Flow directions in ash-flow tuffs: a comparison of geological and magnetic susceptibility measurements, Tshirege member (upper Bandelier Tuff), Valles caldera, New Mexico, USA

This study concludes that the elongation axis (K ₁) of the ellipsoid of anisotropic magnetic susceptibility (AMS) is a suitable proxy for flow axis in ashflow tuffs. 153 oriented samples (176 specimens) were studied from 18 sites in the 1.1 Ma Tshirege member of the Bandelier Tuff. These sites are distributed around the Valles caldera at distances of 5–25 km outside of the rim.K ₁ axes correlate well with postulated radial flow axes at 13 sites.K ₁ also agrees with measured geological flow indicators, mainly imbricated larger clasts, at 7 sites. At 2 of the 5 sites where significant disagreement is seen between theoretical radial flow directions and measuredK ₁ axes, theK ₁ axes correspond well with geological flow indicators, indicating that the divergence of flow from the predicted radial flow pattern is real. Two major topographic buttresses are suggested as the cause of flow divergence for the Tshirege ash flows: the San Pedro buttress northwest of the caldera, and the San Miguel buttress in the southeast. In situK ₁ axes plunge about 7° toward the source at two-thirds of the sites; therefore the plunge ofK ₁ is a plausible in situ indicator for thedirection of flow. Multiple flow zones in sections of several meters thickness indicate changes of flow direction that are both rapid and large during ash-flow emplacement. These observations raisre the question of how best to represent mean flow directions in ash-flow sheets: by eigenvector methods, by vector-sum methods, or by modes. A method for measuring imbrication of larger clasts using apparent dips in vertical joints is outlined. Imbrication, determined in this way at one-third of the sites, dips toward the source, i.e., up-flow. The minimum (K ₃) axis of the AMS ellipsoid correlates with the flow foliation rather than with the larger clast imbrication. The flow axes of ash flows correspond with theK ₁ axes, not with the declination ofK ₃ axes as suggested by some authors. Initial dip of the sampled ash flows is not large and does not affect the paleomagnetic remanence direction, which is reversed with a mean ofD=173.5°,I=-38.4°, ₉₅=3.4°N=18. This mean is not different at the 95% confidence level from that of earlier workers. The mean pole, at 098.0°E, 74.8°N,A ₉₅=3.3°,N=18, is about 15° far-sided relative to the expected time-averaged geomagnetic pole, suggesting a history of emplacement too short to adequately average secular variation.     

Natural recolonization of a productive tropical pond: Day to day variations in the photosynthetic parameters

Chlorophyll pigments (CHL), primary productivity (PP) and particulate nitrogen (N_p) in relation to several environmental factors were monitored during planktonic colonization of an aquaculture pond (Layo, Côte d'Ivoire). How interactions between the organisms are established in an initially azoic environment were investigated. From March, 15 (D1) to March, 31 (D16), the system transformation went through three stages. First, a precolonization by heterotrophic microbial community from D1 to D2 (N_p < 1 m maximum at D2: 243 mg m^–2; CHL around 0). Then, a pioneer microalgal community developped from D3 to D7 (maximum CHL on D6: 19 mg m^–2; PP: 1.0 g C m^–2 d^–1) with a significant contribution of picoplankton (CHL and PP < 3 m: 33 and 23% of the total, respectively). Finally, a second microalgal colonization was noticed from D9 to D12 (maximum CHL: 55 mg m^–2, PP: 2.8 g C m^–2 d^–1), largely dominated by nanoplankton (CHL and PP > 3 m: 95 and 99% of the total, respectively). Overall, photosynthetic activity appeared to be closely linked to algal biomass. The study of autotrophic biomass and activity in different size classes in relation to the other parameters allowed us to precise the origin of the biomass fluctuations. The first bloom appeared to be controlled by selective grazing on small algae. The second algal development ended when N requirement represented at least 69% of N supply (in the N — NH₄ form). This control was enhanced by the appearance of rotifers, leading to a more complex equilibrium.     

