近日，空间科学攀登团队行星科学课题组在火星硫酸盐研究方面取得系列新进展，相关成果发表于行星科学专业期刊Journal of Geophysical Research: Planets和Remote Sensing。国内外火星轨道和就位探测任务已在火星不同地点识别到多种类型的硫酸盐，实验室开展硫酸盐的光谱学和结晶化学研究对于深入认识火星古气候、水活动及火星宜居环境演化具有重要意义。面向天问一号、好奇号等火星探测任务数据解译需求，行星科学课题组开展了系列火星相关硫酸盐的实验室模拟研究，主要进展如下：
进展一：提出火星土壤中无定形硫酸铁的成因新机制。（1）实验室内模拟出七种不同含水状态的无定型硫酸铁。CheMin等在火星盖尔撞击坑土壤中识别到大量的无定型硫酸盐，发现这些硫酸盐与Ca-、Mg-、Fe-的含量存在一定关系，推测无定型硫酸铁盐可能是盖尔撞击坑土壤的重要组成部分。为详细了解这些无定型硫酸铁盐的含水状态，我们在实验室内建立了一套无定形硫酸铁的可控生长方法；（2）建立了火星硫酸铁盐识别的新光谱学方法。虽然火星上探测到了大量的硫酸铁盐，但除了黄钾铁矾和羟基硫酸铁外，其它硫酸铁盐均为推测存在。基于我国天问一号和其它火星任务搭载的激光诱导击穿光谱和拉曼光谱载荷，根据不同种类硫酸铁盐的光谱特征的规律性变化，行星科学课题组在实验室内建立了火星不同类型硫酸铁盐特别是他们准确含水状态的识别新方法，这些结果可为ChemCam、SuperCam和SHERLOC等火星实测数据解译提供重要参考，用于精确约束水合硫酸铁的确切相。（3）发现一种火星无定型硫酸铁盐成因新机制。以往研究认为火星无定型硫酸铁盐主要来源于a）饱和硫酸铁溶液和流体脱水形成；b）结晶性硫酸铁经历尘暴等地质作用。我们在实验室内开展模拟火星条件下不同浓度硫酸铁溶液地球化学行为发现饱和状态下的硫酸铁溶液脱水产物均为结晶性硫酸铁，不饱和硫酸铁溶液脱水产物为无定型硫酸铁，这一结果为解释火星区域土壤中大量无定型硫酸铁的成因提供了实验依据。研究成果以“Quantification of H2O in Amorphous and Crystalline Ferric Sulfates Relevant to Mars”为题，发表于行星科学专业期刊Journal of Geophysical Research: Planets（硕士生孟凡和博士后石二彬为论文共同第一作者，通讯作者为凌宗成教授。）
图1. 实验室内模拟不同含水量的无定型硫酸铁的光学图片。
图2. 不同浓度调节下硫酸铁溶液结晶产物拉曼光谱。
进展二：解译了火星盖尔撞击坑的维拉鲁宾山脊（Vera Rubin Ridge，简称VRR）的水活动历史。好奇号在VRR钻取的样品中，首次发现了四方纤铁矿和黄钾铁矾的共生。为了约束这两种矿物共生的水环境以及VRR可能的水活动历史，该团队在实验室内通过调节不同参数（pH和S/Cl摩尔比等）开展了两种矿物共生的模拟实验。研究结果表明，VRR地区四方纤铁矿和黄钾铁矾形成于以Cl-为主的极酸性流体中（S/Cl摩尔比为0.018-0.042，1.4≤pH＜2）。基于实验结果，该团队认为VRR泥岩中四方纤铁矿和黄钾铁矾的共生代表了一期独立的地下水活动，区别于泥岩中赤铁矿和硫酸钙的形成事件。推测在VRR晚期成岩过程中，地下水上涌溶解了当地的氯化物，形成以Cl-为主的流体；后续蒸发作用进一步降低了水岩比、提升其盐度，并形成极酸性流体；在这种酸性、富Cl-、含SO42-流体中结晶出了四方纤铁矿和黄钾铁矾两种矿物。研究成果以“The Coprecipitation of Akaganeite and Jarosite and its Implications for the Late-stage Diagenetic Fluids in the Vera Rubin Ridge, Gale Crater, Mars”为题发表于行星科学专业期刊Journal of Geophysical Research: Planets。论文第一作者为博士研究生张聆汐，通讯作者为付晓辉教授。
图3. 四方纤铁矿和黄钾铁矾共生研究中不同S/Cl摩尔比样品的XRD结果及部分样品的SEM图像。
进展三：实验室内系统开展硫酸镁复盐模拟与光谱学表征，为解译火星表面赋存硫酸钙岩脉的矿物组成以及形成溶液和流体的条件等奠定基础。火星盖尔撞击坑等区域APXS和ChemCam等对硫酸钙盐脉探测结果显示硫酸钙岩脉可能与其它硫酸盐共存或以硫酸盐复盐的形式赋存。但目前由于缺乏实验室对不同硫酸盐复盐的光谱特征研究，使得对岩脉矿物的精细识别存在很大困难。为解决这一难题，课题组在实验室内采用高温固相反应等方法，开展了七种硫酸镁复盐的模拟和系统光谱学表征（XRD、Raman、MIR、VNIR），深入挖掘了模拟样品的独特光谱学特征，有助于火星SHERLOC、SuperCam等返回数据的解译，为识别火星上普遍存在的硫酸钙岩脉详细矿物组成提供了基础光谱学数据，并为理解硫酸钙岩脉形成的环境条件提供了参考。研究成果以“Spectroscopy of Magnesium Sulfate Double Salts and Their Implications for Mars Exploration”为题，发表于行星科学专业期刊Remote Sensing（博士后石二彬和硕士生张睿泽为论文共同第一作者，通讯作者为行星科学课题组辛艳青老师）。
图4. 硫酸镁复盐实验室光谱可帮助实测数据解译。
相关论文链接：
1. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JE008091
2. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JE008157
3. https://www.mdpi.com/2072-4292/16/9/1592
