麵對中外眾多學者權威的反對，李四光依然堅持自己的見解，他知道，科學界不相信落後的中國會有人搞出什麽真正的名堂來。於是，他胸有成竹地把這些人請來，引領著他們沿著廬山地區的幾條穀地仔細查看。沿途到處可見由於冰川活動而形成的漂礫、條痕石、U形穀、冰鬥、冰坎等第四紀冰川的遺跡。他一邊講述自己的見解，一邊不停地與他們辯論。在強有力的事實麵前，李四光終於取得了勝利。
李四光在地質學方麵，除了對第四紀冰川問題的研究外，還在古生物學研究上取得了新的進展。通過實地工作，他感到含煤地層的劃分是個重要的問題。地層劃分不清楚，就不可能推知礦產生成的規律。而要解決這一問題，就必須首先研究保存在地層中的古代生物的演變曆史。為此，他采集了不少標本，主要是對石炭二迭紀地層中所含的微生物蜒科化石標本進行研究。
他鑒別出了它們不同科屬，判斷出了它們進化的階段。又根據它們在進化階段上有的比較高級些、有的比較低級些的差別，推斷出了含有這些不同種屬的化石岩層的時代。然後，根據它們現在的分布情況，去考察煤礦分層的規律。
後來，他寫出了一係列蜒科方麵的研究論文，創立了蜒科鑒定的十條標準。1927年，他又將這些成果，進行了進一步的整理和研究，寫成了《中國北部之蜒科》一書，被中國地質調查所作為古生物學專著出版了。
李四光通過對蜒這種海洋古生物的研究，還發現了另一個重大的問題：在同一地質時代裏，華北地區以陸相沉積（曆史上沒有被海水淹過的陸地）為主，間有海相沉積（曆史上地層被海水淹沒過的地區）薄層；華南地區則以海相沉積為主，越往南，海相沉積越厚。這說明了在那個時期海退的現象。
為什麽在同一地質時代，海浸、海退竟有這麽大的差異呢？此後，他立即開始了對這一現象的探索和研究。
他首先否定了當時地質學界流行的一種傳統觀點：地球表麵的海水運動是全球性的，要升都升，要降都降。因為按照這種觀點就無法解釋在同一地質時代裏，北方海退，南方海浸的現象。他再查看地質文獻，發現國外也有類似現象。以北半球為例，南方海浸，北方海退，海水由兩極湧向赤道；而經過若幹時候，又出現相反現象。
1926年，他寫出了《地球表麵形象變遷之主因》的論文，係統闡述了地球自轉速度的變化是引起地球表麵形象變遷的主要原因，提出了推動地殼運動的主要力量是在重力控製下地球自轉的離心力。他認為：“當地球自轉速度加快時，離心力的水平分力就推動海水向赤道方向移動；當地球自轉速度減慢時，離心力減少，作用就相反。”
李四光還認為，這種離心力不僅影響海水的運動，而且影響地殼運動，造成地殼的褶皺、沉降和斷裂……這種把應用力學引入到地質學中，用力學觀點解釋和研究地殼構造和地殼運動規律的科學，就是李四光創立的地質力學。
李四光的地質力學理論，為研究地殼運動問題開辟了新的途徑，它使地質科學的發展進入一個新的階段。1948年2月，李四光夫婦赴倫敦參加第十八屆國際地質學會。鑒於國內的緊張局勢，會議結束後，他沒有立即回國。1949年10月，李四光夫婦回到了大陸，受到了周恩來總理的接見。
1953年，他發表了題為《關於地質構造的三種基本概念》的文章，這是他研究地質力學過程中的一篇重要文獻。1962年初，李四光完成了《地質力學概論》一書，這是他44年實踐經驗的總結，是他在地質力學方麵的代表作，也是地質力學研究史中的一個裏程碑。
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