（19～20世紀50年代）
這個時期，世界性的海洋考察活動日益增多，海洋學領域的研究在深度和廣度上都獲得較大發展，並獨立成為壹門學科。這個時期可以分為兩個大的發展階段：“挑戰者”號階段和“流星”號階段。
“挑戰者”號階段通常稱為“挑戰者”號時代，包括整個19世紀。此時海洋科學考察從個體單項發展為綜合性的，海洋學開始逐漸形成。這個階段最重要的事件是英國“挑戰者”號考察，此外還有“前進”號北極海探險等。 從19世紀初到1872年。這時的考察已不同於第壹個時期的航海探險，明確以海洋科學考察為主，但往往以個體單學科的考察為主。較為重要的考察和成果如下：
① 1831～1836年英國“貝格爾”號環球探險。它歷時5年，經歷了大西洋、印度洋和太平洋。英國科學家、生物進化論者C.R.達爾文參加了這次考察。根據這次考察所得的資料，達爾文解釋了珊瑚礁的成因，提出了有關海底運動的論述，並於1859年出版了《物種起源》。這次考察所獲得的資料，由“貝格爾”號船長F.羅伊和達爾文整理編纂成《“貝格爾”號航海報告》（4卷）。
② 1839～1843年英國J.C.羅斯的南極海域探險。羅斯在南緯27°16′、西經17°29′海域測得2425英尋（約4438米）的深度，創造了當時深海測深的記錄。同時，羅斯在南極海域的深海生物取樣中，發現了與J.羅斯數年前在北大西洋發現的同樣的海底生物，從而提出了整個大洋的底層水具有相同特性的結論。J.C.羅斯還發現了南磁極。
③ 1842～1847年，美國海軍上尉M.F.莫裏系統地研究了大洋的風和海流，並根據這些記錄繪制成海圖。於1855年出版了《海洋自然地理學》，為人們提供了第壹部海洋學經典著作。於1854年出版了第壹幅北大西洋海盆的水深圖，為鋪設大西洋海底電纜提供了科學依據。
④ 英國海洋生物學創始人E.福布斯對西歐、南歐、北非等海域的生物進行了多次考察和研究。他按照不同的深度將愛琴海分成8個帶，第壹次提出海洋生物分布的分帶概念；認為深度越大，生物越少，550米以下為無生物帶。1836年，C.G.愛倫貝格發現歐洲大陸的許多巖石中都含有矽藻、海綿和放射蟲等海洋生物殘骸，認為生物大量沈積海底是形成這些沈積巖的原因，指出這樣的沈積物現在還在形成。1860年“鬥犬”號(Bulldog)在從地中海2200米深處打撈上來的電纜上，發現附有大量珊瑚類生物和軟體動物。這壹發現打破了福布斯關於海中550米以下是無生物帶的結論。1868年，英國“閃電”號(Lightening)在設得蘭群島和法羅群島之間海域1100米深處采集了大量的生物。1869～1870年，英國“豪豬”號 (Porcupine)在愛爾蘭西部、比斯開灣和法羅水道壹帶1800～4464米深水處取樣16次，每次取樣都獲得相當多的生物，尤其是采到了被認為是白堊紀以後已經絕種的海膽。1872年C.W.湯姆孫根據“閃電”和“豪豬”號的考察結果，撰寫了當時權威的海洋學著作《深海》。
⑤ 19世紀50年代以後，鋪設海底電纜的工作促進了海洋測深的調查。1856年，鋪設海底電纜專用調查船“阿爾奇克”號在北美東岸和愛爾蘭西岸之間進行了測深，確認了北大西洋中央海脊的存在，並建議沿這條海脊鋪設海底電纜。1857年“獨眼巨人”號、1858和1860年“戈爾崗”號、“鬥犬”號先後在北大西洋進行了測深調查。 在英國皇家學會的支持下，C.W.湯姆孫率領“挑戰者”號於1872年 12月啟航，至1876年5月返航，三年半的時間，***航行12萬多公裏。在太平洋、大西洋、印度洋和南極海數百個站位進行了測深、測溫、采水、取樣、拖網等，采集到大量海洋生物標本、底質標本以及海水樣品。這次航海采集到很多深海珍奇動物標本，包括夏威夷群島北方海域5500米以下的動物，測得太平洋馬裏亞納海溝的深度數據(8180米)。 “挑戰者”號考察不但開創了海洋綜合調查的時代，而且獲得了十分豐富的海洋資料。幾十位科學家潛心研究了20多年才完成考察報告的編寫，***計50卷、29500多頁，為海洋學的建立奠定了堅實的基礎。在海洋生物方面，發現4400多個新種，提供了從表層到海底的海洋動物學知識。在海洋地質方面，重要成果是發現了深海軟泥和紅粘土，並采集到了錳結核。在海洋物理方面，除了調查海流和氣象外，主要成就有：①根據地磁測定的結果，掌握了航海羅盤儀的偏差；②繪制了等深線圖；③發現180多米以下的水溫受季節影響不大，溫度變化極小；④認為大洋底的水溫在大範圍內基本相同，但在不同的海區也顯示出特定的值；⑤確定了島嶼和險巖準確的位置。在海水化學方面，W.迪特馬爾對海水進行了全面的、完整的分析，從理論上證實了J.G.福希哈默爾於1865年提出的不論海水中含鹽量的絕對值大小如何，其各種主要化學成分之間的相對含量是恒定的原理。在挑戰者”號進行觀測以前，壹般都認為深海海水比重很大，投入海裏的重物不會沈入海底。“挑戰者”號考察否定了這壹論點。
