Побывав в долинах Западного Китая, подробно исследовав район Кульджи, Мушкетов отправился к южному склону сверкающего льдами Джунгарского Алатау.
Здесь уместно сказать, что путешественник, выяснив историю образования Тянь-Шаня, определил положение его хребтов, разделил на главные горные цепи.
Джунгарский Алатау был самым северным звеном великой цепи Тянь-Шаня. На юго-западе его высился Алтын-Эмельский хребет. Здесь Мушкетов пересек Тянь-Шань. Исследователь был первым геологом, открывшим в Джунгарском Алатау медно-свинцовые руды, каменный уголь, жилы железного блеска в гранитных толщах. Эти открытия Мушкетова впоследствии были подтверждены работами советских геологов, после чего здесь началась добыча полиметаллических руд.
В конце 1875 года неутомимый путешественник приехал в Петербург, и вскоре Географическое общество слушало его доклад. Мушкетов знакомил ученых со своими гениальными воззрениями на геологическую историю Тянь-Шаня. Вслед за тем вышел в свет его «Краткий очерк геологического путешествия по Туркестану в 1875 году с картою Кульджинского района и таблицами». А ученый тем временем уже готовил новый труд — «О вулканах Центральной Азии».
В 1876 году знаменитый геолог поехал на Урал, где занялся изучением золотоносных жил исполинской Кочкарской системы, пронизанной золотом, алмазами и аметистами. (Впоследствии в Кочкаре действовало свыше 400 золотых приисков!)
Но покорителя Тянь-Шаня вновь тянуло в Центральную Азию. В 1877–1878 годах состоялся поединок русского ученого с такими авторитетами, как Гумбольдт, Гордон, Шау и другие. Речь шла о подлинном положении хребтов Памира, Алая и других высочайших гор.
Ущелье и трудный перевал за Маргеланом, долина Кок-су, стены Заалайского хребта… Пройдя этот хребет по ущелью, Мушкетов поднялся на перевал и вскоре оказался на «Крыше мира». На Памире в первый раз пришлось быть недолго. Исследователь вернулся в Алай и двинулся к озеру Кара-куль. На Памир он вышел вновь у берегов угрюмого озера, лежащего в оправе из ископаемого льда на высоте в 12 400 футов.
Через Алай Мушкетов прошел на Ош, откуда направился к Ферганскому хребту и пересек его. Теперь исследователь мог делать выводы о строении Памира и его северной ограды. В Фергане и на Алае он нашел медные руды.
В 1878 году Мушкетов вновь побывал в пределах Западного Китая, перейдя горы за русским укреплением Иркештам, он спустился в долину реки Кызыл-Су (на ее берегах стоит город Кашгар). Затем вернувшись в русские владения, исследователь достиг берегов озера Чатыр-куль, где высились горы южного окончания Ферганского хребта и те самые лжевулканы, о которых сообщал калькуттский геолог Ф. Столичка. В этом походе И. В. Мушкетов провел важные исследования на стыке Алайского и Ферганского хребтов.
Прошел год, и Мушкетов покинул горы, чтобы принять участие и изысканиях Средне-Азиатской железной дороги. Ученый получил возможность исследовать пески Каракумской пустыни и Кызылкум.
Его одинаково увлекли плита из нефрита, которую он видел на гробнице Тамерлана в Самарканде, границы древнего Арало-Каспийского бассейна, летучие пески Туранской низменности, старое русло Амударьи.
Выясняя происхождение величайшего нефритового монолита, он успевал в то же время определить значение эоловых образований или особенности распространения лёсса в Туркестане. Он уже знал, что пустыня Каракумы, или Туркменская впадина, представляет собою «площадь опускания», что хребет Копет-Даг служит мощной природной оградой от наступления песков. Как на раскрытой ладони, он показывал устройство поверхности Закаспийской области или аметистовых кладовых Кочкара. Все это было плодами неустанных наблюдений, накапливания точных сведений и вдохновенного обобщения данных, приобретенных ценою упорного труда, скитаний и лишений.
В 1880 году этот неутомимый человек прошел по склонам исполинского Зеравшанского ледника. Мушкетов сравнивал ледник с огромным стволом, от которого отходят две сверкающие ветви — в сторону Туркестанского и Гиссарского хребтов. Подвергаясь огромной опасности при восхождении на ледник, Мушкетов любовался открытым им громадным водопадом.
В том же году путешественнику была присуждена высшая награда Русского географического общества — Константиновская медаль. В оценке трудов Мушкетова говорилось, что его исследования охватили «почти всю нагорную часть Туркестанского края, начиная с Джунгарского Алатау и Кульджи до Северного Памира, Гиссара и северной границы Афганистана, также большую часть Бухарского ханства и пустынь Каракумы и Кызылкум». Он открывал новые страны и углублялся в их недра.