В «Геологическом описании 139-го листа», вышедшем в 1889 г., основные черты орографии этой части Урала объясняются им на основе тектонических особенностей территории. В середине 139-го листа господствует простирание горных хребтов с северо-востока на юго-запад, тогда как в западной части оно сменяется на широтное, что объясняется действием тангенциального давления двух типов — в направлении с северо-запада на юго-восток и приблизительно перпендикулярного ему. Первое из них проявлялось интенсивнее и дольше.

Продольные долины, по которым протекают реки в своем верхнем течении, интерпретируются как структуры синклинальные или изоклинальные при отсутствии таковых антиклинального типа. В среднем течении реки текут по поперечным ущельевидным долинам, представляющим собой долины размыва, более древние, чем долины пересекаемых ими горных хребтов, поскольку размывающая деятельность рек шла быстрее горообразовательных процессов. Этим объясняется и то, что главный водораздельный хребет Урала значительно ниже более новых параллельных ему хребтов, пересеченных речными долинами. Речные террасы в нижнем течении рек рассматриваются Ф. Н. Чернышевым как следствие колебаний уровня Каспийского моря.

Э. Перна в своем докладе на заседании Отделения физической географии Русского географического общества отмечал: «„Орографический очерк“ и „Тектоническое описание“ Ф. Н. Чернышева являются как бы одним целым: одно дополняет другое; что высказано в одном, то доказывается и обосновывается в другом. Здесь как нельзя лучше подтверждается тесная связь, существующая между географией и геологией»^[34]. Действительно, во второй половине XIX в. успешно преодолевалась разобщенность этих наук, и геологическая интерпретация географических явлений благотворно сказалась на дальнейшем прогрессе физической географии, чему немало способствовали труды Ф. Н. Чернышева.

Крупные географические результаты были достигнуты Тиманской экспедицией Н. Чернышева, работавшей в течение двух летних сезонов 1889 и 1890 гг. Развернутые Ф. Н. Чернышевым самостоятельные топографические работы дали, кроме необходимых картографических материалов, значительные географические результаты. За два года экспедицией была изучена в географическом и геологическом плане огромная территория. Главные реки района экспедиции были засняты или полуинструментально, или маршрутно. Участник экспедиции академик О. А. Баклунд определил ряд астрономических пунктов, повысивших точность топографической основы. Ф. Н. Чернышевым впервые на основе геологического строения района была объяснена орография Тимана. Большое внимание было уделено новейшим геологическим и геоморфологическим образованиям, в частности вопросам распространения постплиоценовой трансгрессии Северного Ледовитого океана.

Значение Тиманской экспедиции для формирования Ф. Н. Чернышева как выдающегося географа — исследователя Севера хорошо охарактеризовано И. П. Толмачевым: «В докладах своих, которые он сделал по возвращении из экспедиции в стенах общества и в других местах, совершенно ясно проглядывает тот горячо преданный исследованию Севера ученый, каким он являлся позднее. Свой доклад в Географическом обществе об этих экспедициях он заключил знаменательным пожеланием, чтобы Север России перестал быть пасынком науки, чтобы на исследование его было приложено столько же научных сил, сколько их тратится для изучения модной Средней Азии» ^[35].