Transfer factors of contamination between the German Bight and its tributary waters derived from measured tritium and Cs-137 activity concentrations

Summary Evaluation of the results of radioactivity monitoring in the southern North Sea between 1977 and 1987 has shown that in the water of the German Bight three areas stand out due to their different ratios between salinity and concentration of dissolved Cs-137 and tritium. While salinity steadily increases with greater distance from the coast, the Cs-137 concentration above 34 PSU (Practical Salinity Unit) increases sharply and shows how far water from the western and central North Sea, contaminated by nuclear reprocessing in Sellafield (Irish Sea), reaches into the German Bight. In the 34 to 32.5 PSU range, the influence can be seen of water contaminated by tritium originating in the rivers Rhein, Maas and Schelde, precipitation and the nuclear reprocessing plant at La Hague (Channel). Below 32.5 PSU, the influence of the influx from the rivers Elbe, Weser and Ems becomes apparent. These rivers are less contaminated with tritium.Assuming that Cs-137 and tritium, like the salinity of sea water, behave conservatively and that the decay-time of these two isotopes is long compared with the time-scale of water exchange in the southern North Sea, the concentration values measured are used to calculate the structure of the water masses in the three areas of the German Bight mentioned above using the mixing principle. Evaporation is taken into account. Results show that beyond 34 PSU, about half the sea water originates in the western central North Sea while the other half comes from the Channel. Below 34 PSU, the first mentioned share amounts only to a few per cent. Results also show that fresh water from the Rhein delta and precipitation, increasing with a decrease in salinity from 34 to 32.5 PSU, accounts for a maximum of 5% each. The fresh water influx into the German Bight via the rivers Elbe, Weser and Ems amounts to app. 11% when the PSU value reaches 29. The calculated portions are the mean values for the observation period. The number of measurements available makes it impossible to distinguish more exactly between the temporal and spatial variability of the amounts of the individual components.The quantity of each calculated portion of sea water also represents the transfer factor of concentration between the nuclide concentration in the source (e. g. the Rhein) and the concentration in the German Bight. In addition, these factors are used to calculate the transfer factors of discharge using the annual drainage rates of the sources. Thus a radioactive discharge rate of 10¹⁵ Bq per year into the Rhein would produce a mean activity concentration of 0.34 Bq/l in the German Bight (at a salinity of 33.5 PSU). To verify the calculated transfer factors, tritium concentrations in the German Bight are derived from existing environmental tritium data and the results are compared with the values actually measured.

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Transferkaktoren zwischen der Deutschen Bucht und ihren Zuflüssen abgeleitet aus der Tritium- und Cs-137-Aktivitätskonzentration in den beteiligten Gewässern

