Readout Techniques for Drift and Low Frequency Noise Rejection in Infrared Arrays

Three different methods are presented to subtract thermal drifts and low-frequency noise from the signal of infrared array. The first is dead pixels with open Indium bumps, the second is reference output as implemented on the Hawaii2 multiplexer, and the third is dark pixels to emulate reference cells having a capacity connected to the gate of the unit cell field-effect transistor (FET). The third method is the most effective and yields a reduction in readout noise from15.4–9.4 erms. A novel method will be described to extend this readout technique to the Aladdin 1 K × 1 K InSb array. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

A new method for the generation of second-order random waves

In order to prevent the generation of spurious free sub- and superharmonics of random waves in a laboratory channel, the control signal for the wave board has to be derived according to a higher-order wave theory. An expression for this control signal has been derived with the perturbation method of multiple scales. It is much less complex and requires less computation time than the expressions obtained from the full second-order theory. The new method for second-order subharmonics was verified experimentally for waves with bichromatic and continuous first-order spectra. The data were analysed with the complex-harmonic principal-component analysis to reduce the influence of noise.     

Flow and deposition of pyroclastic granular flows: A type example from the 1975 Ngauruhoe eruption,New Zealand

Small-volume pyroclastic density currents (PDCs) are generated frequently during explosive eruptions with little warning. Assessing their hazard requires a physical understanding of their transport and sedimentation processes which is best achieved by the testing of experimental and numerical models of geophysical mass flows against natural flows and/or deposits. To this end we report on one of the most detailed sedimentological studies ever carried out on a series of pristine small-volume PDC deposits from the 1975 eruption of Ngauruhoe volcano, whose emplacement were also witnessed during eruption. Using high-resolution GPS surveys, a series of lateral excavations across the deposits, and bulk sedimentological analysis we constrained the geomorphology, internal structure and texture of the deposits with respect to laterally varying modes of deposition.     

