从1921年到1926年，李四光在北京大学地质系，除教学以外，主要就是研究一种叫做“蜓科”的化石，经过数年的研究，于1927年出版了《中国北部之蜓科》一书，并于同年获得英国伯明翰大学授予的科学博士学位。他在蜓科化石的研究方面，作出了杰出的贡献，享有崇高的国际声誉。
蜓科动物，最初出现于中石炭纪（距今约300百万年以前）之初，到二叠纪（距今290百万年以前）为全盛时期，到古生代末（距今230百万年以前）灭亡。它形体很小，最小的体长不过2毫米，大者体长不过5毫米。形象地说，它只有一颗米粒至黄豆粒那么大，形状很像纺纱用的纺锤，因此日本人称纺锤虫。这种微体古生物出现的时间短促，但地理分布很广泛，所以成为划分地质年代的标准化石。
怎样利用蜓科化石来划分地质年代呢？例如，某个地层的石灰岩中，发现了体态很小、只有1毫米大的、而且内部构造又很简单的蜓科化石，就可把含这种化石的地层划分为较老的石炭纪（距今300百万年以前），如果发现某地层的岩石中，含有形体较大，而内部构造又比较复杂的蜓科化石，就可把含这种化石的地层划分为较新的二叠纪（距今270百万—230百万年以前）。
李四光研究蜓科化石的动机，是想弄清楚中国煤矿资源的分布情况。而地质史上最重要的成煤时期是在距今230百万—300百万年以前的石炭二叠纪。当时国内外地学界，对这一段含煤地层的时代问题，一直争论不休。蜓是代表这个时代的一种标准化石。所以，当他发现研究蜓科化石的意义之后，就抓住不放，夜以继日地研究它。
在我国古代，人们称纺纱用的纺锤为筳。因此，李四光就把这种筳状的微体古生物叫做“蜓”。是他在“筳”字旁边加了一个“虫”字，意思是筳状之虫。“蜓”字是李四光所创。
蜓科化石形体微小，用肉眼观察时，只能粗略地看出橄榄形的外壳，要弄清它的内部构造，只有把它放在岩石切片机上横切或竖切，然后再放在金刚沙盘上磨成0.03毫米厚，磨好后放在显微镜下放大，才能看清楚。
在蜓科化石薄片制作室里，磨薄片的工人师傅是李四光的好助手，磨片工用金刚石切刀将蜓科化石切成薄片，再放到细金刚砂磨盘上，精心研磨。当磨到一定程度时，李四光又成了工人师傅的助手，他一会儿放在显微镜下看一看，不够薄，又再磨一磨，最后磨成一张纸那么薄时，光线就可以透射过薄片了。这时蜓的内部构造才显得清晰了。然后才能作进一步的研究。
一个夏天的晚上，李四光和工人师傅磨制蜓科化石薄片到深夜。天气闷热，汗如雨下。他们两手是泥，满脸也是泥。他们自带冷馒头，肚子饿了就啃上几口，一直到干完为止。李夫人许淑彬在家已经等急了，她不放心，不知出了什么事，一股抱怨情绪油然而生。午夜时分，李四光骑车回家来了，他脸上白一道黑一道的，沾满了泥浆。李夫人知道这是磨片的痕迹，知道他已劳累一天了，又忍不住好笑而心疼起来。
在漫长的研究日子里，他研究了大量的蜓科化石薄片。在显微镜下，他看到了蜓的各种各样的内部构造。它们虽然都是大大小小的蜂窝状的小格子，但排列的疏密不一样，隔挡的长短不同，形式也都不一样。根据这些特征，从而鉴别出它们不同的种属，判断出进化的阶段，分出较低级与较高级阶段的蜓科，由此再进一步推断出含不同种属蜓科化石的时代，划分出石炭纪和二叠纪地层，寻找石炭纪含煤地层的分布规律。
由于李四光的潜心研究和科学论证，解决了我国北部含煤地区石炭纪地层的划分问题，也解决了北美石炭纪地层的划分问题，在国内外产生了巨大的影响。
