這年夏天，李四光又在大同西南約20公里的口泉附近發(fā)現(xiàn)了一條東西走向的山谷，長約數(shù)公里，谷身橫切面呈U形。李四光被這一特殊地貌吸引住了。他顧不得烈日當頭，立即走進了神奇的山谷。山谷中散布著片麻巖、片巖、玄武巖和巨大石塊，谷底為砂巖。經(jīng)過仔細觀察后李四光斷定，山谷中散布的這些帶擦痕的巨大石塊和卵石是由冰川造成的，這個山谷是典型的冰川U谷。

李四光把這兩次觀察到的現(xiàn)象作為重要的課題進行研究，撰寫了一篇題為《華北晚近冰川作用的遺跡》的報道，文章完全否定了外國地質權威一貫認為的中國大陸不存在冰川的觀點，引起了國內外地質地理界的廣泛重視和爭論。

1922年，北京大學建校25周年，為了擴大學校的影響和取得社會上的支持，校長蔡元培主張借校慶之機展示一下北大辦校的成績。李四光負責地質部分的展覽工作，他領著學生把各種礦物、巖石、化石標本以及學生的報告、論文等分門別類地展示在地質系的各個教室里。這也是中國首次舉辦的內容豐富多彩的地質科學展覽。從12月開始，北京大學的各個研究所、實驗室、圖書館全部開放，前來參觀的人數(shù)不斷增加，校慶活動搞得簡樸、熱烈又隆重。

1931年夏，李四光以北京大學教授的身份帶領學生到江西的廬山實習。廬山位于長江南岸鄱陽湖邊，山姿挺拔峻秀。李四光根據(jù)廬山的地形，先帶著學生從西南向東北依次考察各個時期地層的分布和構造情況，接著又下到山麓察看了東西兩側斷層造成的峭壁。結合實地觀察，李四光給學生們講解了廬山巍峨屹立的地質原因。他生動形象的講解，在同學們的心中繪出了一幅廬山地質概貌的圖畫。

這一次，李四光還領著學生登上廬山的含鄱嶺。師生們都被眼前美麗的景色吸引住了。李四光環(huán)顧著白云掩映中的一座座青山，突然，他的目光停在了一條山谷里。他尋路下到谷底，發(fā)現(xiàn)這里的山谷非常平緩，而兩側的巖坡卻很陡峭。谷底淡紅色的黏土中夾雜著許多大大小小的石塊和礫石。礫石的表面上隱約還能看到一些模糊的刻痕。這一切都給李四光留下了深深的疑問。這里是不是發(fā)生過冰川呢？李四光又開始思考這個問題。要證實自己的這一理論，就必須找到更確切的證據(jù)。

第二年的暑假，李四光再次來到廬山。他在廬山一住就是3個星期，每天早出晚歸，實地勘察了廬山的每一個山峰和谷地，得到了大量的證據(jù)。暑假結束后，李四光回到研究所，把這次野外調查的資料進行分析整理，最后得出一條結論：廬山在第四紀地質時期，至少經(jīng)過了兩次冰期，最后一次冰期歷時最長。李四光又結合廬山地區(qū)和江南其他地區(qū)的觀察結果，得出了一條非常重要的意見：中國第四紀冰川主要是山谷冰川，只有山谷冰川特別發(fā)育的山區(qū)，才有山麓冰川發(fā)生。這一意見，為以后第四期冰川的研究工作找到了打開第一道奧秘之門的鑰匙。

1936年，李四光又登上黃山進行考察，這一次他有了更大的發(fā)現(xiàn)。他根據(jù)考察的結果寫成《安徽黃山第四紀冰川現(xiàn)象》一文，連同拍攝的照片一同發(fā)表在《中國地質學會志》上，再次引起了國內外地質學界的重視和好評。至此，李四光對中國第四紀冰川地質的研究成果，作為一個范例，得到了地質學界的廣泛承認。