Тектоническая история внешних оболочек Земли охватывает сотни миллионов лет и содержит разнообразные процессы – сжатие с образованием подобных Альпам или Гималаям гигантских горных систем, растяжение с формированием рифтовых впадин в структурах древних континентов, например, как в современной восточной Африке и их дальнейшим развитием в океанические бассейны, смещение тектонических плит вдоль разделяющих их сдвигов. Свидетельства всех тектонических процессов запечатлены в структурах, которые образуют подвергшиеся тектоническим деформациям породы, и в геохимических и изотопных характеристиках осадочных, магматических и метаморфических пород.
Северный Тянь-Шань является уникальной природной лабораторией для изучения тектонических процессов. Хорошая обнаженность позволяет изучать геометрические характеристики различных структур, прежде всего, разломов и складок, и прослеживать их на значительные расстояния. Это позволяет также произвести отбор наиболее информативных образцов для дальнейшего исследования лабораторными методами.
В ходе исследований, проводившихся в 2021 году, основное внимание уделялось восстановлению обстановок, в которых происходило накопление и деформации горных пород Северного Тянь-Шаня. Показано, что на месте современных хребтов Малый Каратау и Таласский Алатау располагался морской бассейн, в который с юга и запада сносились осадки. Бассейн был с крутыми склонами и у их подножья отлагались характерные песчано-глинистые отложения ритмичного строения, называемые турбидитами. Палеотечения были ориентированы вдоль оси этого бассейна, разнося по нему поступавшие осадочные породы. Источниками сноса, поставлявшими обломочный материал для накапливавшихся песчано-глинистых отложений, были обрамлявшие морской бассейн горные массивы. В этих горных массивах обнажались магматические и метаморфические породы, формировавшиеся от архея до неопротерозоя на протяжении 2 миллиардов лет, примерно от 2800 до 800 млн лет. Значительную часть площади занимали самые древние породы, первоначально бывшие магматическими породами, но в дальнейшем неоднократно подвергавшиеся метаморфизму, наиболее интенсивному с возрастом около 2 миллиардов лет, и превратившиеся в гнейсы. В дальнейшем в течение долгого периода времени никаких существенных событий на этой суше не происходило, но около 800-900 млн лет назад резко активизировалась магматическая деятельность, стали внедряться интрузии и изливаться лавы разного состава. Продукты размыва всех этих пород и сохранились в песчаниках, позволив расшифровать историю формирования древних горных систем и бассейна осадконакопления.
К северу от бассейна осадконакопления в течение долгого времени происходили интенсивные тектонические процессы, но продукты размыва формировавшихся горных систем в этот бассейн осадконакопления не поступали. Скорее всего, в то время (около 1000-1100 млн лет назад) они находились на значительном расстоянии от тех пород, которые сейчас слагают хребты Малый Каратау и Таласский Алатау, и приблизились к ним только в результате более молодых тектонических процессов и связанных с ними перемещений тектонических плит. Но на том этапе, около 1000-1100 млн лет назад, в них происходили интенсивные тектонические события, породы подвергались метаморфизму и интенсивным деформациям, которые привели к формированию сложной системы складок и разломов, по которым одни тектонические блоки были надвинуты на другие.