Чуйская долина (впадина) и обрамляющий ее с юга Кыргызский хребет располагаются в пределах каледонской Улутау-Северо-Тяньшанской структурно-фациальной зоны, являющейся своеобразной структурной осью Тянь-Шаня.
На территории Чуйской долины различаются две структурно-геологические части: горное обрамление, сложенное главным образом докембрийско-палеозойскими породами; и собственно долина, имеющая двухчленное строение: докембрийско-палеозойский фундамент и мезо-кайнозойский покров.
Кыргызский хребет в основном сложен докембрийскими и палеозойскими породами, как осадочного, так и эффузивного происхождения. При этом главную роль играет мощная свита метаморфических сланцев, филлитов, хлоритовых, кремнистых, с прослоями песчаников и рассланцованных конгломератов. Склоны Кыргызского хребта, верховья реки Аспара и междуречье рек Кегеты - Ысык-Ата сложены маралайской и тюкской свитами: углистые кварцевые сланцы, карбонатно-хлоритовые, слюдяные гнейсы. Актюзская свита представлена породами эклогитовой и гранулитовой фацией, т.е. мощными (5000-6000 м.) биотитовыми и биотитамфиболовыми парагнейсами, аплитовидными ортогнейсами, мигматитами, эклогитами самого древнего - нижнепротерозойского и архейского возраста. Свита интенсивно дислоцирована в каледонскую эпоху и прорвана огромными батолитами аркозовых гранитов и небольшими жилами порфиров. Большая часть гранитов каледонского возраста и преобладают в Кыргызском хребте. Есть также герцинские интрузии.
Палеозой, в Кыргызском Ала-Too, представлен всеми породами. Выходы кембрийских пород отмечаются западнее перевала Тёо-Ашуу, вдоль оси хребта. Здесь развиты терригеновые - порфириты, песчаники и сланцы.
Ордовик в горном обрамлении обозначен двумя площадями выходов: это междуречье рек Шамши и Аспара к верховью реки Курагаты. Средний ордовик в восточной части - вулканогенно- Карбонатный. В центральной части хребта уже терригенные материалы: песчаники, алевролиты, сланцы с прослойками мраморизованных известняков (карабалтинская свита). Мощность свиты значительная.
Ордовик-силурские гранитоиды образовали Сокулукский, Ала-Арчинский и Ысык-Атинский массивы. В верховьях Мерке и Аспары (Ашмара) внедрились диориты и кварцевые диориты. Кристаллические сланцы и граниты слагают осевую часть Кыргызского хребта.
Силурийские отложения на территории района не были обнаружены, хотя некоторые исследователи считают возможным отнести к нему джарташскую мелкоземистую свиту из глинистых, филлитовых сланцев, алевролитов и др.
Девонские породы встречаются всеми отделами, главным образом в центральной части Кыргызского хребта. Здесь комплекс девонских пород представлен снизу-вверх несколькими свитами (сугандинской, кастекской и др.), состоящая из конгломератов, гравелитов, песчаников и аргиллитов.
Карбон широко развит в данном районе. Состав отложения нижнего карбона терригенный: серые конгломераты, песчаники, алевролиты - мощность их 700 м. (Ибрагимов и др., 1985). Наиболее полный разрез визейских пород установлен в долинах рек Кегеты, Ак-Суу, Кара-Балта, где он сложен серо-зелеными песчаниками, туфами, известняками (100-600м.). Намюрские породы - красноцветные песчаники, алевролиты и др., детально описаны в бассейне реки Кегеты (кегетинская свита, мощность 300м.). Средний и верхний отделы представлены выходом ортокской свиты в долине реки Шамшы.
Пермские отложения в Кыргызском хребте встречаются редко. Это и понятно: в перми Северный Тянь-Шань испытывал геоантиклинальный режим, и осадконакопление происходило лишь в отдельных позднегерцинских наложенных прогибах. Один из таких прогибов располагался в восточной части Кыргызского хребта (долины рек Шамшы, Конорчок, Кокжар-Суу, Ашукольтер), где была сформирована толща из вулканогенно-терригенных пород, мощностью 600-1700 м. (Кнауф, Королев и др., 1972).
Отложения мезозойской системы - триасово-юрская углененосная толща обнаружена на юго-западном борту Чу-Илийских гор, в 10 км. от села Благовещенка.
