Application of X-ray diffraction to the study of limestone patinas

Abstract
The aim of this study in monumental limestone alteration is to characterize the superficial stone zone called patina where transformation processes due to air and water occur. The patina studied presents four thin coloured layers. It is difficult to separate precisely each layer to prepare powder samples ; therefore X-ray diffraction study has been carried out with bulk samples. This allows us to study the stone in thickness with shifting it in translation. Patina mineralogical composition can be known every 100 µm with a precision of 100 µm on the beam position on the sample. It is difficult to have quantitative results with bulk natural stone sample because of X-ray beam size ; the mineralogical composition is inhomogeneous in the 0.15 to 0.6 mm³ studied and there exist crystallite orientation phenomena. This study has permitted us to differentiate patina as it contains one more mineralogical phase : gypsum.

Résumé
Cette étude sur l'altération d'une pierre calcaire monumentale a pour but de caractériser la zone superficielle appelée patine où des transformations dues à l'air et à l'eau ont lieu. La patine étudiée présente quatre fines couches colorées. Etant difficile de séparer précisément chaque couche pour préparer des poudres, l'étude en diffraction des rayons X a été faite sur des échantillons massifs déplacés en translation. De la patine vers le coeur de la pierre, la composition minéralogique peut être obtenue tous les 100 µm avec une précision de 100 µm sur la position du faisceau sur l'échantillon. Des résultats quantitatifs sont difficiles à obtenir sur ces échantillons massifs naturels en raison de la taille du faisceau de rayons X ; dans les 0.15 à 0.60 mm³ étudiés la composition minéralogique est inhomogène et il y a des phénomènes d'orientation de cristallites. Cette étude nous a permis de différencier la patine par la présence d'une phase supplémentaire dans celle-ci : du gypse.