Untersuchungen zum Stabilitätsbereich von Chloritoid und Staurolith

Zusammenfassung Zur experimentellen Erfassung der natürlichen Bildungsbedingungen von Chloritoid und Staurolith wurde zunächst das Auftreten dieser beiden Minerale in der Natur untersucht. An Hand von chemischen Analysen aus Literaturangaben wurde der Zusammensetzungsbereich chloritoidführender und staurolithf ührender Gesteine ermittelt. Diese weisen im Vergleich zu tonigen und sandigen Sedimenten bzw. deren metamorphen Äquivalenten häufig folgende Unterschiede auf: geringere Alkaligehalte, geringere Ca-Gehalte, geringere Werte für das Verhältnis MgFe, höhere Al-Gehalte. Die Unterschiede sind bei chloritoidführenden Gesteinen größer als bei staurolithführenden Gesteinen. Eine Folge davon ist, daß Staurolith bei der progressiven Metamorphose nicht nur aus chloritoidführenden Paragenesen hervorgeht, sondern auch aus der Paragenese Quarz + Muskovit + Biotit + Chlorit. Die Bildung von Staurolith aus dieser Paragenese, welche in natürlichen Gesteinen der Grünschieferfazies verbreitet vorkommt, bedingt offenbar auch das häufigere Auftreten von Staurolith, verglichen mit Chloritoid.Aus den Naturbeobachtungen ergibt sich, daß chloritoidführende Gesteine überwiegend folgende Paragenese aufweisen: Chloritoid + Quarz + Muskovit + Chlorit±Akzessorien. Almandin und Disthen bzw. Andalusit treten manchmal zusätzlich auf. Einige Minerale, welche häufig bei der Metamorphose toniger und sandiger Sedimente gebildet werden, treten in chloritoidführenden Gesteinen nicht auf. Es sind dies: Stilpnomelan, Kalifeldspat und Albit. Biotit tritt im größten Teil des Stabilitätsbereiches von Chloritoid ebenfalls nicht mit diesem zusammen auf. Das Auftreten dieser Minerale in Gesteinen der Grünschieferfazies kann als Hinweis gewertet werden, daß ein für die Bildung von Chloritoid ungeeigneter Chemismus vorliegt.Staurolithführende Gesteine weisen meist folgende Paragenese auf: Staurolith + Quarz + Muskovit + Biotit + Almandin + Plagioklas±Akzessorien. Disthen, Sillimanit oder Andalusit können zusätzlich auftreten. Dagegen kann das Auftreten von Kalifeldspat und von Cordierit in muskovitführenden Gesteinen der unteren Amphibolitfazies als Hinweis gewertet werden, daß Staurolith infolge eines ungeeigneten Chemismus nicht gebildet wurde.Der Druckbereich, innerhalb dessen Chloritoid nach bisherigen Naturbeobachtungen gebildet wird, reicht von niedrigen Drucken, entsprechend der Kontaktmetamorphose, bis zu hohen Drucken, entsprechend der glaukophanitischen Grünschieferfazies der Regionalmetamorphose. Für Staurolith ist auf Grund von Naturbeobachtungen ein ähnlich großer Druckbereich anzunehmen, welcher von den entsprechenden Drucken der Kontaktmetamorphose bis zu den hohen Drucken der Regionalmetamorphose vom Barrow-Typ reicht. Der Temperaturbereich, innerhalb dessen Chloritoid in den häufigen natürlichen Paragenesen stabil ist, erstreckt sich zumindest über den Bereich der gesamten Grünschieferfazies; Staurolith ist in den häufigen natürlichen Paragenesen zumindest über den unteren Teil der Amphibolitfazies stabil. In natürlichen Gesteinen können viele Mineralreaktionen unter Beteiligung von Chloritoid oder Staurolith ablaufen, häufig dagegen dürften nur wenige von ihnen sein, und zwar: Chlorit + Kaolinit = Chloritoid + Quarz + Wasser Chloritoid + Chlorit + Quarz = Staurolith + Almandin + Wasser Chloritoid + Muskovit = Staurolith + Biotit + Almandin + Wasser Chlorit + Muskovit = Staurolith + Biotit + Quarz + Wasser Staurolith + Muskovit + Quarz = Al- Silikat + Biotit + Wasser Experimentell konnten diese oben angeführten Reaktionen noch nicht vollständig beobachtet werden; weitere Versuche dazu sind im Gange. Dagegen konnte der Ablauf einer Reaktion Chloritoid + Al-Silikat = Staurolith + Quarz + Wasser im Bereich von 4000–8000 Bar bei 545±20° C reversibel nachgewiesen werden. Diese Reaktion wird zwar infolge des Mineralbestands chloritoidführender Gesteine in der Natur relativ selten stattfinden; jedoch ist mit ihrer experimentellen Durchführung erstmalig eine Reaktion unter Beteiligung von Chloritoid und Staurolith nachgewiesen worden, welche in dem von Winkler (1965) angegebenen p, T-Bereich für die Grenze Grünschieferfazies/Amphibolitfazies abläuft. Die Phasengrenze der in der Natur häufiger ablaufenden Reaktion, wobei Staurolith + Biotit gebildet und Chlorit + Muskovit abgebaut werden, dürte nach bisherigen Ergebnissen von zur Zeit laufenden Versuchen ebenfalls in diesem p, T-Bereich liegen. Die Lage der Phasengrenzen dieser Reaktionen stimmt daher gut mit petrographischen Beobachtungen an Gesteinen des Grenzbereiches Grünschieferfazies/Amphibolitfazies überein. Eine weitere Bestätigung der experimentellen Ergebnisse lieferten Untersuchungen von Althaus (1966a, b, c) über die Stabilitätsbereiche von Andalusit, Sillimanit, Disthen und Pyrophyllit. Danach kann Chloritoid stabil zusammen mit Disthen, Andalusit oder Pyrophyllit auftreten, dagegen nicht mit Sillimanit. Diese Schlußfolgerung wird durch die natürlichen Paragenesen bestätigt.Die für die obere Stabilitätsgrenze von Staurolith angegebene Reaktion Staurolith + Quarz = Almandin + Al-Silikat + Wasser (Turner u. Verhoogen, 1960; Winkler, 1965), konnte in der eigenen Untersuchung nicht nachgewiesen werden. Nach Versuchen von Newton (schrift. Mitt., 1966) liegt diese Phasengrenze im Bereich 10000–20000 Bar um 700° C, d.h. in einem Temperaturbereich, welcher bei den eigenen Experimenten nur wenig untersucht wurde. Auf Grund von petrographischen Beobachtungen dürfte jedoch der Abbau von Staurolith in natürlichen Gesteinen meist nach einer anderen Reaktion, nämlich nach der Gleichung Staurolith + Muskovit + Quarz = Al-Silikat + Biotit + Wasser vor sich gehen. Über die Lage der Phasengrenze dieser Reaktion ist noch nichts bekannt.Aus der Untersuchung ergab sich ferner, daß entgegen der Annahme von Winkler (1965) Chloritoid kein geeigneter Indikator für die Druckbedingungen einer Metamorphose ist, da dieses Mineral nur in Gesteinen mit einem speziellen Chemismus auftritt und nach bisherigen Naturbeobachtungen über einen weiten Druckbereich hinweg gebildet werden kann. Aus den gleichen Gründen kann auch Staurolith nicht als geeigneter Druckindikator angesehen werden. Es muß vermutet werden, daß die Bereiche chemischer Gesteinszusammensetzungen innerhalb derer Chloritoid bzw. Staurolith gebildet werden können eine Abhängigkeit von Druck und Temperatur zeigen, und zwar in ähnlicher Weise wie dies nach Chinner (1962) für die Bildung von Almandin zutreffen soll. Diese Bereiche geeigneter Gesteinszusammensetzungen dürften bei relativ niedrigen Drucken beschränkter sein als bei hohen Drucken, und zwar als Folge einer stetigen Änderung des Chemismus koexistierender Minerale mit wechselnden p, T-Bedingungen.