Палеоген-неогеновые отложения (по С.С.Щульцу) представлены двумя комплексами: киргизским красноцветным (К+Т) и тянынанским орогеническим (N+Q1), расположены в предгорьях (прилавках) Кыргызского хребта. К северу они погружаются под мощные наносы четвертичных осадков. Несмотря на высокую ступень изученности (О.К.Чедия и др., 1973), среди исследователей до сих пор нет единогласия по некоторым узловым вопросам их стратиграфии. Главная причина разногласий кроется в резком фациальном различии наиболее мощного разреза по долине реки Норуз, так называемой серафимовской антиклинали, с разрезами из других частей впадины. В серафимовском разрезе были выделены 6 свит, получивших названия: коктурпакская, кокомеренская, серафимовская, джельдысуйская, сарыагачская, чуйская. В других разрезах на территории впадины в составе красноцветного комплекса выпадают серафимовская, джельдысуйская и сарыагачская свиты, но добавляется шарпылдакская свита, а место кокомеренской занимает кыргызская и объемы разрезов в целом выражаются такой последовательностью свит: коктурпакская, кыргызская, чуйская и шарпылдакская. По Л.И.Турбину (1973) в серафимовском разрезе кыргызская свита расщепляется на 4 свиты (начиная с кокомеренской и выше). По О.К.Чедия и др. (1973), кокомеренская, серафимовская и джельдысуйская свиты являются аналогами кыргызской, а серафимовская - чуйской. Однако, в целом объемы, и главное, датировки свит названными авторами определены убедительно. Выглядит обоснованным выделение сулутерекской и шамшынской свит, первая из которых соответствует коктурпакской, вторая - кыргызской.
В Кыргызском Ала-Too красноцветные глины встречаются всюду, особенно в восточной части в долинах рек Ысык-Ата, Кегеты, Шамшы, Кызыл-Суу и др. В этих отложениях отсутствуют какие-либо валунно-галечные образования, указывающие на горный рельеф. Красноцветные глины образовались на суше в условиях засушливого жаркого климата, более или менее равнинного рельефа, на что указывают их глинистый состав, красный цвет и гипсоносность.
Неогеновые отложения распространены исключительно в предгорьях Кыргызского хребта, где преобладают грубослоистые валунные дислоцированные конгломераты с прослоями глин и песчаников.
Сулутерекская свита (К P2st) залегает в долине реки Сулутерек, левого притока реки Чу на пенепленизированной поверхности докембрийских и палеозойских пород. В узкой прибортовой полосе на севере впадины скважиной зафиксирована пачка розовых, вишнёво-розовых паттумов и суглинков, залегающих согласно на юрских отложениях. Состав ее в южных предгорьях: брекчии, конгломераты, гравелиты, паттуми, суглинки, тюруослоистые породы с линзами, желваками, прослойками гипсов, мергелей, мощность - около 150 м.
Шамшынская свита (РЗ - Nsm) развита в бассейне реки Шамшы. И нижней части свиты преобладают аллювиальные осадки (песчанники, алевролиты и др.), в верхней части - пролювиально-делювиальные (брекчии, конгломерато-брекчии, грубозернистые и грубослоистые песчаники, гравелиты). Окрашены эти породы в розовые, серовато-розовые, серовато-бурые цвета. Мощность - 550м. В пределах серафимовской структуры свита расщепляется на четыре свиты. В их составе присутствуют залежи соли (мирабилита, глауберита, галита), гипсы, известняки, мергели общей мощностью более 3000м.
Чуйская свита (N21-2) обнаружена в бассейне реки Норуз и представлена двумя частями: нижней - мелкоземистой; и верхней - грубообломочной (разногалечные конгломераты, гравийно-песчаные паттуми, песчаники). Окраска палевая, мощность около 800м.
Шарпылдакская свита (N23 - Q21) повсеместно имеет грубообломочный состав и почти везде серую, зеленовато-серую окраску с редкими прослойками буровато-серых и розовато-серых глин. Чуйская свита фиксирует начало горообразовательных процессов, а шарпылдакская — это уже свидетельство интенсивного орогенеза. Мощность свиты — 300-600м.
Четвертичные отложения в Чуйской впадине имеют повсеместное распространение, а в ее горном обрамлении образуют прерывистый покров на палеозойском основании. Их характерной особенностью является часто меняющаяся мощность. Так, в горной части она колеблется от долей метра до нескольких метров, а в пределах впадины увеличивается до сотен метров.
Четвертичные отложения представлены в основном террасированными комплексами, моренами по долинам рек, а также грубообломочными накоплениями различного генезиса во впадине (аллювиальные, пролювиальные, флювиогляциальные, делювиальные и др.). Изучение четвертичных отложений представляет большой практический интерес, так как с ним тесно связано формирование аккумулятивного рельефа долины, наиболее благоприятного для развития земледелия.
На межведомственном совещании по изучению четвертичного периода, состоявшемся в Ташкенте в 1961 году, была утверждена стратиграфическая схема четвертичных отложений Средней Азии и Южного Казахстана, составной частью которой является схема П.Г.Григоренко (1961) для Чуйской впадины. Согласно этой схеме, четвертичные отложения подразделены на четыре комплекса.
Нижнечетвертичные комплексы отложения (Q1) сохранились только в виде небольших останков на вершинах наиболее высоких плосковерхих горных гряд и представлены валунно-галечниками, галечниками и гравийниками, перекрытыми чехлом лессовидных суглинков, мощностью 40м.