Географическое изучение Севера России было продолжено Ф. Н. Чернышевым в ,1895 г. во время экспедиции на Новую Землю, где он лично выполнил топографические работы, применив при съемке новый тогда фотограмметрический способ, значительно повысивший качество полученной топографической основы. Ф. Н. Чернышевым было отмечено существенное морфологическое различие между южной частью южного острова Новой Земли и северной его частью, а также северным островом, целиком основанное на геологических различиях территорий. В докладе Географическому обществу Феодосий Николаевич подробно раскрыл позднейшую историю Новой Земли, главные особенности ее географии, рельефа; отметил те поднятия и опускания, которые этот остров испытал в новейшее время, указал и на то, что Маточкин Шар представляет собой, по существу, долину размыва. Ф. Н. Чернышев описал характер оледенения Новой Земли: «Южная ее часть до параллели Безымянной губы лишена глетчеров, но большие пространства тут заняты фирновыми полями неподвижного льда. В области, лежащей к северу и имеющей сильно расчлененный и гористый ландшафт, появляются глетчеры альпийского типа, причем среди этих последних можно различать как глетчеры долинные, так и висячие. К северу от Маточкина Шара мы видим повсюду опускающиеся в долинах могучие глетчеры, о которых уже упоминал в своем описании Гофер. Начиная от Крестовой губы мы вступаем в область сплошного оледенения Новой Земли типа шпицбергенского и гренландского с выступающими лишь спорадически наподобие гренландских нунатак вершинами среди общего покрова фирна и льда и со спускающимися отвесными ледяными стенами (в сильно врезавшихся внутрь страны бухтах) к самому морю» ^[36].

Ф. Н. Чернышев объясняет развитие огромных дельт у сравнительно маломощных новоземельских речек вертикальными колебаниями берегов Новой Земли: «Долины новоземельских речек, наподобие того, как и фиорды, образовались размывом и в главных чертах существовали до эпохи сплошного оледенения Новой Земли. С последовавшим опусканием берегов течение речек, стекавших с гор, было подпружено и образовались дельты. С дальнейшим поднятием Новой Земли, продолжающимся и поднесь, ранее образовавшиеся дельты очутились на высоте несколько десятков метров над современным уровнем моря» ^[37].

При исследовании Новой Земли Ф. Н. Чернышеву пригодились навыки моряка, полученные в годы учебы в Морском училище, поскольку в ходе экспедиции пришлось совершать не только пешие маршруты, но и переходы морем на простом вельботе вдоль западного берега.

Благодаря тщательному изучению материалов и коллекций экспедиции профессора К. И. Гревингка Ф. Н. Чернышеву удалось восполнить пробел в геологии и географии для территории между Тиманом и Новой Землей и нарисовать стройную и последовательную картину геологического и физико-географического строения Севера Европейской России.

Во время Русско-шведской экспедиции на Шпицберген Ф. Н. Чернышев проводил широкую программу астрономо-геодезических, топографических, метеорологических, физико-географических, геологических и палеонтологических исследований. В географическом отношении большое значение имели постоянные магнитные и метеорологические наблюдения, а также работы по изучению северных сияний. В трех местах маршрутами был впервые пересечен Западный Шпицберген, в результате чего было получено много новых данных о совсем неисследованных его областях. В Стурфиорде по указаниям Ф. Н. Чернышева проводились постоянные промеры глубины залива, что позволило получить новые гидрографические сведения. Ф. Н. Чернышев на основе собственных геологических исследований объяснил рельеф архипелага.

В начале 1903 г. Ф. Н. Чернышев совершил экспедицию в Ферганскую область для выяснения причин и последствий землетрясения, происшедшего 3 декабря 1902 г. в г. Андижане. В состав экспедиции входили М. М. Бронников, В. Н. Вебер, А. А. Фаас, К. В. Марков, Б. Я. Корольков. Затем Ф. Н. Чернышев проехал через Алайский хребет, чтобы ознакомиться с последствиями Кашгарского землетрясения (9 августа 1902 г.). Итогом этой экспедиции, кроме геологических исследований, стал доклад Ф. Н. Чернышева на заседании Центральной сейсмической комиссии 20 мая 1903„ г. с предложением об устройстве в Оше, Намангане, Новом Маргелане, Верном и Кашгаре сейсмических станций. Комиссия одобрила это предложение. Высокую оценку этой кратковременной работе Ф. Н. Чернышева в Средней Азии дал В. А. Обручев: «Хотя в многочисленных трудах Ф. Н. имеются лишь три, в заголовках которых названы азиатские местности, имя его не исчезнет из истории научного завоевания Азии» ^[38].