Salt Transport, Vaporization-Front Migration, and Cavernous Weathering: Implications for Tafoni and Honeycombs in Porous Rocks

Abstract

Solné zvětrávání představuje významný faktor kavernózního zvětrávání porézních pískovců. Některé vzájemně provázané účinky dynamiky výparu, transportu pórové vody, chemismu solí a mikroklimatické variability však zůstávají v různých klimatických podmínkách nedostatečně popsány. Tato práce propojuje kontrolované experimenty typu wet-pipe s terénním výzkumem distribuce solí v tafoni a voštinových strukturách za účelem vyhodnocení procesů vedoucích k akumulaci solí a granulárnímu rozpadu. V experimentech realizovaných v městském prostředí byly pískovcové jádrové vzorky centimetrových rozměrů hydraulicky propojeny se zásobníky obsahujícími deionizovanou vodu a roztoky NaCl, Na₂SO₄, MgSO₄ a CaCl₂ a vystaveny rozdílné orientaci. Všechny systémy vykazovaly počáteční fázi vysoké intenzity výparu (14-17 mm/den), po níž následoval rychlý pokles a přechod k výparu limitovaného difuzí. Přestože počáteční průběh byl obdobný, v pozdějších fázích se projevily rozdíly podmíněné typem soli. Systémy s NaCl, Na₂SO₄ a MgSO₄ vykazovaly výraznou povrchovou alteraci a granulární rozpad, zatímco CaCl₂ udržoval trvale vysokou povrchovou vlhkost bez výkvětů solí a patrného mechanického poškození. Měřené polohy výparové fronty byly systematicky hlubší než teoretické hodnoty odvozené z výpočtů difuzního toku (Fikův zákon)...

Salt weathering is a major driver of cavernous rock decay in porous sandstones, However, several coupled effects of evaporation dynamics, pore-water transport, salt chemistry, and microclimatic variability remain insufficiently constrained across climatic settings. This study integrates controlled wet-pipe experiments with field investigations of salt distribution in tafoni and honeycombs to evaluate the processes governing salt accumulation in porous rock. In urban-setting cm sized sandstone cores were hydraulically connected to reservoirs containing deionized water, NaCl, Na₂SO₄, MgSO₄, and CaCl₂ solutions and exposed to contrasting orientations. All systems exhibited an initial phase of high evaporation rates (≈ 14-17 mm day⁻¹), followed by rapid attenuation and transition to diffusion-limited evaporation. Despite similar early behavior, salt-specific differences emerged during intermediate and late stages. NaCl, Na₂SO₄, and MgSO₄ systems showed pronounced surface alteration and granular disintegration, whereas CaCl₂ maintained persistently high surface moisture without visible efflorescence and mechanical damage. Measured vaporization-front positions were systematically deeper than theoretical predictions derived from diffusion-based formulations (Ficks law) valid for low-mineralized water. The...