1  

Potential for dissolution breccia in Paleozoic carbonate units in 

the Rosemont area of the northern Santa Rita Mountains 

 

Jon Spencer, Senior Geologist 

Arizona Geological Survey 

416 W Congress St., #100 

Tucson, AZ 85701 

jon.spencer@azgs.az.gov 

 

Introduction 

The Santa Rita Mountains are a small, rugged mountain range in the Basin and Range tectonic and 

physiographic province of southwestern North America, and are located on the southeast flank of the 

Tucson Basin in southeastern Arizona. The geology of the range is highly complex and lithologically 

diverse, and includes the Rosemont porphyry copper deposit in the northern Santa Rita Mountains (Fig. 

1). The proposed Rosemont mine site includes Paleozoic limestone units that are known at several 

locations in southeastern Arizona to contain caves that were produced by natural dissolution of 

limestone over geologic time. This brief article addresses the potential for cave and karst features in the 

area of the proposed Rosemont mine, and the potential for groundwater flow in caves and dissolution 

breccias in these limestone units. 

Caves and Karst 

The word “karst” refers to “A type of topography that is formed on limestone, gypsum, and other rocks 

by dissolution, and that is characterized by sinkholes, caves, and underground drainage” (Bates and 

Jackson, 1980). Rainwater interacts with carbon dioxide in the atmosphere to produce carbonic acid. 

When slightly acidic rain water falls on limestone or percolates through limestone, it slowly dissolves the 

rock, and can produce underground caves, sinkholes (collapsed underground caves), and dissolution 

breccia (the rubbly remains of dissolved limestone).  Limestone dissolution to produce karst topography 

is especially effective with more pure limestone, such as the Escabrosa Limestone in southeastern 

Arizona, and in high‐rainfall climates, which are more characteristic of other areas such as the 

southeastern U.S. (e.g., Tihansky and Knochenmus, 2001; Brezinski and Reger, 2002; Orndorff and 

Harlow, 2002). 

Groundwater may flow readily through dissolution breccias, especially where caves are present. Some 

dissolution breccias are millions of years old and deep underground. Typically in this situation, 

dissolution is no longer occurring because the deep groundwater is not acidic, and karst topography may 

no longer be present (the dissolution breccia might be referred to as a “paleokarst”). In general , karst 

topography results from active dissolution, while a paleokarst refers to buried karst rubble that formed 

2  

long ago. The Redwall Limestone in the Grand Canyon region contains paleokarst breccia that is 

conducive to high‐volume water flow. 

Regional Setting 

During the Paleozoic Era, Arizona was flat (compared to the modern landscape) and intermittently 

blanketed by limestone and dolomite deposited from seawater. The layered sequence of Paleozoic 

strata, which also includes sandstone and siltstone, was greatly modified by younger faulting and 

igneous activity. Remaining limestone is generally tilted and faulted, and in some cases is severely 

disrupted. Furthermore, some limestone has been altered by hot mineralizing fluids or metamorphosed 

by high temperatures and pressures. 

Three limestone caverns (Colossal Cave, Kartchner Caverns, and Cave of the Bells) are known within 

40km of the Rosemont copper deposit (Fig. 1).  All three are in areas where limestone is complexly 

faulted (Drewes, 1971, 1972; Jagnow, 1999; Richard et al., 2001; Johnson and Ferguson, 2007; Ferguson, 

2009; Ferguson et al., 2009; Brod, 2010). Limestone does not form extensive or obvious karst 

topography in any of these areas, probably because the arid desert environment is not generally 

conducive to dissolution and karst development (Peck et al., 1988).  

Rosemont 

Several Paleozoic limestone units are present along the west side of the area of the planned open‐pit 

Rosemont mine (Fig. 2). These units dip generally eastward beneath the pit area. In the western planned 

pit area, the limestone is intruded by an igneous rock unit (“quartz‐feldspar porphyry” of Johnson and 

Ferguson, 2007). Intrusion of this unit is suspected to be related to the widespread copper 

mineralization that is the target of planned mining. Indeed, such “porphyry” rock units are the reason 

copper deposits like Rosemont are known as “porphyry copper deposits”.  

