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 dans l’est de la France, est un cas d’étude intéressant puisqu'il présente des patines apparues pour différentes conditions : certaines semblent s’être formées naturellement alors que d’autres se sont développées sur des pierres ayant été exposées à un incendie. Ces dernières ont connu une élévation de leur température de surface, mais ont surtout été soumises à de grandes quantités d’eau lors de l’intervention des pompiers. Ce travail de thèse vise à mieux comprendre le phénomène de formation des patines en étudiant différents faciès de grès prélevés sur le château de Lunéville et en carrière. Afin d’appréhender l’influence des paramètres intrinsèques aux grès, des faciès patinés et non patinés ont été comparés d’un point de vue pétrophysique, chimique et minéralogique en s’appuyant sur des techniques d’analyse de laboratoire (microscopies optique et électronique avec sonde d’analyse dispersive en énergie, diffraction des rayons X, spectrométrie Raman, mesures de perméabilité, porosité et capillarité, ...), et sur de grands instruments (analyses par émission de rayons X induits par des particules (PIXE) sur l’accélérateur de proton AGLAE, analyses en micro-diffraction des rayons X et micro-spectrométrie d’absorption X (XANES) au synchrotron SOLEIL). En complément de cette caractérisation des blocs de pierre, les patines formées dans différents environnements ont également été comparées afin de dégager les paramètres extrinsèques dominants. Enfin, l’aspect dynamique de la libération du manganèse par les grès a été étudié, d’une part en menant des expériences de dissolution pour plusieurs pH, d’autre part en montrant qu’il était possible de recréer une patine de manganèse en laboratoire, par imbibition d’une éprouvette de grès. Les résultats obtenus permettent 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 / The formation of iron and/or manganese black patina on sandstone buildings is a phenomenon observed for various environments but which is not fully understood yet. The palace of Lunéville, in eastern France, is an interesting example because it has patinas that have developed in different conditions : some seem to have grown naturally while others have appeared on stones which were exposed to a fire. These stones experienced an increase of their surface temperature, but most of all, they were subjected to a substantial volume of water as part of attempts to extinguish the fire. The goal of this thesis is to understand the formation of the patinas by investigating different sandstone facies collected from the palace of Lunéville and from quarry. In order to understand the influence of the sandstones intrinsic parameters, the patinated and unpatinated facies were compared from petrophysical, chemical and mineralogical point of view, using laboratory techniques (optical and electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction, Raman spectrometry, permeability, porosity and capillarity measurements, ...) and large instruments (Particle Induced X-ray Emission (PIXE) on the AGLAE proton accelerator, X-ray micro-diffraction analysis and X-ray absorption micro spectroscopy (XANES) at the SOLEIL synchrotron). In addition to this characterization, patinas coming from different environments were also compared in order to extract the main extrinsic parameters. Finally, the dynamical aspect of the release of manganese from the sandstones was investigated by conducting dissolution experiments at various pH, and by demonstrating the possibility to recreate a Mn patina in laboratory, using sandstone imbibition techniques. The results allow to propose a model for the patina formation based on the dissolution of the Mn-phases initially present in the sandstones’ bulks, followed by the migration through the porous network towards the surface of the ions released in the solution

Le but de ce travail est l'étude de la corrosion du cuivre pur et du cuivre recouvert d'une couche de patine artificielle développée dans une solution de sulfate. Ces études ont été menées dans des solutions contenant des espèces agressives caractéristiques de l'atmosphère de la ville de São Paulo (Brésil), à savoir les ions chlorure, sulfate et ammonium, ajoutés respectivement sous forme de NaCl, Na2SO4 et (NH4)2SO4, afin d'examiner la stabilité de la couche de patine dans ces milieux. Le comportement électrochimique a été caractérisé au moyen de voltammétrie cyclique et par spectroscopie d'impédance électrochimique, tandis que la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage couplé à l'analyse élémentaire EDAX ont été employés pour analyser la composition chimique, structurale et microstructurale des échantillons. La caractérisation électrochimique a été réalisée soit en utilisant des électrodes classiques avec une grande surface de travail, soit en utilisant des techniques de microélectrochimie comme la microélectrode à cavité et la microcellule électrochimique. Les caractérisations microstructurales et chimiques ont révélé une structure bicouche pour la patine artificielle avec une couche externe poreuse composée principalement de brochantite et une couche interne plus compacte composée d'oxyde de cuivre. Cette structure est conforme à celle des patines de sulfate obtenues dans conditions réelles d'expositions extérieures. Les résultats des tests électrochimiques avec les électrodes classiques ont montré que le comportement d'électrode dépendait extrêmement de la composition d'électrolyte et que la solution contenant des ions d'ammonium est la plus agressive tant pour le cuivre nu que pour le cuivre recouvert d'une couche de patine. Les expériences réalisées avec la microcellule ont permis de montrer l'existence de domaines avec des activités électrochimiques très différentes sur la surface patinée, tandis que l'utilisation de la microélectrode de cavité a montré que la patine de cuivre est électrochimiquement active dans les trois électrolytes.

