雁荡山实景图

沈括通过考察浙江雁荡山奇峰，提出其地貌由“大水冲激，沙土尽去”的流水侵蚀作用形成，并类比解释了西北黄土高原地形成因。这一理论比1785年赫顿在《地球理论》中的论述早700年，成为现代侵蚀地貌学的先驱。沈括的地理思想，主要表现在他对许多自然地理现象的科学观察和正确解释。包括流水侵蚀、海陆变迁与华北平原成因、古环境变迁、植物地理分布的制约因素等方面。

华北平原成因的科学解释

沈括通过考察太行山岩层中的螺蚌壳化石及卵形砾石分布，首次提出华北平原是由黄河、滹沱河等河流携带泥沙冲积形成的。这一理论比欧洲地质学家赫顿（18世纪）的类似观点早约700年，并首次将化石与地质环境变迁结合，纠正了传统“沧海桑田”的模糊认知，奠定了冲积平原学说的基础。

原文（节选）： 　　“予奉使河北，边太行而北，山崖之间，往往衔螺蚌壳及石子如鸟卵者，横亘石壁如带，此乃昔之海滨，今东距海近千里。所谓大陆者，皆浊流所湮耳。……凡大河、漳水、滹、沱、涿水、桑乾之类，悉是浊流。今关、陕以西，水行地中，不减百余尺，其泥岁东流，皆为大陆之土，此理必然。” ——《梦溪笔谈》卷二十四

译文：我奉命出使河北察访，沿着太行山北行，山崖的岩石间往往夹杂着螺蚌壳及像鸟卵的石子，横亘在石壁上像带子。这里应是昔日的海滨，而现在东距大海已有近千里。所谓大陆，看来都是由重浊的泥沙积淀而成的。古史记载尧杀鲧于羽山，旧说羽山在东海中，而现在却在陆地上。凡黄河、漳水、滹沱、涿水、桑干等河流，全都是浑浊的水流。现在关陕以西，水在低于地面的峡谷中流动，最深处不下百余尺，所携带的泥沙每年向东流，都成为造大陆的泥土，大陆由此形成也就是必然之理。

流水侵蚀学说的确立

沈括在浙江雁荡山发现奇峰顶部齐平的现象，推断其由“大水冲激，沙土尽去”的流水侵蚀作用形成。他进一步将这一原理推广至西北黄土高原，解释其“立土百尺”的独特地貌，揭示了侵蚀作用的普遍性。这一理论比赫顿在《地球理论》中的系统阐述早700年，成为现代侵蚀地貌学的先驱。

原文（节选）： 　　“原其理，当是为谷中大水冲激，沙土尽去，唯巨石岿然挺立耳。如大小龙湫、水帘、初月谷之类，皆是水凿之穴。” ——《梦溪笔谈》

译文：推究它(形成)的道理，应当是被山谷里的大水冲刷，沙土都冲走了，唯独(剩下这些)巨大的岩石巍然挺立(在那里)。像大小龙湫、水帘、初月谷之类，(也)都(是)水流冲刷(而成)的洞穴。

古气候与化石研究

沈括通过化石记录推断古代环境变迁，例如发现竹笋状化石推断当地曾为湿润气候区，并认识到化石是古代生物的遗迹。这一发现比文艺复兴时期达·芬奇对化石的研究早400余年。

原文（节选）：近岁延州永宁关大河岸崩，入地数十尺，土下得竹笋一林，凡数百茎，根干相连，悉化为石。适有中人过，亦取数茎去，云欲进呈。延郡素无竹，此入在数十尺土下，不知其何代物，无乃旷古以前，地卑气湿而宜竹耶？ ——《梦溪笔谈》卷二十一《异事》

译文：近些年来延州永宁关附近的黄河河堤崩溃，入地几十尺的地方，出现了一片竹笋林，共几百株，根茎相连，都化成了石头。恰逢有宦官从此处经过，也拿了几株离去，想要将其呈献给皇帝。延州地区素来没有竹子，而这一片竹笋埋在地下几十尺的地方，不知道是哪个朝代的东西，难道是在旷古之前，此处地势低下空气潮湿而比较适合竹子的生长吗？

沈括还详细记录了各地发现的化石、并根据化石来推究古代气候的变迁，解释虹的大气折射现象，科学地描述了龙卷风生成的原因、形态和破坏威力，用月亮的盈亏来论证日、月的形状及海潮与月球的关系等等。沈括对自然地理的研究，在许多方面都走在了当时世界的前列。

沈括记录并解释山谷回声、雷声传播等现象，提出“声波遇障反射”的初步概念。在《梦溪笔谈》中系统论述音阶频率比例，为十二平均律的提出奠定基础。

地图学研究

沈括历时12年编绘的《天下州县图》包含20幅地图，其中全国总图比例尺达九十万分之一，采用“分率、准望、互融、傍验、高下、方斜、迂直”九大制图原则。他创新性地划分“二十四至”方位（以十二地支、八天干、四卦命名），使地图精度远超前人。该图在南宋战乱中失传，但其技术标准深刻影响了后世地图学发展。

沈括摒弃传统“循路步测”法，首创“飞鸟图”——以直线距离（如鸟飞直达）测量地形，类似现代航空摄影原理。该方法解决了迂回道路导致的测量误差，使地图数据更接近真实地理空间关系。

沈括将河北边防山川地形雕刻于木板，制成中国最早的立体地理模型（“木图”），并推广至边疆各州。该模型比瑞士18世纪的地理模型早700年，兼具军事防御与行政管理功能。他还尝试用蜡、木屑等材料改进模型制作工艺，体现了实验科学精神。