自宋真宗之後，宋朝長期依賴每年大量送出的银绢維持與辽朝的暫時和平。然而，辽朝擔心宋朝軟弱，企圖侵占更多土地。在公元1075年，辽朝派大臣萧禧到東京要求劃定邊界。
宋神宗命大臣與萧禧進行談判，但雙方爭論了幾天仍無結果。沈括因其地理學知識和細致的工作態度，被任命為新的談判代表。他首先至枢密院查閱歷史文件，並證明該片土地應屬於宋朝。沈括繼續被派往上京（辽朝的都城），在那裡他收集了大量的地理資料，並讓隨從官員熟悉這些信息。
當杨益戒提出了問題時，沈括和官員們迅速回應，有著堅實的事實根據。面對沈括的有力反駁，杨益戒只好改變語氣表示不再追求無理要求。最終，在沈括的努力下，他們達成了妥協。
返回後，沈括將所收集的地理資料整理成一份完整的地圖，並呈交給宋神宗。此舉獲准後，他被授予翰林学士職位，因其對邊境安全的貢獻而受到肯定。
此外，由於他的卓越貢獻，他還被委託編制全國地圖，但未能完成之前就遭受誣陷並被貶謫。在流放期間，他仍然繼續修訂地圖，最终完成了《天下郡国图》，這是當時最準確的一個全國地圖。此外，他在多個領域展現出廣泛且深厚的專業知識包括天文、歷法、音樂、醫藥等。他在晚年寫了一本著作《夢溪筆談》記錄自己一生的研究成果及其他發明創造，其中包含活字印刷技術，這是一項我國古代四大發明之一。
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