火星轨道遥感和就位探测在地表发现了大量的硫酸盐,这指示在火星气体、液体和固体之间存在着大量的硫循环。火星硫酸盐可能在火星表面和次表层物质的风化、金属元素循环、水循环和储存以及在火星漫长历史过程中发生的水文过程中发挥了关键作用。研究在火星相关条件下特定火星硫酸盐矿物的基础光谱学可以为火星轨道遥感和就位探测识别硫酸盐种类提供地面真值,对有效约束硫酸盐在火星不同区域的具体类型和空间分布提供重要参考。在火星模拟条件下研究特定火星硫酸盐矿物的基础理化参数和性质（硫酸盐的结构、稳定性和形成条件等）,开展其相边界、热动力学以及反应动力学的实验室研究,可为解译火星遥感观测到的硫酸盐共生现象、地表温湿度和酸碱度条件、火星古气候及环境演化等提供关键信息和实验约束。因此,火星相关硫酸盐的遥感和实验研究对深入理解火星环境演化具有重要意义。当前火星遥感和就位探测识别的硫酸盐主要有硫酸钙、硫酸铁和硫酸镁等。然而,由于缺少硫酸盐实验数据,对硫酸盐的确切识别、含水状态、物相稳定性等的认识仍然存在诸多难题。面向认识火星硫酸盐的成因演化以及包括天问一号在内的火星探测数据的解译需求。本论文主要选择了硫酸钙和硫酸铁两大体系进行实验室研究,系统研究了硫酸钙/铁的基础光谱学性质,通过多种微区分析技术联用解决了火星和地球超干旱区域γ-CaSO4高稳定性成因难题,为解释硫酸铁的共生现象确定了三种不同含水状态硫酸铁的相边界及热动力学性质。本论文的工作主要分为以下几个部分:（1）硫酸钙/铁的实验室光谱学与遥感应用。为深入研究硫酸钙/铁的稳定性和相边界等问题,本论文首先系统性合成了硫酸钙/铁体系的样品（不同含水状态的硫酸钙/铁）。基于合成的不同含水状态的硫酸钙/铁样品,开展系统的拉曼、可见近红外、中红外、激光诱导击穿光谱等光谱学表征,了解和掌握它们的基础光谱学特性,为火星硫酸钙/铁的遥感和就位探测提供基础光谱数据。利用它们的拉曼光谱进行样品的物相鉴定和纯度分析,根据硫酸钙/铁盐的特征拉曼（Raman）振动谱特征,分析拉曼振动活性模式并用于后续深入研究它们的稳定性和热动力学性质等,也为毅力号、ExoMars上搭载的拉曼光谱仪数据解译奠定基础;利用中红外光谱（MIR）表征晶体的红外活性模式,用于辅助火星热红外遥感数据的硫酸钙/铁沉积物的识别与填图;利用可见近红外光谱（VNIR）数据表征不同含水样品基频振动的倍频和组合频信息用于火星遥感和就位探测VNIR数据（如CRISM、Pancam以及中国火星矿物成像光谱仪等）的准确解译;利用硫酸钙/铁的激光诱导击穿光谱数据（LIBS）为火星硫酸钙/铁就位探测LIBS光谱数据（如ChemCam、SuperCam和中国火星表面成分探测仪等）分析提供基础数据参考。（2）火星和地球超干旱区域γ-CaSO4的高稳定性成因研究。实验室合成的化学纯γ-CaSO4是一个亚稳相而来自地球超干旱地区和火星陨石的γ-CaSO4具有异常高的稳定性。我们使用多种微区分析技术（ESEM、SAED和EDS）表征来自火星陨石和地球超干旱区域的两种γ-CaSO4的化学组成和结构性质,探寻两种γ-CaSO4异常稳定的原因:一种来自Atacama沙漠土壤（#10-d30）,另一种来自火星陨石MIL03346,168。化学表征结果表明硅（Si）在Atacama沙漠土壤中的γ-CaSO4中呈准均匀分布,火星陨石MIL03346,168脉中的γ-CaSO4中硅和磷（P）准均匀分布。结合γ-CaSO4结构进一步分析发现这些来自超干旱环境的γ-CaSO4异常高的稳定性是由于化学杂质填充了它们的孔道结构（沿c轴方向,[001]）阻碍了大气中H2O的进入且化学杂质（Si或Si和P）填充γ-CaSO4结构孔道并没有引起其结构变化。γ-CaSO4与Si或Si和P杂质的结合可能由火成或蒸发两种成因造成的。此外,由于烧石膏和γ-CaSO4的结构极为相似,通过它们的XRD谱图几乎对二者无法区分。因此,好奇号的CheMin在盖尔撞击坑发现的一些火星“烧石膏”矿物实际上很可能是γ-CaSO4。γ-CaSO4中的结构孔道允许离子和离子基团的填充,从而为其在形成和转化过程中经历的地质和地球化学过程提供有意义的指示作用。未来毅力号和ExoMars如能在各自着陆区（Jezero撞击坑和Oxia Planum）借助携带的拉曼光谱仪选择富含γ-CaSO4的样本进行实地分析乃至样品返回,将为解决γ-CaSO4稳定性问题乃至火星生命痕迹探测提供确切依据和参考。（3）三种水合Fe3+硫酸盐的相边界及其对火星的启示。火星轨道和就位探测已经在火星的多个区域识别到硫酸铁盐。火星上硫酸铁的出现由多个因素决定（T、Eh、pH、RH%和盐水化学）,这些因素对火星环境的变化十分敏感。本论文在模拟当前火星温度条件下利用缓冲溶液控制湿度的方法联合重量测试和激光拉曼光谱技术,通过实验获得了七水硫酸铁（Fe2（SO4）3·7H2O）、副针绿矾（Fe2（SO4）3·9H2O）和高铁叶绿矾的（Fe4.67（SO4）6（OH）2·20H2O）之间的相边界和它们相互转化的热动力学数据,有助于补充不完整的硫酸铁盐在RH%-T空间不完整的相图和预测其它硫酸盐的相边界范围。热动力学计算发现每个结晶水进入硫酸铁晶体结构引起的焓变和吉布斯自由能的变化值:在副针绿矾和高铁叶绿矾之间分别为-291.77±0.26KJ/mol和-237.9±0.0KJ/mol,在七水硫酸铁和副针绿矾之间分别为-287.66±0.02KJ/mol和-238.6±0.0KJ/mol。这些数值与其它硫酸铁和硫酸盐的研究结果一致,为了解火星和地球上铁硫酸盐的稳定性、相变和共生提供了基础数据,有助于了解火星上过去和现在的环境、水的演变历史和气候变化并为后续火星任务载荷设计和样品返回过程中如何保持样品稳定提供科学参考。