Много внимания уделял Ф. Н. Чернышев изучению верхнепалеозойских отложений, особенно при геологической съемке в 1894 г. юго-восточной части Бахмуто- Славянской котловины, где он работал вместе с Н. Н. Яковлевым. Используя свой опыт по расчленению пермских отложений на Урале и Тимане и знакомство по зарубежной литературе с некоторыми типовыми разрезами, а также опираясь на анализ собранной фауны, он пришел к выводу, что нижняя песчаниковая толща, согласно залеганию на верхнекаменноугольных отложениях в виде непрерывной серии, соответствует в основном пермо-карбону Приуралья и Тимана, верхняя же толща известняков и доломитов — нижней красноцветной толще Востока и Севера Европейской России[33]
. Впоследствии Н. Н. Яковлев, работавший в Донбассе с 1893 по 1897 г., значительно развил и уточнил эти представления.Итогом работ донецкой партии Геолкома, руководимой Ф. Н. Чернышевым, стал очерк геологии Донецкого бассейна, написанный им и Л. И. Лутугиным для путеводителя экскурсий на VII сессии МГК. Эта работа стала первой подлинно научной сводкой по орографии, стратиграфии, тектонике, полезным ископаемым бассейна. Особенно основательным было стратиграфическое описание пород — от древнейших кристаллических и девонских до палеогеновой системы.
Значение этой работы было очень велико. Е. О. Новик отмечает: «Стратиграфическая схема каменноугольных отложений Донецкого бассейна, опубликованная Ф. Н. Чернышевым и Л. И. Лутугиным в 1897 г., является величайшим достижением научной геологической мысли конца XIX в. Как известно, еще в Инструкции по составлению Общей геологической карты Европейской России, выработанной Геологическим комитетом в 1883 г., предлагалось двучленное деление карбона (на нижний и верхний), подобно тому как это принято в Западной Европе. Ф. Н. Чернышев и Л. И. Лутугин смело отбросили этот шаблон и предложили трехчленное деление донецкого карбона, которое сохранилось и до настоящего времени. Ф. Н. Чернышев и Л. И. Лутугин предложили также более дробную стратификацию донецкого карбона и расчленили отделы на свиты, которые и были охарактеризованы палеонтологически и литологически. Такое расчленение давало возможность геологам более точно ориентироваться при изучении каменноугольных отложений в разных районах Донецкого бассейна, сопоставлять их и, главное, давать оценки промышленной угленосности отдельных районов. В качестве основания каждой свиты были приняты известняки, являющиеся прекрасными маркирующими горизонтами»[34]
. Эта работа произвела большое впечатление на участников геологического конгресса. Член Французской Академии А. Годри заявил в связи с этим, что палеозойские отложения Донецкого бассейна так подробно изучены, что каждый геолог, работающий по палеозою, должен был бы ездить сюда учиться[35]. Ф. Н. Чернышев сам давал объяснения участникам конгресса, руководя экскурсией в Донецкий бассейн с 28 августа по 1 сентября 1897 г.В работе Ф. Н. Чернышева и донецкой группы геологов были и просчеты. Так, Ф. Н. Чернышев и Л. И. Лутугин допустили ошибку при расчленении верхнего карбона, приняв лисичанскую свиту за верхнюю свиту среднего карбона, что было обусловлено игнорированием данных Н. И. Лебедева по кальмиусским разрезам. Но эта и некоторые другие ошибки и неточности в стратиграфических выводах не снижают очень высокого уровня исследования в целом.
Первый выпуск пяти планшетов детальной геологической карты Донецкого бассейна был подготовлен к печати в 1899 г. 8 апреля Ф, Н. Чернышев сообщил об этом на заседании Присутствия Геолкома, которое постановило приступить к печатанию карты, поручив Ф. Н. Чернышеву общую редакцию. На этом заседании было принято решение поручить Л. И. Лутугину общее руководство геологическими работами в Донецком бассейне в связи с длительной командировкой Ф. Н. Чернышева в экспедицию на Шпицберген.
Подводя итоги деятельности Ф. Н. Чернышева в Донбассе, отметим наиболее значимые ее результаты.
1. В области стратиграфии безусловной заслугой < Ф. Н. Чернышева следует считать установление в Донецком бассейне девонский отложений, которые до этого отсутствовали на пластовых картах братьев Носовых. Это открытие было сделано и четко сформулировано на основе определения фауны из коллекции В. А. Домгера. Впоследствии оно было подтверждено фаунистическими находками Н. И. Лебедева и киевским профессором-ботаником И. Ф. Шмальгаузеном на основе анализа палеофлоры.
2. Весьма существенное значение для разработки . проблем стратиграфии и геохронологии имело расчленение на палеонтологической основе каменноугольных отложений на три отдела — нижний, средний и верхний, а отделов — на свиты, охарактеризованные литологически и отчасти палеонтологически.
3. Значительными оказались и разработки Ф. Н. Чернышева по расчленению пермских (пермо-карбоновых) осадков, где им также был применен палеонтологический метод, и на этой основе выделены определенные подразделения, а также проведена их параллелизация с аналогичными подразделениями других регионов.