Среднечетвертичные отложения (QII) в Чуйской долине представлены двумя комплексами:
а) нижний комплекс (QH1) оиарчинский,
б) верхний комплекс (QII2) афлатунский
Породы онарчинского комплекса слагают наиболее высокие террасы, соответствующие им морены и пролювиальные отложения (чередование валунно-галечников и песчаником, мощностью до 30 м.) встречаются относительно небольшими участками на террасах третьего этажа у выхода из гор рек Сокулук, Джыламыш, Аламюдюн, Норуз. Широко распространены пролювиальные отложения, представленные в основании валунно-галичинками и скоплением щебня с линзами песка, перекрытого лессовидными суглинками и супесями.
Среднеплейстоценовые морены, мощностью 150-300м., встречаются по ущельям всех крупных рек на высотах 1900-3000 м.
Верхний афлатунский комплекс расположен на отложениях нижнего комплекса и представлен нижними террасами третьего этажа. Аллювиальные отложения развиты во всех горных долинах, в нижней части разреза залегают валунно-галечники, в верхней - лёссовидные суглинки.
Аллювиально-пролювиалиьные отложения (галечники, суглинки и пески с лёссовидным покровом) распространены небольшими участками при выходе речных долин из гор. Пролювиальные отложения слагают большие пространства конусов выноса и сплошного шлейфа предгорий равнинной части Чуйской впадины. Нижняя часть разреза состоит из сероцветных валунно-галечников, верхняя - из палевых лёссовидных пород.
Верхнечетвертичные отложения в Чуйской впадине занимают обширные пространства террас второго этажа и представлены нижним, средним и верхним комплексами. Они отвечают эпохе кыргызского оледенения. Нижний комплекс (QIII1), аламудунский, включает аккумулятивные чехлы террас и конусы выноса верхних частей второго этажа и объединяет морены первой стадии (аксайской) стадии кыргызского оледенения. В горном обрамлении они вложены в среднечетвертичные отложения. Аллювиально-пролювиальные породы встречаются в тех местах, где небольшие русла рек пересекают конусы и представлены щебнисто-галечными и cyглинистыми накоплениями мощностью до 15 м.
Пролювиальные отложения, обнажаясь в области предгорий, покрыты в Чуйской впадине более молодыми образованиями. Они широко распространены и вскрываются на глубине 100-150 м.
Нижняя часть разрезами сложена серыми валунно-галечниками и гравийниками, верхняя часть - лессовидными породами. Мощность пролювия колеблется от 10 до 80 м.
Ледниковые отложения представлены моренами первой стадии кыргызского оледенения и встречаются в восточной части северного склона Кыргызского хребта на высотах 2000-3000 м.
Средний комплекс верхнечетвертичных отложений (QIII2), беловодский, включает аккумулятивные чехлы террас, конусов выноса второго этажа и объединяет морены второй (туркестанской) стадии кыргызского оледенения. Очень широко распространены аллювиальные отложения, они слагают террасы среднего яруса второго этажа. Нижняя часть разреза представлена полимиктовыми валунно-галечниками с прослоями гравия, верхняя - палевыми лессовидными суглинками.
Аллювиально-пролювиальные отложения занимают около 70% площади Чуйской впадины и имеют двухчленное строение. Нижняя часть разрезов представлена валунно-галечниками, которые с удалением от гор замещаются песчано-гравийными, а затем, песчано-суглинистыми осадками; верхняя - лессовидными отложениями, в которых встречаются погребенные почвы. Мощность аллювиально-пролювиальных отложений 8 - 72 м.
Ледниковые отложения в виде морен второй стадии кыргызского оледенения встречаются на высоте 2200-3500 м.
Верхний комплекс верхнечетвертичных отложений (QIII3), камышановский, включает аккумулятивные чехлы террас и конусов выноса верхнего яруса второго этажа и объединяет морены третьей стадии кыргызского оледенения. Аллювиальные отложения слагают террасы нижнего яруса второго этажа. Нижняя часть представлена песчано-галечными, верхняя - песчано-глинистыми отложениями. Аллювиально-пролювиальные отложения развиты только в местах выходов рек из горной части. Пролювиальные отложения встречаются изолированно на конусах выноса. Нижняя часть разреза состоит из валунно-галечников, а верхняя - из лессовидных суглинков.
Современные отложения (QIV) объединяют отложения террас и конусов выноса первого этажа современного оледенения и соответствующие склоновые и эоловые накопления.
Аллювиальные отложения из валунно-галечников с песчаным заполнителем и небольшим слоем суглинка и супеси в верхней части слагают пойменные террасы. Эоловые отложения широко распространены только в северной части Чуйской впадины, в районе аэропорта “Манас”. Они состоят из серого разнозернистого песка и формируют бугристо-грядовый рельеф.
Детальные геолого-геоморфологичексие исследования, проведенные в Чуйской и Иссык-Кульской впадинах К.Е.Абдрахматовым и А.К.Трофимовым (1983), позволили уточнить и дополнить схему стратиграфии четвертичных отложений Чуйской впадины.