“挑戰者”號考察激起了各國海洋考察的熱潮，德國“羚羊”號(1874～1876)、俄國“勇士”號(1886～1889)進行了環球考察，奧地利“極地”號(1890～1898)在紅海和地中海考察，美國“布萊克”號在加勒比海考察（1877～1886），但其中最為著名的是挪威海洋學家F.南森的北極海探險。 1925～1927年，德國流星”號(Meteor)考察船對南大西洋進行了歷時兩年零三個月的調查，這是繼英國“挑戰者”號之後的又壹次劃時代的科學考察。這次考察以海洋物理學為主，采用了各種電子技術和近代科學方法，以觀測精確著稱。它首次應用電子回聲測深儀，獲得了7萬個以上的海洋深度數據；首次清晰地揭示了大洋底部起伏不平的輪廓；揭示了海洋環流和大洋熱量、水量平衡的基本概況。出版了16卷考察報告，包括海底、海洋物理、海洋化學、海洋生物、海洋氣象，以及內波觀測等內容。
1929～1935年和1937～1938年，“流星”號還分別在冰島海域和東北大西洋進行了調查，弄清了極峰帶的復雜海況。通過幾個國家反復的同步調查，清楚地繪制出墨西哥灣流的續流。 為了進壹步研究深海生物，丹麥“鎧甲蝦”號(Galathea)調查船於1950年10月至1952年9月，周航世界進行海洋調查。考察隊在海底取樣時，使用了12000米長的鋼絲繩，從大於10000米深的菲律賓海溝的底質中，采集到大量的活體微生物。1951年 7月，在10190米深的海底石塊上和附近海域采集到白色海葵、美麗的紅蝦、發光魚、水母、沙蠶類動物等，證實在1萬米的深處也棲息著生物；從3400～7200米的深海采集到大量烏黑的魚、青白的海星、海參、蝦、長腿蟹等珍貴生物，還采集到被人們認為早已絕種的活化石”新蝶貝(Neopilina)。根據采集到的樣品，他們發現生活在大於7000米深的超深海動物，與來自於2000～3000米深的海域和大陸坡的動物種不同，能夠適應巨大的水壓。在這次考察中，還首次采用14C法測定海洋生物初級生產力，並測量了深海地磁。 蘇聯“勇士”號太平洋考察 1949～1958年，“勇士”號（Витязь）主要在太平洋考察。“勇士”號在考察中進行了測深，更正了遠東近海和太平洋水深圖，還發現了壹些斷裂帶、海底山脈、海山等。在馬裏亞納海溝發現了世界最深的查林傑海淵為11034米；在千島-勘察加海溝發現了深海淵（10382米）；在考察中取得了40米長的海底柱狀樣品，分析研究了長達1000萬年的地質史；發現了深層水在不斷流動，並在1000～3000米的深度上測量到速度高達30厘米/秒的強大層流；弄清了深海水強烈的垂直混合和數公裏規模的浮遊生物的垂直移動。調查結果表明，在1萬米以深的最深海溝處，也有許多種生物存在。1959年以後，“勇士”號還在印度洋從事考察。 其他考察 在這個階段還有美國卡內基”號、“鸚鵡螺”號、“貝爾德”號、“地平線”號，挪威“莫德”號，德國“高斯”號，丹麥“丹納-Ⅰ”和“丹納-Ⅱ”號，法國“法蘭西人”號和“帕斯”號，英國“發現-Ⅰ”和“發現-Ⅱ”號、“斯科列斯比”號、 “挑戰者-8”號，蘇聯“西比利亞科夫”號和“謝多夫”號破冰船、“羅蒙諾索夫”號、“鄂畢”號等，從事海洋考察活動。 主要成果在海洋考察的基礎上，海洋學研究和理論取得了很多成果。例如，摩納哥阿爾貝大公壹世的《大洋水深圖》（1904），V.W.埃克曼的風海流理論(1905)，A.L.韋格納的“大陸漂移說”(1912),A.霍姆斯的“地幔對流說”(1929) ，W.M.尤因首次進行海洋地震測量(1935)，S.埃克曼發表《海洋動物地理學》(1935)，J.P.雅科布森和M.H.C.克努曾提出海水氯度新定義(1937)，H.H.赫斯發現海底平頂山(1946)，C.E.佐貝爾出版《海洋微生物學》(1946)，H.U.斯韋爾德魯普的大洋環流理論(1947)，H.M.施托梅爾的“西部邊界流理論”(1948)，F.P.謝潑德的《海底地質學》(1948)，W.H.蒙克的“大洋漂流理論”(1950)等。其中斯韋爾德魯普等人撰寫的巨著《海洋》(1942)對這階段的成果作了較全面、深刻的概括。