Докембрий и палеозой Тургайского бассейна
К докембрию условно отнесен комплекс глубокометаморфизованных пород, встреченных в обнажениях по р. Ишим в восточном обрамлении прогиба, а также в западном борту Кдрашиликской впадины. Они представлены гнейсами, амфиболитами, метаморфическими сланцами, филлитами, мраморизованными известняками.
Нерасчлененные отложения верхнего протерозоя и кембрия — сланцы, кварциты, эффузивы — встречаются вдоль западного борта Савинковско-Кызылтальской впадины и в обнажениях по р. Ишим к югу от пос. Есиль.
Нерасчлененные отложения нижнего палеозоя выделяются также в значительной мере условно. Сюда отнесена толща метаморфизованных песчаников, алевролитов, филлитов, чередующихся с диабазами, порфиритами и их туфами в северной и восточной частях бассейна.
Кембрийские отложения установлены пока лишь в восточном обрамлении прогиба и прилегающих к нему участках. Среди них наиболее распространены отложения нижнего кембрия, встречающиеся в Улутавском и Кокчетавском антиклинориях. Они представлены полимиктовыми песчаниками, конгломератами и кварц-хлорит-сертицитовыми сланцами.
Ордовикские отложения развиты в районе месторождения Жаныспай. Это зеленокаменные диабазы, микропорфириты и их туфы, зеленые глинистые и черные кремнистые сланцы, филлиты.
Отложения нижнего и среднего девона условно выделяются Е. А. Мазиной по восточному борту впадины Жаныспай, где они сложены породами эффузивно-осадочной серии мощностью около 400 м.
Нерасчлененные отложения среднего и верхнего девона встречаются в обнажениях по р. Ишим северо-восточнее месторождения Жаныспай, а также в восточном борту впадины Мхатовского месторождения. Представлены они конгломератами, песчаниками, алевролитами, имеющими преимущественно красную или пеструю окраску. Мощность не установлена.
Отложения верхнего девона — нижнего карбона распространены в юго-восточной части бассейна и вдоль восточного борта Мхатовской впадины и представлены известняками и доломитами мощностью 300—400 м, содержащими скопления полужидкого битума. В известняках встречаются редкие остатки верхнедевонских брахиопод.
Карбон по площади бассейна представлен образованиями нижнего отдела. Только по восточному борту прогиба условно выделяются небольшие площади развития нерасчлененных образований среднего и верхнего карбона. По комплексу фауны брахиопод, кораллов, мшанок и микрофауне устанавливаются отложения нижнего турне, верхнего турне — нижнего визе и среднего—верхнего визе—намюра. Осадки верхнего турне — нижнего визе широко распространены среди пород фундамента бассейна. Ими сложены Тюнтюгурская и Ишимская грабен-синклинали. Представлены они карбонатными, глинисто-карбонатными и глинистыми породами мощностью 1000—1200 м. В районе оз. Кушмурун (Убаган) в этой толще встречены желтовато-серые мергели и известково-глинистые сланцы с остатками мшанок. Из темносерых битуминозных известняков, определены богатая фауна брахиопод и микрофауна. Наиболее полный, палеонтологически охарактеризованный разрез среднего—верхнего визе и намюра получен структурной скв. 100, заложенной в 7 км севернее пос. Новонежинка. 1000-метровая толща, пройденная этой скважиной, сложена известняками и доломитами, чередующимися в верхней части разреза с известковистыми песчаниками, алевролитами, глинистыми и известково-глинистыми сланцами. Внизу присутствуют прослои ангидритовой породы и эффузивов. Из этих пород С.Н. Гусевой определены верхневизейские брахиоподы, а А.С. Поспеловой выделен богатый комплекс микрофауны, отвечающий верхнему визе — нижнему намюру.
Нерасчлененные отложения среднего и верхнего карбона известны как владимировская свита. Они встречаются на востоке бассейна в обнажениях по р. Ишим. Е.А. Мазина выделяет осадки этой свиты по восточному борту впадины Савинковского месторождения. Они представлены красноцветными конгломератами, разными по зернистости и пестрыми по окраске песчаниками, алевролитами, аргиллитами и голубовато-серыми известняками.
Пермские пестроцветные песчано-глинистые отложения известны в восточном обрамлении прогиба, где они подразделяются на кайрактинскую (P1), кийминскую (P1) и шоптыкольскую (P2) свиты.
Пермские образования собственно Тургайского прогиба представлены иными фациями. Изучены они очень слабо. В последнее время появились данные о находках спор и пыльцы пермского облика из осадочных пород красноцветных эффузивно-осадочных серий Кустанайского грабен-синклинория. Так, из красно-бурых аргиллитов, встреченных скважинами вблизи пос. Валерьяновского и на Сарбайском месторождении магнетитов, А.И. Степаненко был выделен споровопыльцевой комплекс, который, по данным А.А. Любер, свидетельствует о пермском возрасте пестроцветов.
Региональное изучение красноцветных эффузивно-осадочных образований верхнего палеозоя — нижнего мезозоя в Тургайском прогибе позволило М.В. Буниной сделать вывод о широком распространении в Тургайском прогибе пермских отложений, которые сохранились в Kaзанбасском, Кустанайском, Тюнтюгурском и Аманкарагайском грабенах. Она выделяет две пермские красноцветные эффузивно-осадочные толщи: нижнюю, или придорожную, и верхнюю, или кызылжарскую, отличающиеся составом эффузивов. Каждая из красноцветных толщ, начинаясь мощной (от 300 до 1000 м) пачкой конгломератов, заканчивается алевролитами и аргиллитами, представляя полный цикл седиментации. Кызылжарская толща залегает с размывом на придорожной (разрез по р. Тобол).