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Compared with the bulk chemical composition of the shales, sandstones and their metamorphic equivalents, chloritoid- and staurolite-bearing rocks have a restricted chemical composition; they are poorer in alkalies and CaO, have comparatively lower MgFe ratio and higher Al₂O₃-content than most of the metamorphic rocks devoid of these two minerals. Further, the bulk composition of the chloritoid bearing-rocks is more restricted than that of the staurolithe-bearing ones. Consequently, in course of a progressive metamorphism, staurolite is produced not only at the cost of the assemblage chloritoid+quartz+muskovite + chlorite but also at the cost of the assemblage quartz+muskovite+biotite+chlorite. This explains why staurolite is more frequent than chloritoid. From empirical petrographical observation it is known that chloritoid and staurolite are found both in contact as well as in regional metamorphic areas. This fact as well as the special bulk composition necessary for their formation make them unsuitable as indicators of pressure acting during the metamorphism.The lower stability limit of chloritoid could not be worked out by hydrothermal experimentation. However the phase transition chloritoid+Al-silicate=staurolite+quartz+water was observed around 545±20° C at pressures between 4000–8000 bars. The reversal of the reaction was also successful. The p, T conditions of this reaction, therefore, compare favourably with the greenschist/amphibolite facies boundary given by Winkler (1965). Tentative results show that another reaction, namely the formation of staurolite in the assemblage chlorite+muskovite+quartz also takes place at the same p, T conditions of that facies boundary. The upper stability limit of staurolite could not yet been established experimentally in our laboratory. Petrographic observations show that in natural assemblages, staurolite breaks down more probably through reactions with muskovite + quartz rather than through the more simple reaction staurolite + quartz to Al-silicate + almandine.

     

The use of riparian vegetated filter strips to reduce river sediment loads: an overestimated control measure?

