Étude des mécanismes de formation des patines manganésifères des grès du château de Luneville

  • Doctorant : Laure Gatuingt
  • Ecole Doctorale : Université Paris-Est (UPE) – Sciences, ingénierie et environnement (SIE)
  • Pôle(s) scientifique(s) : Pierre

Sujet et description

Financement : Thèse CIFRE (entreprise FLB) - ANRT

La formation de patines noires riches en fer et/ou manganèse sur les édifices en grès est un phénomène observé pour une grande variété d’environnements, mais qui n’est pas encore totalement compris. Le château de Lunéville, situé en Lorraine, est un cas d’étude intéressant puisqu'il présente des patines apparues sous différentes conditions : certaines semblent s’être formées naturellement alors que d’autres se sont développées sur des pierres ayant été exposées à un incendie.

Cette thèse a pour but d’explorer une problématique d’altération des grès siliceux dont les surfaces sont propices au développement de patines noires insolubles à l’eau, riches en oxydes et parfois en argiles. L’étude s’appuie sur un corpus de grès provenant du château dont les patines, apparues très rapidement après l’incendie dévastateur de 2003, résultent à la fois d’un effet de température à l’origine de contraintes thermiques et d’un apport d’eau considérable lié à l’extinction de l’incendie par les pompiers. La recherche s’attache à mieux comprendre le phénomène de formation des patines en étudiant différents faciès de grès prélevés sur le château de Lunéville et en carrière, mais aussi à la caractérisation chimique et minéralogique des phases porteuses des substances colorées que sont le fer et le manganèse. Leur localisation dans les grès et leur redistribution finale dans la patine ont été comparées afin d’identifier d’éventuelles transformations minérales en lien avec les contraintes thermo-hydriques subies. La nature des oxydes de fer et du manganèse étant sensible à l’évolution du milieu, l’influence des principaux paramètres extrinsèques (température, saturation en eau, pH, durée des interactions solution-minéraux, etc) et des propriétés de transport des grès (transfert capillaire, perméabilité, etc) a été évaluée grâce à un banc dédié à la re-création des patines. Suite aux phases de caractérisation des blocs de pierre, de comparaison de patines formées dans différents environnements et d’étude de l’aspect dynamique de la libération du manganèse par les grès, les résultats obtenus ont permis de proposer un modèle de formation des patines basé sur la dissolution des phases manganésifères initialement présentes dans les grès, puis la migration des ions libérés en solution dans le milieu poreux vers la surface des pierres. La compréhension des facteurs et des cinétiques impliquées dans la libération puis le transfert des éléments ou des particules ont fait émerger des orientations stratégiques pour le traitement durable de ces colorations superficielles inesthétiques.

Direction : Stéphanie ROSSANO (LGE)

Co-direction : Ann BOURGÈS (LRMH), Ronan HÉBERT (Laboratoire Géosciences et Environnement (GEC) - Université de Cergy-Pontoise)

Partenaire : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (GEC) - Université de Cergy-Pontoise

Collaboration : Laboratoire Géomatériaux et Environnement (LGE - UPEM) - Institut des Sciences de la Terre de Grenoble (ISTerre) - Institut des Sciences de la Terre d’Orléans (ISTO)

Co-encadrement : Jean-Didier MERTZ (LRMH), Bruno LANSON (ISTerre) – Olivier ROZENBAUM (ISTO) 

Durée : Novembre 2014 – octobre 2017

Soutenance : 13 décembre 2017