Zusammenfassung Eine zusammenhängende Auswertung der Meßergebnisse der Radioaktivitätsüberwachung in der südlichen Nordsee über den Zeitraum 1977 bis 1987 hat gezeigt, daß im Wasser der Deutschen Bucht deutlich drei durch den Salzgehalt des Meerwassers und die Konzentration der gelösten Radionuklide charakterisierte Bereiche zu unterscheiden sind.Während der Salzgehalt mit wachsender Entfernung von der Küste stetig zunimmt, steigt die Cs-137-Konzentration oberhalb 34 PSU (Practical Salinity Unit) sprunghaft an und signalisiert die Grenze, bis zu der das durch die Kernbrennstoff-Wiederaufarbeitung in Sellafield (Irische See) kontaminierte Meerwasser der westlichen und mittleren Nordsee in die Deutsche Bucht vordringt. Im Bereich 34 bis 32,5 PSU ist das von Westen zugeführte, stärker Tritium-kontaminierte Wasser aus Rhein, Maas, Schelde und atmosphärischem Niederschlag zu erkennen, an das sich unterhalb 32,5 PSU der geringer mit Tritum kontaminierte Zufluß aus Elbe, Weser und Ems anschließt.Davon ausgehend, daß sich Cs-137 und Tritium wie der Salzgehalt im Meerwasser konservativ verhalten und daß weiterhin die Halbwertzeit des radioaktiven Zerfalls dieser beiden Nuklide lang ist gegenüber den Wasseraustauschzeiten im betrachteten Meeresgebiet, wurden die in der südlichen Nordsee gemessenen sowie aus der Literatur für den Süßwasserbereich entnommenen Konzentrationswerte dazu genutzt, um rechnerisch mit Hilfe des Mischungsgesetzes den Wassermassenaufbau in den drei genannten Salinitätsbereichen in der Deutschen Bucht quantitativ zu bestimmen. Es zeigte sich, daß oberhalb von 34 PSU das Meerwasser aus etwa gleichen Teilen aus der westlichen/mittleren Nordsee und dem Kanal stammt, während unterhalb dieser Salzgehaltsgrenze nur noch mit wenigen Prozentanteilen Wasser aus der mittleren Nordsee zu finden ist. Ferner ergab sich, daß das aus dem Rheinmündungsbiet bzw, aus dem atmosphärischen Niederschlag stammende Süßwasser — mit sinkendem Salzgehalt steigend — bei 32,5 PSU einen maximalen Anteil von jeweils 5% an Meerwasser hat. Der direkte Süßwasserzufluß aus Elbe, Weser und Ems beträgt in die Deutsche Bucht bei 29 PSU ca. 11%.Die berechneten Anteile sind Mittelwerte über den gesamten Beobachtungszeitraum; die Anzahl der Messungen läßt eine genauere Unterscheidung in zeitliche und räumliche Variabilität der Zusammensetzung nicht zu.Die Größe des jeweils bestimmten Anteils am Meerwasser stellt gleichzeitig den Transferfaktor der Konzentration zwischen der Nuklidkonzentration im Ursprungsgewässer (z. B. dem Rhein) und der sich daraus einstellenden Konzentration in der Deutschen Bucht dar. Ferner wurden die Transferfaktoren der Konzentration in Verbindung mit aus der Literatur entnommenen Größen der jährlichen Abflußmengen der Ursprungsgewässer genutzt, um auch die Transferfaktoren der jährlichen Einbringung zu ermitteln. So ergibt die jährliche Einbringung von 10¹⁵ Bq eines Nuklides z. B. in den Rhein bei 33,5 PSU in der Deutschen Bucht eine mittlere Konzentration von 0,34 Bq/l.Als Anwendungsbeispiel und zur Überprüfung der Richtigkeit der Transferfaktoren wird die Auswertung des Tritiumauslasses bei La Hague auf die Deutsche Bucht berechnet und mit den gemessenen Werten verglichen.

     

High pressure experimental calibration of the olivine-orthopyroxene-spinel oxygen geobarometer: implications for the oxidation state of the upper mantle

Synthetic spinel harzburgite and lherzolite assemblages were equilibrated between 1040 and 1300° C and 0.3 to 2.7 GPa, under controlled oxygen fugacity (f _{O 2}). f _{O 2} was buffered with conventional and open double-capsule techniques, using the Fe−FeO, WC-WO₂-C, Ni−NiO, and Fe₃O₄−Fe₂O₃ buffers, and graphite, olivine, and PdAg alloys as sample containers. Experiments were carried out in a piston-cylinder apparatus under fluid-excess conditions. Within the P-T-X range of the experiments, the redox ratio Fe³⁺/ΣFe in spinel is a linear function of f _{O 2} (0.02 at IW, 0.1 at WCO, 0.25 at NNO, and 0.75 at MH). It is independent of temperature at given Δlog(f _{O 2}), but decreases slightly with increasing Cr content in spinel. The Fe³⁺/ΣFe ratio falls with increasing pressure at given Δlog(f _{O 2}), consistent with a pressure correction based on partial molar volume data. At a specific temperature, degree of melting and bulk composition, the Cr/(Cr+Al) ratio of a spinel rises with increasing f _{O 2}. A linear least-squares fit to the experimental data gives the semi-empirical oxygen barometer in terms of divergence from the fayalite-magnetite-quartz (FMQ) buffer:

The effect of bulk rock composition on the stability of amphibole in the upper mantle: Implications for solidus positions and mantle metasomatism

Summary The stability of pargasitic amphibole in the upper mantle is a function of water content and bulk rock composition, and under water-undersaturated conditions, the stability of amphibole controls the solidus position. Experiments in the system Tinaquillo peridotite +0.2% H₂O, a refractory peridotite under water-undersaturated conditions, show that amphibole is stable to 1030°C and 26 kb. In contrast, pargasitic amphibole is stable to 1150°C and 30 kb in Hawaiian pyrolite, a more fertile peridotite composition. This indicates that under water-undersaturated conditions, the most fertile part of a crystallizing mantle diapir with an inhomogeneous composition will solidify first while a more refractory component will contain an alkali-rich melt which will have the ability to metasomatize adjacent regions. The relative stabilities of amphibole in refractory and fertile bulk compositions may result in increasing rather than diminishing chemical contrasts in high temperature lherzolite, i.e. a process of metamorphic differentiation. Ti, Fe, Al and Na metasomatism can therefore be considered a normal occurrence associated with the upward migration and solidification of an H₂O-bearing mantle diapir.

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Der Einfluß der Gesamtgesteins-Zusammensetzung auf die Stabilität von Amphibol im oberen Mantel: Bedeutung für Solidus-Positionen und Mantel-Metasomatose

Zusammenfassung Die Stabilität pargasitischer Amphibole im oberen Mantel ist eine Funktion von Wassergehalt und Gesamtgesteins-Zusammensetzung. Unter wasser-untersättigten Bedingungen, kontrolliert die Stabilität von Amphibol die Solidus-Position. Experimente in dem System Tinaquillo Peridotit +0,2% H₂O, einem refraktären Peridotit unter wasser-untersättigten Bedingungen, zeigen daß Amphibol bis 1030°C und 26 Kb stabil ist. Im Gegensatz dazu ist pargasitische Hornblende in einem Hawaii-Pyrolit, von mehr fertiler Peridotit-Zuammensetzung, bis 1150°C und 30 Kb stabil. Das zeigt, daß bei wasser-untersättigten Bedingungen der am meisten produktive Teil eines kristallisierenden Mantel-Diapirs mit inhomogener Zusammensetzung sich zuerst verfestigen wird, während eine mehr refraktäre Komponente eine alkali-reiche Schmelze enthalten wird, die wiederum die Fähigkeit hat, umliegende Bereiche metasomatisch zu beeinflussen. Die relativen Stabilitäten von Amphibol in refraktären und fertilen Gesamtzusammensetzungen können dazu führen, daß die chemischen Gegensätze in Hochtemperaturlherzoliten eher zunehmen als abnehmen, d. h. ein Prozeß metamorpher Differentiation. Ti, Fe, Al und Na Metasomatose können deshalb als ein verbreiteter Vorgang, der mit der Aufwärtsbewegung und Verfestigung eines H₂O-führenden Mantel-Diapirs assoziiert ist, betrachtet werden.

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With 4 Figures     

Littoral '92

Reports

Littoral '92     

Geochemistry of Gneiss-Granulite transformation in the “incipient charnockite” zones of southern India

Summary Upper amphibolite facies gneisses in the southern Indian Shield show local transformation into veins, clots and patches of orthopyroxene-bearing dry granulites (incipient charnockites). Depending upon the protolith composition, these desiccated zones are classified into ortho- and para-charnockites and have developed within rocks of distinct mineralogy and chemistry at different time intervals through the structurally-controlled influx of carbon dioxide-rich fluids. Our geochemical investigations at five critical quarry sections indicate that the incipient charnockites have undepleted chemistry and very low K/Rb values. In the paracharnockite localities, where granulite formation is characterized by consumption of garnet, biotite and quartz to produce orthopyroxene, loss of Rb and Ba and enrichment of Ti are observed. In contrast, the orthocharnockite localities show marked LILE enrichment with gain of K, Rb and Ba and loss of CaO, suggesting extensive replacement of plagioclase in the gneisses by K-feldspar in the charnockite through K-Na-Ca exchange reactions with influxing carbonic fluids. The marked depletion in Fe, Mg, Ti and P in these rocks correlates with progressive dissolution of hornblende, biotite, magnetite and accessory apatite. Our study indicates that gneiss to granulite transformation, even if on a local scale, is not an isochemical phenomenon, but attended by distinct element mobilities, although they are contrastingly different from the geochemical trends in some regional high grade terrains.

