火星揮發性氣體（2012年10月好奇號火星車測量數據）。

火星基本上是一顆火成岩行星，地表和地殼中的岩石主要由岩漿結晶的礦物構成。目前對火星大部分礦物成分的了解均來自軌道太空飛行器光譜數據、六處著陸點岩石和土壤的原位分析以及對火星隕石的研究[22]。目前在軌的光譜儀包括火星奧德賽號的熱輻射成像系統、火星快車號的光學與紅外礦物光譜儀和火星勘測軌道飛行器上的緊湊型火星偵察成像光譜儀。而兩輛火星探測車則分別攜帶了識別火星表面礦物的阿爾法粒子X射線光譜儀（APXS）、小型熱輻射光譜儀（Mini-TES）和穆斯堡爾光譜儀。

2012年10月17日，位於火星「石巢」的好奇號火星車首次對火星土壤進行了X射線衍射分析。火星車上的化學與礦物分析儀結果揭示了包括長石、輝石和橄欖石等在內的數種礦物，並表明樣本中的火星土壤與夏威夷火山的「風化玄武岩土壤」相似[23]。

原生岩和礦物

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火星上的著名岩石

阿迪朗達克(勇氣號)

藤壺比爾(旅居者號)

巴瑟斯特港(好奇號)

大喬(海盜號)

布洛克島(機遇號)隕石

彈跳岩(機遇號)

加冕岩(好奇號)

酋長石(機遇號)

埃斯佩蘭斯岩(機遇號)

古爾本岩(好奇號)

熱盾岩(機遇號)隕石

本壘石(勇氣號)

霍塔岩(好奇號)

傑克·馬蒂耶維奇(好奇號)

最後機會(機遇號)

林克岩 (好奇號)

麥基諾島(機遇號)隕石

咪咪岩(勇氣號)

紅島(機遇號)隕石

金壺岩(勇氣號)

石巢3號(好奇號)

謝爾特島(機遇號)隕石

廷蒂納(好奇號)

瑜伽石(旅居者號)

可點擊圖像

隕石=火星岩石列表 - (本模板：檢視討論編輯)

火星上的幽暗區域以橄欖石、輝石和斜長石等鐵鎂質成岩礦物為特徵。這些礦物是玄武岩的主要成分，玄武岩是一種黑色火山岩，也構成了地球上的洋殼和月球的月海。

水手谷橄欖石玄武岩的熱輻射成像系統偽色圖，富含橄欖石的岩層呈深綠色。 「好奇號」火星車首幅化學相機化學元素雷射光譜（「加冕」岩，2012年8月19日）。

橄欖石礦物遍布於火星各處，但其中一些最大的集中在尼利槽溝，一處含有諾亞紀年代岩石的地區；另一處富含大型橄欖石露頭的地區位於水手谷東側的恆河峽谷[24]。橄欖石在液體水存在的情況下會迅速風化為粘土礦物，因此，大量分布有含橄欖石的岩石露頭區表明，自岩石形成以來，該地區液態水並不豐富[10]。

輝石礦物也廣泛分布於地表。低鈣（正）輝石和高鈣（斜）輝石均存在，高鈣品種與較年輕的火山盾有關，低鈣品種（頑火輝石）則在古老的高地地形中更為常見。由於頑火輝石的熔化溫度高於其高鈣同類，一些研究人員認為，它在高地的存在表明火星上較古老的岩漿溫度高於較年輕的岩漿[25]。

1997年至2006年間，火星全球探勘者號太空飛行器上的熱輻射光譜儀繪製了該行星的全球礦物成分圖[26]。熱輻射光譜儀確認了火星上兩種全球範圍的火山單元。地表類型一（ST1）為諾亞紀高原的特徵，由未經改變的富含斜長石和單斜輝石的玄武岩組成；地表類型二（ST2）常見於火星分界以北的年輕平原，比前者富含二氧化矽。

