針對地核磁場在行星環(huán)境演化中的作用，著眼于揮發(fā)性物質(zhì)的逃逸過程，采用比較行星學(xué)的方法，將地球深部和空間環(huán)境作為一個整體，揭示地核磁場變化對電離層粒子逃逸過程的影響，尋找行星演化方向轉(zhuǎn)折的決定性因素。模擬地磁極性倒轉(zhuǎn)、地磁漂移和其它長期變對地球電離層和磁層的影響，計算氧離子等關(guān)鍵成分的逃逸率變化，評估地磁場各種時間尺度的變化對地球儲水量和生物圈的影響。
水是行星演化的一個關(guān)鍵組分。以月球樣品為研究對象，揭示月球的本征水含量、小行星撞擊加入的外來水、以及太陽風(fēng)注入對月球表面水的貢獻和加入機制。以火星隕石為對象，揭示火星幔的水含量、巖漿去氣過程、以及水的逃逸機制，研究火星的環(huán)境歷史；研究金星的水分子通過電離層逃逸的主要機制，分析水逃逸在金星“失控的溫室效應(yīng)”中的作用，為我國自主金星探測計劃提出關(guān)鍵科學(xué)目標(biāo)。
從比較行星學(xué)的角度探索行星多圈層演化。通過空間物理學(xué)、古地磁、生物地磁、地質(zhì)、地化等領(lǐng)域的交叉，對行星環(huán)境的演化過程進行綜合研究。以認(rèn)識地磁場機器變化對生物的影響為目標(biāo)，選擇代表性生物為研究對象，研究地磁環(huán)境變化對生物的影響及機理。研究地磁環(huán)境的生物效應(yīng)，揭示生物與地磁場的關(guān)系，理解地磁場極性倒轉(zhuǎn)在生物進化中的作用，研究沉積物中生物成因磁性礦物記錄古磁場的貢獻和可靠性。
針對地球空間環(huán)境對不同太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)與擾動的響應(yīng)，研究空間天氣事件中電離層和磁層的擾動變化，揭示不同太陽活動水平對地球空間等離子體和電流體系的控制，獲得外部驅(qū)動下的地球空間環(huán)境變化的全球性特征與區(qū)域差異特性。發(fā)展地球空間環(huán)境的空間布陣觀測手段及相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法，揭示電離層與大氣層的耦合過程中地球高層大氣波動的產(chǎn)生傳播與耗散，以及不同尺度的電離層過程之間的關(guān)聯(lián)，探索電離層-大氣層-磁層的相互作用機理。
采用數(shù)值模擬手段，研制磁層/電離層/熱層/中間層耦合理論模式，實現(xiàn)地球空間環(huán)境過程的耦合模式模擬，進一步揭示電離層和磁層對外部驅(qū)動的響應(yīng)過程及其機理，并開展地球及行星空間環(huán)境模式化研究。利用歷史和實時觀測數(shù)據(jù)，建立地球空間環(huán)境參量的統(tǒng)計經(jīng)驗?zāi)Ｊ?，發(fā)展地球空間環(huán)境的預(yù)報技術(shù)，注重發(fā)展全球及我國上空電離層等空間環(huán)境模式。
研究太陽系各大行星或天體的空間環(huán)境。通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)各行星空間環(huán)境電、磁場與等離子體的主要分布和變化特征，研究空間等離子體動力學(xué)過程揭示太陽風(fēng)與行星相互作用的普遍物理規(guī)律。
在地球內(nèi)部，地幔轉(zhuǎn)換帶、核幔邊界和內(nèi)外核邊界是物質(zhì)和能量輸運的關(guān)鍵地帶，也是地球深部研究的重要對象。在地球機器運轉(zhuǎn)中，這些界面起著至關(guān)重要的作用。結(jié)合地震學(xué)、礦物物理實驗、計算模擬方法和地球化學(xué)手段，研究這些區(qū)域及界面的精細結(jié)構(gòu)、礦物組成、物質(zhì)來源，揭示地核和地幔的演化。結(jié)合地球動力學(xué)模擬和地磁、古地磁學(xué)觀測，探討地球深部動力學(xué)過程。
物質(zhì)成分是地球科學(xué)的重要研究內(nèi)容。地球深部物質(zhì)成分的研究包括三個方面，一是研究地球的整體成分，主要使用宇宙化學(xué)和地球化學(xué)方法對各種隕石的化學(xué)成分進行研究，建立地球初始物質(zhì)組成。二是研究地幔的成分，通過對高溫高壓下硅酸鹽礦物的各種物理和化學(xué)性質(zhì)的研究，并與地球物理觀測相結(jié)合，獲得不同圈層地幔的化學(xué)成分。三是研究地核的成分。通過將元素在核幔之間的配分和地球演化歷史相結(jié)合，通過將高溫高壓下不同成分鐵合金狀態(tài)方程、波速和地震學(xué)觀測相結(jié)合，獲得固態(tài)內(nèi)核和液態(tài)外核的化學(xué)成分。