在研究的基础上，李四光写出了《中国北部之蜓科》论文。他把这篇论文送往英国包尔敦老师处，请他修改指正。包尔敦老师读完后，连声赞好，认为有创见。于是，推荐到伯明翰大学，建议授予李四光博士学位。学校召集专家教授们开会审查了这篇论文，结论是很有价值，决定授予博士学位。当时李四光在国内工作，不能前去领取文凭，如果请人代领博士文凭，得花18英镑，买一套博士服和帽子穿戴上才行。李四光认为：文凭这玩意儿我不要，我做研究工作不是为了名。还是李夫人汇去了18英镑的外汇，请人代领了这个文凭，后来寄到中国来的。
李四光在研究蜓科化石时，特别是利用蜓科化石对地层进行划分，与国外标准地层对比时，他发现在距今300百万—230百万年以前的石炭二叠纪时期，中国的北方和南方的古地理环境不一样。此时的华北地区，以陆地环境为主，当时的沉积物主要是河流、湖泊形成的，其中海洋环境所占比例很少；而在华南地区，则以海洋环境为主，越往南方，海洋沉积物越厚。这个现象说明，在石炭二叠纪时期，中国的南方是海洋环境，而中国的北方都是陆地环境。也就是说，从当时中国的地势来说，是北高南低，北方在海平面以上，而南方却是被海水淹没的环境。
为什么会形成南方和北方地势上的明显差异呢？为了揭开南北差异这个奥秘，李四光查阅了大量的内外地质文献，了解世界上其他地区当时的古地理环境，并把各地当时的地理环境拿来同中国的南北方进行对比，结果，他终于得到了新的认识。
过去，地质学家认为，大陆上海水面的上升或下降运动，是具有全球性的。而李四光研究认为，大陆上海水面的上升或下降，不能完全归结于这种全球运动，可能还有一种运动，这就是海水从赤道向两极方向的运动，或者是海水从两极向赤道方向的运动。
李四光设想，海水发生这种具有方向性的运动，是由于地球的自转速度的变化产生的。如果在漫长的地质年代里，地球自转速度由快变慢，那么赤道及其附近的海水就会向两极方向运动；如果，地球自转速度由慢变快，两极的海水则会向赤道方向运动。
现代科学证明：地球自转速度的变化，在漫长的地质历史上，曾多次发生。例如，近2000年来，地球自转累计减慢2小时左右。地球自转速度的变化比较复杂，经过长期研究，有以下几种情况。
3—5年的周期变化：研究发现，地球自转速度在3—5年内有突然减慢的变化。每当发生这种变化时，地球上的固体、液体和气体就像刹车一样，因惯性作用而向前冲。从而使约占地球2/3的海洋中的海水，呈由西向东运动和由赤道向两极方向运动的态势，使赤道及附近地区发生海退，而两极地区则产生海侵现象。
60年的周期性变化：近一个世纪以来，地球自转速度发生着以60年为周期的变化。据统计，20世纪初，地球自转最慢，30—40年代，自转速度加快；60年代后期至70年代初期，自转速度又减慢；80—90年代，自转速度又加快，按这个规律推测，21世纪初期，地球自转速度又将变慢。
李四光在20世纪20年代就提出了“大陆车阀”自动控制地球自转速度的理论。地球上的物质就像前进着的车上的人一样，当车骤然减速时，由于惯性作用而向前冲；当车骤然加速时，车上的人则向后仰，无论减速或是加速，都会产生“前拥后挤”的作用。
这些研究，不仅解答了从蜓科化石的分布所引起的古地理环境问题，而实际上这正是李四光创建地质力学的开始。
20世纪初期，许多地质学家对地壳运动的起源看法是，以垂直运动为主，局部的水平运动是由于垂直运动所引起的。他们认为，由于地球逐渐失热或其他原因而发生收缩，好像是一个“干缩的苹果”，以致海洋部分显著下沉。另一派主张地壳运动以水平运动为主。
当时，在这两派中，地壳的垂直运动居于正统地位，后一派属于新起的学说。李四光在1926年5月3日的中国地质学会第四次年会上，作了《地球表面形象变迁之主因》的演讲，他批评了传统学派，同时给新学派以很高的评价，称它是“革命性理论”，“是不可忽视的宝贵财富”。