首張火星土壤的X射線衍射圖—化學和礦物分析儀揭示出長石、輝石、橄欖石等（好奇號火星車在「石巢」，2012年10月17日）[23]。

地表類型二的熔岩被解釋為安山岩或玄武安山岩，表明北部平原的熔岩起源於化學演化程度更高、揮發性更強的岩漿（參見火成岩分異和分離結晶）[27]。然而，其他研究人員認為地表類型二代表風化玄武岩，帶有矽玻璃或其他次生礦物薄層，這些薄層是通過與含水或含冰材料相互作用所形成[28]。

「黃刀灣」岩石的成分-岩石礦脈中的鈣和硫含量高於「搬運」土壤-2013年3月好奇號探測車阿爾法粒子X射線光譜儀測量結果。

火星上存在真正的中性岩和長英質岩，但暴露在外的並不常見。火星奧德賽號探測器上的熱輻射光譜儀（TES）和熱輻射成像系統都在大瑟提斯區和安東尼亞第撞擊坑西南坑壁附近發現了高矽質岩石。這些岩石的光譜類似於富含石英的英安岩和花崗岩，表明至少火星地殼的某些部分可能有類似地球的多種火成岩[29]，一些地質物理證據表明，火星大部分地殼實際上可能是由玄武安山岩或安山岩構成。安山岩地殼被上覆的玄武質熔岩掩蓋，玄武質熔岩雖然影響著地表成分，但體量較小[4]。

勇氣號探測車在古瑟夫撞擊坑研究的岩石可用不同的方式進行分類，礦物的數量和類型使這種岩石成為原始玄武岩，也稱苦橄玄武岩。這些岩石類似於被稱為玄武質科馬提岩的古陸相岩石。該平原上的岩石也類似於玄武質休格地隕石，即來自火星的隕石。在一種通過圖表比較鹼元素和二氧化矽數量的分類系統中，古瑟夫平原的岩石位於玄武岩、苦橄玄武岩和鹼性玄武岩三者交界處，歐文·巴拉格分類法稱它們為玄武岩[30]。

2013年2月14日好奇號漫遊車看到的「羊床」泥岩（左下）及周邊環境。

2013年3月18日，美國宇航局報告了來自好奇號探測車儀器提供的礦物水合作用證據：在多個岩石樣本中，包括「廷蒂納岩石」、破裂的「薩頓內露岩」塊以及「克諾爾」和「韋內克」等其他岩石的礦脈和結核中發現了可能的水合硫酸鈣 [31][32][33]。在火星車從布雷德伯里著陸場到格萊內爾格黃刀灣區的穿越過程中[31]，使用火星車動態中子返照率設備進行的分析表明，該地區地下含水量高達4%，深度達60厘米（2.0英尺）。

隨著時間推移，火星上風沙導致的崖坡後退（黃刀灣，2013年12月9日）。

2013年9月的《科學》雜誌上，研究人員描述了一種稱為「傑克·馬」或「傑克·馬蒂耶維奇」的不同類型岩石，這是好奇號探測車上阿爾法粒子X射線光譜儀分析的首塊岩石，因其鹼性（>15%標準霞石）並相對分餾，而不同於其他已知的火星火成岩。傑克·馬蒂耶維奇岩石與地球上一種通常在海島和陸地裂谷中發現的橄欖粗安岩相似。它的發現可能意味著鹼性岩漿在火星上可能比地球上更常見，好奇號可能會遇到更多分餾的鹼性岩石（例如響岩和粗面岩）[34]。

在「約翰·克萊因」泥岩上鑽出的探孔（1.6厘米或0.63英寸）。 「坎伯蘭」泥岩光譜分析（SAM）。 泥岩的粘土礦物結構。2013年5月，好奇號探測車在火星黃刀灣附近檢測的泥岩。

2013年12月9日，美國宇航局研究人員在《科學》雜誌上發表了六篇系列文章，描述了好奇號火星車的諸多新發現。其中發現了無法用污染來解釋的可能有機物[35][36]，雖然有機碳可能來自火星，可用降落在火星上的塵埃和隕石來解釋[37][38][39]。但由於在好奇號火星樣本分析設備中，大部分的碳是在相對較低的溫度下釋放的，因而，它們可能不是來自樣本中的碳酸鹽，碳可能來自生物體，但這一點尚未得到證實。這些含有機物的材料是火星車在黃刀灣區用衝擊鑽鑽入一塊叫「「羊床泥岩」」的岩石中5厘米獲得的。這些樣本分別被命名為「約翰·克萊因」和「坎伯蘭」。微生物可通過一種叫做「礦質化能營養」的過程，