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Geochemie von Gneiss-Granulit-Übergängen in den Incipient Charnockite Zonen von Süd-Indien

Zusammenfassung Gneise der oberen Amphibolit-Fazies im Südteil des Indischen Schildes zeigen lokal Umwandlungen in Adern, and unregelmäßigen Bereichen von orthopyroxen-führenden trockenen Granuliten (Incipient Charnockites). In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Ausgangsgesteins werden diese Zonen in Ortho- und Paracharnockite eingeteilt. Sie entwickelten sich in Gesteinen von charakteristischer mineralogischer und chemischer Zusammensetzung zu verschiedenen Zeit-Intervallen durch die tektonisch kontrollierte Zufuhr von kohlendioxid-reichen Fluiden. Unsere geochemischen Untersuchungen an fünf strategisch ausgewählten Steinbruchen zeigen, daß die Incipient Charnockite eine nicht verarmte chemische Zusammensetzung und sehr niedrige K/Rb Werte haben. In den Paracharnockit-Lokalitäten, wo Granulitbildung charakterisiert wird durch das Verschwinden von Granat, Biotit und Quartz, aus denen Orthopyroxene gebildet werden, ist Verlust von Rb und Ba und Anreicherung an Ti zu beobachten. Im Gegensatz dazu zeigen die Orthocharnockite eindeutige LILE Anreicherung mit Zunahme von K, Rb, und Ba und Verlust von Ca0. Dies weist auf extensiven Ersatz von Plagioklas in den Gneisen durch K-Feldspat in den Charnockiten durch K-Na-Ca Austausch-Reaktionen mit zugeführten C0₂-Fluiden hin. Die deutliche Verarmung an Fe, Mg, Ti und P in diesen Gesteinen wird mit zunehmender Auflösung von Hornblende, Biotit, Magnetit und akzessorischem Apatit erKlärt. Unsere Untersuchungen zeigen, daß die Gneis-Granulit Transformation auch im lokalen Maßstab nicht ein isochemisches Phänomen ist, sondern durch charakteristische Elementtransporte charakterisiert wird. Diese unterscheiden sich jedoch deutlich von den geochemischen Trends, die in einigen regional-metamorphen high grade terrains zu beobachten sind.[/p]

     

The structural state of the former lower continental crust in Calabria (S. Italy)

In the Northern Serre (S. Italy), a continuous section through a former lower continental crust is exposed (Schenk 1984, 1985). These granulite facies rocks have not been penetratively deformed during their uplift to higher crustal levels. Therefore, they allow to study the structural state of the lower continental crust. Most rockforming minerals, among them ortho- and clinopyroxene and cordierite, show recrystallization structures. Quarz basal subgrain boundaries are developed in lower levels of the lower crust and disappear toward higher levels. In addition to dimensional orientations of the rockforming minerals, the preferred crystallographic orientations of plagioclases, cordierite, amphibole, pyroxenes and, rarely, quartz reflect the strain orientation of the prograde high-T deformation. During this deformation, the stretching direction was constant NNE-SSW throughout the exposed lower crustal section. Shear indicators are rare. This points to the fact that deformation has been homogeneous and coaxial flattening. There is only a small variation in orientation and strength of textures throughout the exposed lower crust. Therefore, neighbouring layers of different composition rather than different deformation might serve as seismic reflectors in the former lower crust.