Dans des conditions naturelles d'exposition, les roches présentent divers types d'altération modifiant leur composition initiale. En climat tempéré, elles se dégradent pour former une altérite. En milieu désertique, une patine d'altération se développe. Ces deux phénomènes masquent la composition de la roche-mère et induisent une détermination erronée des faciès lors de leur cartographie par télédétection. Pour le Muscadet Nantais et l'ophiolite d'Oman, l'étude des altérations passe par la comparaison des spectres V-IR des surfaces fraîches et altérées. Pour retirer les effets de rugosité de surfaces propres à chaque échelle d'observation (laboratoire, terrain, aéroportée), une nouvelle normalisation des spectres est proposée. L'étude minéralogique des sols de la région nantaise, par spectrométrie et DRX, a permis de définir des limites de détectabilité des roches de la Nappe de Champtoceaux et des faciès de gabbro du Pallet. Ces résultats ont été testés sur une simulation de campagne aéroportée. La cartographie du Massif du Sumail (Oman) est réalisée grâce à l'étude des spectres des différents faciès et validée par des études pétrologiques et MEB. Les séquences mantellaires et crustales de l'ophiolite sont dissociées sur l'image HyMap. Le calcul des mélanges synthétiques à partir des spectres de terrains a permis de quantifier la couverture de chaque lithologie. La combinaison de ces cartes aboutit à une nouvelle carte géologique. Dans la séquence crustale, elle révèle la présence d'un nouveau bloc présentant une abondance anormale en orthopyroxene.

O objetivo deste trabalho é estudar a corrosão do cobre e do cobre recoberto com pátina artificial de sulfato quando exposto a soluções contendo espécies agressivas tipicamente encontrados na atmosfera da cidade de São Paulo, especificamente Cl-, SO4 2- e NH4 +, adicionados, respectivamente como NaCl, Na2SO4 e (NH4)2SO4, e também investigar a estabilidade da pátina nestes meios. O comportamento eletroquímico for investigado usando a voltametria cíclica e a espectroscopia de impedância eletroquímica, enquanto a espectroscopia Raman a difração de raios-X e MEV/EDS foram utilizadas para obter informações sobre a composição química e microestrutura das amostras. A caracterização eletroquímica foi realizada utilizando eletrodos clássicos com grandes áreas expostas, um microeletrodo com cavidade e uma microcélula eletroquímica. A caracterização microestrutural e química mostrou que a estrutura da pátina era em bicamada composta de uma camada porosa externa principalmente de brocantita e uma camada interna compacta composta de óxido de cobre, o que está de acordo com a microestrutura normalmente encontrada em pátinas de sulfato formadas por exposição exterior. Os resultados dos testes eletroquímicos com os eletrodos clássicos mostraram que o comportamento do eletrodo era extremamente dependente da composição do eletrólito e que a solução contendo íons amônio é a mais agressiva tanto para o eletrodo nu como para a amostra patinada. Os experimentos com a microcélula evidenciaram a existência de domínios com diferentes atividades eletroquímicas na superfície da amostra patinada, enquanto o uso do microeletrodo com cavidade mostrou que a pátina de cobre é eletroquimicamente ativa nos três eletrólitos. / Le but de ce travail est létude de la corrosion du cuivre pur et du cuivre recouvert d\'une couche de patine artificielle développée dans une solution de sulfate. Ces études ont été menées dans des solutions contenant des espèces agressives caractéristiques de l\'atmosphère de la ville de São Paulo (Brésil), à savoir les íons chlorure, sulfate et ammonium, ajoutés respectivement sous forme de NaCl, Na2SO4 et (NH4)2SO4, afin dexaminer la stabilité de la couche de patine dans ces milieux. Le comportement électrochimique a été caractérisé au moyen de voltammétrie cyclique et par spectroscopie d\'impédance électrochimique, tandis que La spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique à balayage couplé à lanalyse élémentaire EDAX ont été employés pour analyser La composition chimique, structurale et microstructurale des échantillons. La caractérisation électrochimique a été réalisée soit en utilisant des électrodes classiques avec une grande surface de travail, soit en utilisant des techniques de microélectrochimie comme la microélectrode à cavité et la microcellule électrochimique. Les caractérisations microstructurales et chimiques ont révélé une structure bicouche pour la patine artificielle avec une couche externe poreuse composée principalement de brochantite et une couche interne plus compacte composée d\'oxyde de cuivre. Cette structure est conforme à celle des patines de sulfate obtenues dans conditions réelles dexpositions extérieures. Les résultats des tests électrochimiques avec les électrodes classiques ont montré que le comportement d\'électrode dépendait extrêmement de la composition d\'électrolyte et que la solution contenant des ions d\'ammonium est la plus agressive tant pour le cuivre nu que pour le cuivre recouvert dune couche de patine. Les expériences réalisées avec la microcellule ont permis de montrer l\'existence de domaines avec des activités électrochimiques très différentes sur la surface patinée, tandis que l\'utilisation de la microélectrode de cavité a montré que la patine de cuivre est électrochimiquement active dans les trois électrolytes.