從礦物質間的化學不平衡中獲取能量，從而在火星上生存。礦質化能營養的意思是「吃岩石」[40]。然而，在這一過程中，只涉及極少量的碳，比在黃刀灣發現的碳要少得多[41][42]。

利用火星樣本分析設備的質譜儀，科學家們測量了宇宙射線穿過岩石時產生的氦、氖和氬同位素。他們發現這些同位素越少，岩石暴露在地表的時間就越近。好奇號鑽探的40億年前的湖底岩石，是在3000萬至1.1億年前被風颳去2米厚的覆蓋岩層後裸露出的。下一步，他們希望通過在突出的露頭附近鑽探，找到一處比它年輕數千萬年的地點[43]。

在當前太陽極大期期間的300多天觀察中，測量了火星表面所吸收的銀河系宇宙射線及太陽高能粒子劑量和劑量當量。這些測量對於人類登陸火星、探測所有現存或過去可能的微生物生命存活時間以及確定潛在有機生命印跡能保存多久等都非常必要。這項研究估計，需要鑽探數米深才能接觸到可能的生物分子[44]。輻射評估探測器（RAD）測量的地表實際吸收劑量為76兆戈瑞/年。根據這些測量結果，對於單程180天的火星往返任務，以及當前太陽周期在火星表面500天的往返任務，太空人將暴露在約1.01西弗以上的總任務劑量當量下。暴露於1西弗輻射劑量下罹患致命癌症的風險將會增加5%。美國宇航局當前對在近地軌道上工作的太空人飛行時長風險限制在3%的水平[45]。大約3米厚的火星土壤就可最大限度地屏蔽銀河宇宙射線[44]。

被檢測的樣本可能曾經是泥漿，數百萬至數千萬年來可能宿住過活生物體。這種潮濕環境具有中性pH值、低鹽度以及不同氧化還原態的鐵和硫等礦物[37][46][47][48]，這些類型的鐵和硫應可被活生物體所利用[49]。碳、氫、氧、硫、氮和磷等關鍵生物成因元素被直接測量到，通過推斷，認為也存在磷[40][42]。約翰·克萊因和坎伯蘭兩份樣本均含有玄武岩礦物、硫酸鈣、氧化鐵/氫氧化鐵、硫化鐵、非晶體和三八面體蒙脫石（一種粘土礦物），泥岩中的玄武岩礦物與附近風成沉積物中的礦物相似。但泥岩中的鐵-鎂橄欖石和磁鐵礦含量則要少得多。因此，鐵-鎂橄欖石（橄欖石類型）可能已蝕變為蒙脫石（粘土類型）和磁鐵礦[50]。晚諾亞紀/早赫斯珀里亞紀或更年輕的年代表明，火星上粘土礦物的形成超出了諾亞紀。因此，在該位置，中性pH值持續的時間比以前想像的要更長[46]。

塵埃和土壤

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主條目：火星土壤

2012年10月7日，好奇號漫遊車首次使用挖斗在「石巢」篩選一堆沙子。

2012年12月3日，好奇號、機遇號和勇氣號探測車採集的火星土壤樣本對比分析圖[51][52]。

火星大部分表面都被一層像滑石粉般細膩的塵埃深深地覆蓋著，瀰漫於全球的塵埃掩蓋了下面的基岩，使得火星許多區域無法從軌道上通過光譜識別原生礦物。塵埃紅/橙色的外觀是由氧化鐵（III）（納米相三氧化二鐵）和氫氧化鐵礦物針鐵礦所造成[53]。

火星探測車發現磁鐵礦是使塵埃帶有磁性的礦物，它可能還含有部分鈦[54]。

全球覆蓋的塵埃和其他風成沉積層使得火星表面的土壤成分非常均勻。1976年海盜號登陸器對土壤樣本的分析表明，火星土壤是由碎粒玄武岩碎屑構成，富含可能來自火山氣體釋放出的硫和氯[55]。