Prospecting activity in southeastern Arizona was especially active in the late 1800s and early 1900s, and 

has continued to more recent times with greater emphasis on drilling. Prospecting activity in the 

Rosemont area has left a legacy of prospect pits, adits (tunnels), and mine shafts, as well as a network of 

dirt roads (Fig. 3). If caverns produced by limestone dissolution, with surface openings, were present in 

the Rosemont area, it is very likely that prospectors would have found them. Even if such a cavern did 

not have a surface opening, it might have been found by digging, drilling, and road building.  

If karst breccias are present in east‐dipping Paleozoic carbonate units in the Rosemont area, and these 

breccias capture surface and/or shallow groundwater flowing generally eastward down the upper slopes 

of the Santa Rita Mountains, such breccias might have been penetrated by water‐well drillers. If 

penetrated, they likely would have been productive sources of groundwater, with high well yields. 

Furthermore, such breccia zones, continuing down‐dip within the limestone units and into areas of 

sulfide mineralization, would allow shallow groundwater to oxidize and dissolve sulfide minerals at the 

Rosemont copper deposit. If this process is active, sulfate (an anion, or negatively charged ion) and 

perhaps cations (positively charged ions) such as iron, manganese, and copper should be carried from 

the Rosemont sulfide ore body by groundwater, and would be detectible in water wells. Oxidation of the 

3  

sulfide minerals and mobilization of oxidation products would gradually produce a “supergene 

enrichment blanket” including oxide copper minerals that would be a target for drilling and, perhaps, 

mining. This process is natural, is characteristic of porphyry copper deposits in arid regions, and not by 

itself indicative of cave or karst breccias and associated groundwater flow paths. Rather, the process 

could be accelerated by the voluminous water flow possible in subsurface karst breccias, and dissolved 

elements carried farther by groundwater. 

If karst breccias are significant in the subsurface hydrology at Rosement, a long history of mineral and 

water exploration and production would have had a very good chance of revealing these breccias and 

associated hydrology and aqueous geochemistry. Much new information about groundwater quantity 

and quality, and movement of ions produced by dissolution of sulfide minerals, may have been obtained 

by drilling during recent evaluation of the mineral potential of the Rosemont deposit. This report did not 

investigate or access hydrologic or mineral exploration information specifically associated with the 

Rosemont copper deposit. I note only that, if limestone dissolution breccias are present in the 

subsurface, there is a good chance that they have been identified by those engaged in mineral or water 

exploration or production.  

Detection of subsurface karst breccias and caves by geophysical techniques is possible. Primary methods 

are electromagnetic (such as ground‐penetrating radar), seismic, and “potential field” (subtle changes in 

gravity and magnetic fields associated with subsurface voids or conductive materials) (Smith, 2005). 

Seismic techniques are better suited to areas, unlike Rosemont, where host rocks form a layered 

sequence not significantly affected by faulting, tilting, and disruption by intruding igneous rocks (Doll et 

al., 2005). The likely effectiveness of electromagnetic and potential field surveys in detecting subsurface 

karst or caves is not evaluated in this report (see, for example, Smith et al., 2005). Such surveys may 

have been conducted during the course of mineral‐deposit evaluation at Rosemont, but results were not 

evaluated for this report. 

Groundwater depletion at Cave of the Bells 

Cave of the Bells and Onyx Cave are located approximately 10 km south of Rosemont near the crest of 

the Santa Rita Mountains (Fig. 1). The caves are hosted by carbonate rocks within the northwest‐striking 

Sawmill Canyon shear zone (Fig. 4; Brod, 2010). A stalagmite from Cave of the Bells yielded oxygen 

isotopic values that reveal changes in meteoric water composition during the past 75 thousand years 

(Wagner et al., 2010). These oxygen isotope analyses indicate that water entering the cave from above 

consists of meteoric water that retains its rainwater isotopic geochemistry. The water composition is a 

sensitive indicator of meteoric water composition and is not influenced by groundwater. Water table 

decline due to dewatering the proposed Rosemont pit should therefore have no influence on water flow 

through Cave of the Bells.  

