看到标题中的“立体几何”，你会想到什么？正方体、球体、六棱锥？这些规则的物体，并不是只会出现在数学题里，也并不是只有人工才能加工出来，其实我们生活的地球，就拥有许许多多无比规整的立方体物质，其精巧之处无不令人称赞——这些物质便是“矿物”。

那么，什么是矿物呢？矿物是由地质作用形成的天然固体物质，它们都具有单一的化学成分，比如石英就是一种矿物，它的化学成分是二氧化硅。此外，矿物内部的原子排列也十分规则、有序，形成了规则的几何多面体形状，这些几何多面体被称为“晶系”。这种微观的有序排列，让矿物拥有了非常规整的外形。比如下图中看到的黄铁矿，就觉有非常规则的立方体形状。

黄铁矿，又被称为“愚人金”，在工业上常被用来制作硫酸。

目前，地球上发现的矿物有超过 6000 种，它们颜色丰富、形态各异，并且还在持续发现新类型的矿物。这上千种矿物，根据其内部的原子排列——也就是晶系——可以被分为七大类。今天，就让我们一起走进矿物的几何世界，探索矿物的七大晶系，领略地球这位“雕刻大师”的鬼斧神工吧！

1. 立方晶系

立方晶系又被称为“等轴晶系”，它们就像一个立方体，无论从哪个角度观察，都呈现出完美的对称——比如上面我们看到的黄铁矿。这种天然形成的高度对称性矿物，仿佛经过精雕细琢的艺术品

。

各个边长一样，边与边夹角都是90度。

在等轴晶系中，有许多矿物都和我们的生活息息相关，比如石盐（Halite）就是其中之一。石盐矿物的化学物质组成是氯化钠，和我们日常生活中常见的食盐是一样的，经过加工的石盐矿物，最终会成为我们做菜时使用的食盐调味品或是化工原料。

除了石盐，金刚石（Diamond）也是一种等轴晶系矿物，它是正八面体形状的。金刚石是自然界中最坚硬的物质，被切割、打磨后就成为了称为被许多人追捧的宝石——钻石。神奇的是，透明、坚硬的金刚石和我们使用的铅笔中所包含的另一种矿物——石墨的组成物质一样，都是碳。

2. 六方晶系

六方晶系的矿物常呈六棱柱形，例如刚才提到的和金刚石所含元素一样的石墨，就是六方晶系的矿物。

六棱柱形，底面六边形各个边长一样，侧面垂直底面。

石墨（Graphite）作为一种常见矿物，拥有非常广泛的用途，从曾经大炮的炮弹，到现在铅笔的笔芯，都有石墨的参与。像前几年非常火的新型材料“石墨烯”，就是从石墨矿物上，用特制的胶带一点一点的粘下来的。还有像钥匙孔生锈后使用的润滑粉末，也都是石墨磨成的。

上图：单晶体石墨；下图：晶体聚合在一起的石墨

3. 三方晶系

三方晶系从各个角度来看都是一个平行四边形，但是每个平行四边形的角度都是一致的。

各个边长一样，边与边之间不垂直。

常见的三方晶系有方解石（Calcite），纯净的方解石是无色透明的，非常晶莹剔透，就像冰块一样，因此也被称为“冰洲石”。

这种无色透明的方解石，具有一个非常奇特的“双折射”光学特点——透过它看物体，可以看到重影。

除了方解石，像最开始提到的石英（Quartz）、刚玉（Corundum）也都是三方晶系的。其中石英又被很多人称为“水晶”，被做成好看的首饰。而刚玉，则是人们常说的“红宝石”和“蓝宝石”的矿物原型，其中红色的刚玉被称为“红宝石”；除了红色，其他颜色的刚玉都被称为“蓝宝石”——比如绿色的刚玉宝石，则被称为“绿色蓝宝石”。

4. 四方晶系

四方晶系可以想象成拉长了的立方晶系，整体看上去就像一个长方体。

底部边长一样，各个边互相垂直

四方晶系的矿物在生活中不太常见。在地质学上，比较有名的四方晶系矿物是锆石（Zircon），它是重要的地质年代测定工具。锆石对于熔化、碎裂和侵蚀具有极强的抗性，因此地质学家们可以通过采样含有锆石矿物的岩石标本，对其中的锆石进行测量，就可以得知锆石或是这块岩石的年龄，并且据此推算出地球在过去的几十亿年里发生了哪些重要的地质变化。可见，有些矿物就像一本“日记”，记录着地球的历史。

5. 斜方晶系

斜方晶系其实看起来并不“斜”，它和四方晶系一样，其形状也是一个长方体，只不过每个边的长度都有所不同。

边长都不一样，但各个边互相垂直

常见的斜方晶系有文石（Aragonite），它和方解石一样，都是由相同的物质——碳酸钙——组成的，但由于形成时候结晶成了不同的形态，因此也就成为了不同类型的矿物。像珍珠就是由一层层的文石矿物堆叠形成的。

除了文石，斜方晶系中还有一些好看的宝石矿物，比如橄榄石、金绿宝石、黄玉。

从上到下依次为橄榄石、金绿宝石、黄玉。

6. 单斜晶系

单斜晶系像是把斜方晶系向后或向前推了一下，让它发生倾斜——就像迈克尔杰克逊的倾斜舞姿一样。

边长都不一样，侧面倾斜，其他边互相垂直

比较常见的单斜晶系矿物是石膏（Gypsum）。提起石膏，你可能想到的会是骨折后打的石膏板、雕塑时候的石膏块或是装修时候用到的石膏板材——都是一些白色不透明的物质。但其实纯净的石膏矿物是无色的，就像下图这样。

除了这种小巧剔透的石膏矿物，在自然界中还有更为壮观的石膏矿物。在墨西哥的奈卡山脉一带，科学家发现了一个世界上最大的地下晶体洞穴，这个洞穴里布满了长达数米的石膏晶体。置身于此，可能才能真正领略到地球之惊奇与人类之渺小吧。

7. 三斜晶系

三斜晶系是所有晶系中对称性最低的——每个边都不相等、每两条边都不垂直，简直是矿物中的“别扭”代表。

常见的三斜晶系矿物有蓝铜矿（Azurite），从它的名字就可以知道，蓝铜矿是一种蓝色的含铜矿物，可以用来提炼金属铜。

蓝铜矿凭借其鲜艳的蓝色，吸引了许许多多的画家。画家将蓝铜矿磨成粉末并加入清水，将其搅匀后静置，便获得了具有上、中、下三层，每层颜色不同的蓝色颜料，它们分别被称为头青、二青和三青，颜色依次加深。像北宋名画《千里江山图》中的蓝色，就是由蓝铜矿制成的颜料绘制的；而其中的绿色，则是由另一种被称为“孔雀石”的矿物所制成的颜料绘制的。

地球上的矿物种类繁多，形态各异，它们是地球漫长地质历史的见证者，也为人类文明的发展提供了丰富的物质基础。下次当你欣赏美丽的矿物晶体时，不妨试着从几何的角度去解读它，感受地球这位“几何大师”的鬼斧神工吧！

参考资料：

[1] 《结晶学与矿物学》，李胜荣，地质出版社

[2] 《改变历史进程的50种矿物》，埃里克•查林，青岛出版社

作者：石见逸 科普创作者

审核：董汉文 中国地质科学院地质研究所 副研究员

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来源: 星空计划

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