次生（蝕變）礦物

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火星上也存在原生玄武岩礦物通過熱液蝕變和風化作用產生的礦物，這些次生礦物包括赤鐵礦、頁矽酸鹽（粘土礦物）、針鐵礦、黃鉀鐵礬、硫酸亞鐵礦物、蛋白石和石膏等，許多次生礦物需要液態水才能形成（含水礦物）。

蛋白石和硫酸鐵礦物形成於酸性（低pH）溶液中，在包括朱芬塔峽谷、伊烏斯峽谷、米拉斯峽谷、坎多爾峽谷和恆河峽谷附近等許多地方都發現了硫酸鹽。這些地點都包含河流地貌，表明曾經存在過豐富的水[56]，而勇氣號火星車也在哥倫比亞丘陵發現了硫酸鹽和針鐵礦[57][58]。

檢測到的某些礦物類別可能是在適合生命的環境中（即有足夠的液態水和合適的pH值）形成的。蒙脫石（一種頁矽酸鹽）是在接近中性的水域中形成的，頁矽酸鹽和碳酸鹽都有利於保存有機物，因此它們可能含有過去生命的證據[59][60]。硫酸鹽沉積物可保存化學和形態化石，以及形成於赤鐵礦等氧化鐵中的微生物化石[61]；蛋白石的存在指示了一種可維持生命的熱液環境，且二氧化矽也非常適合保存微生物遺蹟[62]。

沉積岩

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維多利亞撞擊坑內具有交錯層理的砂岩。

惠更斯隕擊坑圓圈處指示發現了碳酸鹽的地方。該沉積物可能代表火星表面擁有大量液態水的時代，比例尺長250公里（160英里）。

火星上廣泛分布著層狀堆積的沉積物，這些沉積物可能由沉積岩和硬度較差或未固結沉積物組成。在水手谷內幾處峽谷中以及阿拉伯高地和子午線高原的大型隕石坑內（如見亨利撞擊坑），分布著較厚的沉積堆積層，可能還包括北部低地中的大部分沉積物（如北方大平原地層）。「機遇號」火星探測車就降落在一處含有交錯層（主要是風成）砂岩的區域（伯恩斯地層[63]），埃伯斯瓦爾德撞擊坑和其他地方也存在河流三角洲沉積。地質攝影證據表明，南部高地的許多隕石坑以及隕坑間的低洼地帶含有諾亞紀年代的湖泊沉積物。

雖然天體生物學家和地球化學家對火星上可能存在碳酸鹽非常關注，但幾乎沒有證據表明火星表面存在大量碳酸鹽沉積物。2008年夏，鳳凰號火星著陸器上的熱釋氣分析儀（TEGA）和濕化學實驗室（WCL）測試發現了3-5%（重量百分比）的方解石 (CaCO3) 和鹼性土[64]。2010年，勇氣號火星探測車的分析也確認了古瑟夫撞擊坑內哥倫比亞丘陵的露頭富含碳酸鎂鐵（16-34 wt%）。碳酸鎂鐵很可能是在與諾亞紀火山活動有關的中性pH值水熱條件下，從含碳酸鹽溶液中沉澱出來的[65]。

火星勘測軌道飛行器上的緊湊型火星偵察成像光譜儀在雅庇吉亞區惠更斯隕擊坑邊緣的隕坑中發現了碳酸鹽（碳酸鈣或碳酸鐵），發生在坑壁上的撞擊暴露了惠更斯隕擊坑形成時撞擊翻攪出的物質。這些礦物表明火星曾經擁有較厚的二氧化碳大氣層和豐富的水分，因為碳酸鹽只有在存在大量水的情況下才會形成。此前，該儀器曾探測到粘土礦物，而現在又在這些粘土礦物附近找到了碳酸鹽。這兩種礦物質都形成於潮濕環境中，據推測，數十億年前的火星更溫暖濕潤。那時，碳酸鹽可能是由水和富含二氧化碳的大氣所形成，之後碳酸鹽沉積物可能被掩埋。現在，二次撞擊暴露了這些礦物。地球上也分布有大量石灰岩形式的碳酸鹽沉積物[66]。