Conclusion 

Caves and dissolution features are present at scattered localities in the Escabrosa Limestone and 

associated Paleozoic carbonate units in southeastern Arizona. Paleozoic carbonate units, including the 

Escabrosa Limestone, are exposed at the Rosemont copper deposit, and project in the subsurface to the 

4  

east beneath the proposed pit area (Johnson and Ferguson, 2007). Detailed geologic mapping by 

Johnson and Ferguson (2007) did not identify any caves, but would not necessarily have identified them 

if the openings were small or concealed by vegetation. Much new information obtained by drilling and 

geophysical investigations, done to evaluate the extent and quality of the Rosemont copper deposit, 

should provide a more definitive basis for identifying caves or karst, but was not examined for this 

report. Furthermore, if caves or karst zones extend into the top of the copper deposit, they should be 

conduits groundwater that would be productive for water wells and effective in disseminating sulfate 

and metals following interaction with sulfide minerals. Information about water well productivity and 

quality was not examined for this study.  

References Cited 

Bates, R.L., and Jackson, J.A., eds., 1980, Glossary of geology, 2nd ed., Falls Church, Virginia, American 

Geological Institute, 751 p. 

Brezinski, D.K., and Reger, J.P., 2002, Stratigraphy‐karst rRelationships in the Frederick Valley of 

Maryland, in Kuniansky, E.L., ed., U.S. Geological Survey Karst Interest Group Proceedings, 

Shepherdstown, West Virginia, August 20‐22, 2002: U.S. Geological Survey Water‐Resources 

Investigations Report 02‐4174, p. 59‐65. 

Brod, L.G., Jr., 2010, Geology of selected areas, Sawmill Canyon fault zone, northeast Santa Cruz County, 

Arizona: Arizona Geological Survey Contributed Report CR‐10‐A, 65 p., and six plates. 

Doll, W.E., Carr, B.J., Sheehan, J.R., and Mandell, W.A., 2005, Overview of karst effects and karst 

detection in seismic data from the Oak Ridge Reservation, Tennessee, in Kuniansky, E.L., ed., U.S. 

Geological Survey Karst Interest Group Proceedings, Rapid City, South Dakota, September 12‐15, 

2005: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2005‐5160, p. 20‐28. 

Drewes, H., 1971, Geologic map of the Sahuarita Quadrangle, southeast of Tucson, Pima County, 

Arizona: U.S. Geological Survey Miscellaneous Geologic Investigations Map I‐613, scale 1:48,000. 

Drewes, H., 1972, Structural geology of the Santa Rita Mountains, southeast of Tucson, Arizona: U.S. 

Geological Survey Professional Paper 748, 35 p., with map sheets, scales 1:100,000 (1 sheet) and 

1:12,000 (3 sheets).  

Ferguson, C.A., 2009, Bedrock geologic map of the Empire Ranch 7 ½' Quadrangle, Pima County, Arizona:  

Arizona Geological Survey Digital Geologic Map DGM‐78A, scale 1:24,000. 

Ferguson, C.A., Johnson, B.J., Pearthree, P.A., Spencer, J.E., Shipman, T.C., and Cook, J.P., 2009, Geologic 

map of the Helvetia 7 ½' Quadrangle, Pima County, Arizona:  Arizona Geological Survey Open‐File 

Report 09‐06, version 1.0, scale 1:24,000. 

Jagnow, D.H., 1999, Geology of Kartchner Caverns State Park, Arizona:  Journal of Cave and Karst 

Studies, v. 61(2), p. 49‐58. 

Johnson, B.J., and Ferguson, C.A., 2007, Geologic Map of the Rosemont area, northern Santa Rita 

Mountains, Pima County, Arizona:  Arizona Geological Survey Digital Geologic Map DGM‐59, version 

1.1, layout scale 1:12,000, with 10 p. text.  

Orndorff, R., and Harlow, G.E., Jr., 2002, Hydrogeologic framework on the northern Shenandoah Valley 

carbonate aquifer system, in Kuniansky, E.L., ed., U.S. Geological Survey Karst Interest Group 

5  

Proceedings, Shepherdstown, West Virginia, August 20‐22, 2002: U.S. Geological Survey Water‐

Resources Investigations Report 02‐4174, p. 81‐89. 