The spatially distributed soil erosion and sediment delivery model WATEM/SEDEM was used to simulate the impact of riparian vegetated filter strips (RVFSs) on river sediment delivery at different spatial scales. For a field plot with a straight slope, sediment reduction by the RVFSs is comparable to results obtained through experimental set‐ups elsewhere (i.e. >70%). However, at the scale of an entire catchment, sediment reduction is much less (i.e. ±20%) due to (1) overland flow convergence, which reduces the sediment trapping efficiency of an RVFS, and (2) because part of the sediment bypasses the RVFSs through ditches, sewers and road surfaces. These results suggest that, at the catchment scale, RVFSs should be accompanied with other conservation techniques that are more appropriate for reducing river sediment loads, and that also reduce on‐site soil erosion. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Ein stratiformes Fluoritvorkommen im Zechsteindolomit bei Eschwege und Sontra in Hessen

Zusammenfassung Im Hauptdolomit (Ca₂) und im Plattendolomit (Ca₃) des mittleren Zechsteins bei Eschwege und Sontra in Hessen wurde 1974 erstmals Fluorit entdeckt. Durch Bohrungen, chemische und geochemische Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, daß im Hauptdolomit der Fluorit schichtgebunden, gelegentlich in dunklen Lagen und Linsen bis 0,5 m mächtig, makroskopisch sichtbar auftritt. Häufiger kommt er in 18–20 m mächtigen Zonen vor, die aber wegen des geringen Fluoritgehaltes von unter 10 % CaF₂ sich von dem grauweißen Dolomit ohne Fluorit nicht unterscheiden.In den dunklen bis schwarz gefärbten Lagen schwanken die Fluoritgehalte zwischen 10 und 50 % CaF₂. Einzelproben enthalten bis 80 % CaF₂. Die Dunkelfärbung ist teils durch den Gehalt von violettem Fluorit, mehr noch durch Bitumen bedingt.Fluorit wurde ferner im stratigraphisch höher gelegenen Plattendolomit (Ca₃) der Leine-Serie Z3 gefunden. In Aufschlüssen und Steinbrüchen in der Nähe von Sontra enthält der Plattendolomit lokal 1–4 % CaF₂.Die makro- und mikroskopisch sichtbare Wechsellagerung von Fluorit und Dolomit mit einem deutlichen Lagengefüge und das Fehlen von hydrothermalem Fluorit und anderen Mineralien auf Gängen und Klüften sind Beweise für eine synsedimentäre Bildung des Fluorites im Hauptdolomit (Ca₂) und Plattendolomit (Ca₃) in Hessen. Für den Hauptdolomit wird angenommen, daß er spätdiagenetisch entstanden ist. Dies dürfte auch für den Fluorit zutreffen. Als Bildungsbereich werden flache Lagunen mit salinärer Fazies angenommen. Das Fluor stammt aus dem normalen Gehalt des Meerwassers. Es muß aber angenommen werden, daß der Fluorgehalt des Meerwassers durch Zufuhr von Fluor aus dem Festlande, z. B. aus den fluorreichen Graniten des Harzes merklich erhöht wurde. Nur so sind die großen Fluoritmengen im Zechsteindolomit in Hessen zu erklären. Sie werden auf 5–7·10⁶ + CaF₂ geschätzt.

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In 1974, fluorite was detected for the first time in the Hauptdolomit (Ca₂) and in the Plattendolomit (Ca₃) of the Middle Zechsteinformation near Eschwege and Sontra, Hessia. It was confirmed by means of drilling, chemical and geochemical investigations that the fluorite in the Hauptdolomit is stratabound. It occurs both locally in the form of macroscopic dark layers and lenses of up to 0,5 m thickness and moreoften, as zones up to 18–20 m thick which cannot macroscopically be distinguished from the greyish white dolomite without fluorite because of the low CaF₂ content (less than 10 %).The fluorite contents vary between 10 an 50 % CaF₂ in the dark black layers. Special samples may contain up to 80 % CaF₂. The dark colour derives partly from the lilac fluorite but to a greater degree from bitumous material.Fluorite has also been detected in the stratigraphically higher Plattendolomit (Ca₃) of the Leine-Series Z 3. Outcrops and quarries near Sontra have local contents of 1–4 % CaF₂.The macroscopic and microscopic interstratification of fluorite and dolomite with clear layer textures and the absence of hydrothermal fluorite and other minerals in veins of fissures are evidence for a synsedimentary formation of the fluorite in the Hauptdolomit (Ca₂) and the Plattendolomit (Ca₃). The Hauptdolomit is thought to have developed during late diagenesis. This should be valid for the fluorite, too. Shallow lagoons of a salinar facies are thought to have been the depositional environment. The fluorite precipitated from the sea waters, which were apparently enriched in fluorine by erosion at the fluorine rich granites of the Harz mountains. This is the only obvious explanation of the large amounts of fluorine in the Zechstein dolomite, estimated at 5–7×10⁶ tonnes CaF₂.

