他在英國利用一切辦法尋找關於中國地質情況的資料，一是自己研究需要，一是為回國後備用。經過廣泛收集資料和精心研究，他撰寫的題為《中國之地質》的畢業論文，博得一致好評，順利獲得自然科學碩士學位。
李四光學成後立即趕回祖國，接受北京大學校長蔡元培之聘，擔任北京大學地質係教授。他堅持理論結合實際，並把考察山河讀“自然書”放在教學首位。他親自率領學生先後在河北省沙河縣及山西大同盆地實習考察，當發現“第四紀冰川”遺跡時，他興奮得跳了起來。
因為長期以來，國際上一直認為“中國無第四紀冰川”。所以，當他親眼發現“第四紀冰川”遺跡時就感到無比興奮。此後，為了進一步獲得證明，他踏遍祖國大江南北，先後考察了太行山的東麓、大同盆地、楊子江流域，他幾上廬山，發現枯嶺西穀的一塊巨石矗立在另一塊巨石之上，並得出廬山是“中國第四紀冰川的典型地區” 的結論。他在考察黃山、九華山、天目山時，又發現了比較典型的冰蝕地形和冰川堆積泥礫剖麵，還在黃山找到了冰磨條痕，他的題為《安徽黃山之第四紀冰川》發表後，一舉推翻了“中國無第四紀冰川” 的錯誤論斷。
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