Peck, D.L., Troester, J.W., and Moore, J.E., 1988, Karst hydrogeology in the United States of America: 

U.S. Geological Survey Open‐File Report 88‐476, 23 p. 

Richard, S.M., Spencer, J.E., Ferguson, C.A., Youberg, A., 2001, Geologic map of southern part of the Vail 

7 ½' Quadrangle, eastern Pima County, Arizona:  Arizona Geological Survey Digital Geologic Map 

DGM‐12, layout scale 1:24,000, with 29 p. text (revised July, 2002). 

Shipman, T.C., and Ferguson, C.A., 2003, Geologic Map of the McGrew Spring 7½' Quadrangle, Cochise 

County, Arizona: Arizona Geological Survey Digital Geologic Map DGM‐35, 1 sheet, scale 1:24,000. 

Smith, B.D., Gamey, J.T., and Hodges, G., 2005, Review of airborne electromagnetic geophysical surveys 

over karst terrains, in Kuniansky, E.L., ed., U.S. Geological Survey Karst Interest Group Proceedings, 

Rapid City, South Dakota, September 12‐15, 2005: U.S. Geological Survey Scientific Investigations 

Report 2005‐5160, p. 17‐19. 

Smith, D.V., 2005, The state of the art of geophysics and karst: A general literature review, in Kuniansky, 

E.L., ed., U.S. Geological Survey Karst Interest Group Proceedings, Rapid City, South Dakota, 

September 12‐15, 2005: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2005‐5160, p. 10‐16. 

SWCA Environmental Consultants, 2012, Biological Assessment, Rosemont Copper Company Project, 

Santa Rita Mountains, Nogales Ranger District: SWCA Project No. 11204, 194 p. 

Tihansky, A.B., and Knochenmus, L.A., 2001, Karst features and hydrogeology in west‐central Florida – A 

field perspective, in Kuniansky, E.L., ed., U.S. Geological Survey Karst Interest Group Proceedings: 

Water‐Resources Investigations Report 01‐4011, p. 198‐211. 

Wagner, J.D.M., Cole, J.E., Beck, J.W., Patchett, P.J., Henderson, G.M., and Barnett, H.R., 2010, Moisture 

variability in the southwestern United States linked to abrupt glacial climate change: Nature 

Geoscience, v. 3, p. 110‐113; doi: 10.1038/ngeo707 

Westland Resources, 2009, Lesser Long‐nosed Bat Survey of the Rosemont Holdings and Vicinity. Project 

No. 1049.10 330 330A. Prepared for Rosemont Copper Company. Tucson, Arizona: WestLand 

Resources, Inc. March 11. 

   

6  

 

   

7  

 Figure 2. Geologic map of the Rosemont mine area showing outline of proposed open‐pit mine and 

distribute of map units. Paleozoic map units are labeled. The Escabrosa, Horquilla, Colina, and Concha 

limestone units contain less siliceous material and are more likely to be sites of dissolution. TKp: quartz‐

feldspar porphyry. Tg: Gila Conglomerate. Map data from Johnson and Ferguson (2007). Scale is 

indicated by section lines (red) that cross at one‐mile intervals, and UTM lines (gray) that cross at one 

kilometer intervals.  Contour interval is 40 feet. Topographic base map is derived from the USGS 

Helvetia and Empire Ranch 7 ½’ topographic quadrangle maps.  

 

   

8  

 Figure 3. Topographic map of the Rosemont mine area showing primitive roads, prospect pits, adits, and 

shafts identified on the USGS Helvetia and Empire Ranch 7 ½’ topographic quadrangle maps. Also shown 

are Devonian to Permian map units that include limestone units potentially susceptible to dissolution. 

Prospecting and mining activity, and road building, likely would have identified any open caves and, 

potentially, underground caves without surface openings. 

   

9  

  

Figure 4. Location of Cave of the Bells and Onyx Cave within the Sawmill Canyon shear zone.  

Fault slivers of Devonian to Permian carbonate and related units are shown in blue. Thick lines are 

faults. Groundwater movement is likely directed along the shear zone and not toward the Rosemont 

mine site. Geologic map from Drewes (1971).