Геологические исследования берегов Лены были очень важны. Все те, кто проплывал по Лене до Кропоткина, включая П. Г. Меглицкого и А. Ф. Миддендорфа, быстро миновали ленские берега, да еще и в неудобное для геологических работ время года. Мнения Меглицкого и Миддендорфа относительно возраста песчаников, слагающих берега Лены, сильно расходились: первый относил их к геологическому периоду девону, другой — к силуру. Разница в возрасте солидная — сотни миллионов лет.

Решив выяснить истину, Кропоткин начал с добросовестных, очень детальных описаний обнажений пород. Известняки А. Ф. Миддендорф считал более молодыми, чем красноцветные песчаники. Но Кропоткин установил, что это не так — известняки подстилают красноцветы, и они, несомненно, древнее. Обратил он внимание и на новейшие образования Ленской долины, которые помогали выяснить вопрос о ледниковом периоде в Сибири, и на следы обитания первобытного человека по ее берегам. Диапазон интересов, проявившихся у Кропоткина в самом начале Олёкминско-Витимской экспедиции, был очень широк: от петрографии до антропологии. Он регулярно вел метеорологические наблюдения, а кроме того, собирал сведения по этнографии и экономике района. Особенный интерес представляли его наблюдения в области экономической географии. В те времена такой науки еще не существовало, но научные факты, осмысленные Кропоткиным в очерке «Путешествие по Лене», заставляют считать его одним из первых экономико-географических исследований в России середины XIX века.

В последние дни мая вся экспедиция собралась в Крестовской резиденции Ленского товарищества. Здесь был сформирован вьючный караван из полсотни низкорослых якутских лошадей. За восемь суток по таежной тропе было пройдено около трехсот верст через бассейн реки Патом. Кропоткин назвал эту довольно мрачную местность Патомским нагорьем. Горная страна, сложенная известняками, поверх которых были разбросаны явно «инородные» валуны, снова обратила мысль Кропоткина к далекому ледниковому периоду. Он находил немало следов древних ледников в районе приисков, где рабочим приходилось взрывать валуны, мешавшие разрабатывать шахты. Их слагали породы, не встречающиеся в долине и, несомненно, принесенные с далеких гор.

Ни реки, ни морские течения, ни плавучие льдины не могли этого сделать. Только ледники, убежден Кропоткин, древние, уже исчезнувшие ледники, некогда покрывавшие большую часть Восточной Сибири обширным ледяным покровом. В одном из писем брату он ставит важнейший для географии того времени вопрос: «Писал, между прочим, опять о следах ледникового периода, которых я все ищу здесь. Неужели климатические условия Европы и Америки не распространились на Азию?»

Конечно, похолодание, захватившее Европу и Северную Америку, не могло обойти Сибирь. А если так, то ледники высоких местных гор должны были, заполнив горные долины, выйти хотя бы в некоторых местах на предгорные равнины или высокие плато, принеся с собой валуны. Почему в горной стране междуречья Олёкмы и Витима не могло произойти того же, что обнаружил Агассис в Альпах, то есть выход ледников из долин на равнину?

Но чтобы судить о климате прошлого, надо знать современные климатические условия, а о климате Сибири практически не было данных. Но вот Кропоткин узнал, что на Вознесенском прииске его управляющий М. С. Игнатьев на протяжении восьми лет ведет наблюдения температуры воздуха и направления ветра. Склонившись над тетрадями Игнатьева, Кропоткин переписал данные восьмилетних наблюдений, а потом сравнил показания термометра со своим, более точным, ввел поправки и снабдил нового наблюдателя, которым стал местный врач, подробной инструкцией, в которой особое внимание просил обратить на направление ветров и связь с ним температуры воздуха.