出采掘头设计方法，设计参数，并进行装备研发。
深海采矿相关的环境保护技术研究：研究分析国际海底管理局即将制定的开发规章可能对采矿许可的要求，提出采矿系统设计与作业的环境标准。开展生态环境调查研究，获得深海环境基线，分析深海采矿对环境的影响，提出减缓环境影响的措施。