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Résumé En 1974, de la fluorine fut découverte dans la dolomie dite »Hauptdolomit« (Ca₂) et dans la dolomie dite »Plattendolomit» (Ca₃) du Zechstein moyen, près d'Eschwege et de Sontra, en Hesse. Les sondages effectués ainsi que les analyses chimiques et géochimiques ont montré que la fluorine se rencontre de façon stratiforme dans la »Hauptdolomit«, quelquefois en couches et lentilles foncées d'une épaisseur maximale de 0,5 m, ou elle est visible macroscopiquement. La fluorine est souvent présente en faibles teneurs (moins de 10% de CaF₂) dans des couches de 18 à 20 m d'épaisseur; de ce fait, ces dernières ne se distinguent pas de la dolomie gris-blanche exempte de fluorine.La teneur en fluorine varie de 10 % à 50% de CaF₂ dans les couches foncées à noires. Certains échantillons renferment jusqu'à 80% de CaF₂. La coloration foncée est due en partie à la fluorine violette, mais plus encore à la présence de bitume.De la fluorine fut également localisée dans la »Plattendolomit« (Ca₃) de la »LeineSerie Z 3«, qui est située à un niveau stratigraphique supérieur. Cette »Plattendolomit« telle qu'on la rencontre dans les affleurements et carrières des environs de Sontra, contient de 1–4% de CaF₂.L'alternance de fluorine et de dolomie qui, avec sa structure en couches nettement développées, est visible tant macroscopiquement que microscopiquement, ainsi que l'absence de fluorine hydrothermale et d'autres minéraux dans les filons et cassures, sont considérées comme preuves de la formation syn-sédimentaire de la fluorine dans la »Hauptdolomit« (Ca₂) et dans la »Plattendolomit« (Ca₃) de la Hesse. On suppose que la formation de la »Hauptdolomit« est diagénétique tardive. Cette hypothèse devrait également s'appliquer à la fluorine. Il est probable que ce processus a eu lieu dans les lagunes peu profondes à faciès salin. Le fluor provient de l'eau de mer à teneur normale. On peut cependant supposer que la teneur en fluor de l'eau de mer s'est accrue suite à l'apport de fluor provenant du continent, p.ex. à partir de granites riches en fluor du Harz. C'est seulement ainsi que peuvent s'expliquer les grandes quantités de fluorine de la dolomie du Zechstein, en Hesse. Elles sont évaluées entre 5 et 7 · 10⁶ de CaF₂.

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(Ca₂) (Ca₃) . , , , 0,5 . 18–20 , - — CaF₂ 10% — , . 10 50% CaF₂. 80% CaF₂. , . (Ca₃). 1–4% CaF₂. , , ; , . , Ca₂ . . , . . , ., , . . 5–7 × 10⁶ CaF₂.

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Unserem Lehrer, Herrn Professor Dr. Georg Fischer, München, zum 80. Geburtstag gewidmet.     

Knowledge diffusion from GIScience to other fields: the example of the usage of weighted surface networks in nanotechnology

This article demonstrates how the generalisation of topographic surfaces has been formalised by means of graph theory and how this formalised approach has been integrated into an ISO standard that is employed within nanotechnology. By applying concepts from higher-dimensional calculus and topology, it is shown that Morse functions are those mappings that are ideally suited for the formal characterisation of topographic surfaces. Based on this result, a data structure termed weighted surface network is defined that may be applied for both the characterisation and the generalisation of the topological structure of a topographic surface. Hereafter, the focus is laid on specific issues of the standard ISO 25178-2; within this standard change trees, a data structure similar to weighted surface networks, are applied to portray the topological information of topographic surfaces. Furthermore, an approach termed Wolf pruning is used to simplify the change tree, with this pruning method being equivalent to the graph-theoretic contractions by which weighted surface networks can be simplified. Finally, some practical applications of the standard ISO 25178-2 within nanotechnology are discussed.