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Zusammenfassung In der nördlichen Serre (Süditalien) ist ein zusammenhängender Bereich einer ehemaligen kontinentalen Unterkruste aufgeschlossen (Schenk 1984, 1985). Diese granulitfaziellen Gesteine sind bei ihrem Aufstieg in höhere Krustenbereiche nicht durchgreifend überprägt worden. Deshalb läßt sich an ihnen noch der strukturelle Zustand der ehemaligen Unterkruste studieren. Außer in Feldspäten, Quarz und Amphibol tritt auch in Ortho- und Klinopyroxen und in Cordierit Rekristallisation auf. In tieferen Krustenniveaus sind im Quarz basisparallele Subkorngrenzen entwickelt, die in höheren Krustenbereichen nicht auftreten. Sowohl die Gestaltregelungen der gesteinsbildenden Minerale als auch die kristallographischen Plagioklas-, Cordierit-, Amphibol-, Pyroxen- und (seltener) Quarzregelungen spiegeln die Strain-orientierung der prograden hochtemperierten Deformation wider. Während dieser Deformation blieb die Streckung im gesamten Unterkrustenbereich konstant NNE-SSW orientiert. Scherindikatoren sind selten. Beides deutet darauf hin, daß die Deformation homogen und als koachsiale Plättung abgelaufen ist. Im gesamten aufgeschlossenen Unterkrustenbereich variieren weder Intensität noch Orientierung der kristallographischen und gestaltlichen Regelungen der gesteinsbildenden Minerale wesentlich. Deshalb sollten in der ehemaligen Unterkruste Lagen unterschiedlicher Deformation weniger als seismische Reflektoren in Frage kommen als Lagen unterschiedlicher Zusammensetzung.

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Résumé Le Massif de la Serre Septentrionale en Calabre (Sud de l'Italie) représente un tronçon d'une ancienne croûte continentale profonde (Schenk 1984, 1985). Les roches du faciès granulite qui le constituent n'ont pas subi de déformation penetrative lors de leur ascension dans les niveaux plus superficiels de la croûte. Leur étude permet donc de reconstruire les caractéristiques structurales de l'ancienne croûte profonde. Non seulement les feldspaths, le quartz et l'amphibole, mais encore l'orthopyroxène, le clinopyroxène et la cordiérite ont recristallisé. Dans les niveaux les plus profonds de la croûte on observe dans les cristaux de quartz des bordures de sous-grains parallèles à la base. Celles-ci n'apparaissent plus dans les niveaux plus superficiels. L'orientation des cristaux des minéraux constitutifs des roches, de même que l'orientation des réseaux cristallins du plagioclase, de la cordiérite, de l'amphibole, du pyroxène et (mais plus rarement) du quartz réflètent la direction de contrainte de la phase de déformation prograde de haute température. Pendant cette phase de déformation, la direction d'extension est demeurée NNE-SSW. Les témoins de cisaillement sont rares, ce qui montre que la déformation s'est effectuée de façon homogène, en relation avec un aplatissement coaxial. Les textures varient très peu en orientation comme en intensité dans toute la coupe de croûte profonde exposée. En conséquence, l'existence de réflecteurs sismiques devrait refléter des différences dans les compositions minéralogiques des roches plutôt que dans leurs caractéristiques structurales.

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Serre (Schenk, 1984, 1985). . . , , . , , . , , , , () . NNE-SSW. . , . , , . , , .

     

Coulomb-trapped particles in the electromagnetic fields of an oblique magnetic rotator

An oblique, rotating magnetized sphere emits electromagnetic waves which, for large magnetization, can quickly accelerate charged particles to very high energies. A central, attractive Coulomb force can trap particles in the region beyond the light cylinder by balancing the accelerating influence of the radiation on the particles. We sample some of the particle orbits possible under these dynamical conditions. A general feature of these orbits is that non-interacting particles started with random initial conditions in the domain of attraction of these orbits will arrange themselves on a curve corotating with the axis of magnetization. Such particle configurations can be a source of pulsed radiation. In the idealized case of no interparticle interactions the spectral index for the radiation emitted by one frequently occurring configuration is found to be –2/3, for emission from radio to -ray frequencies. The dynamical conditions in this simple model closely match those prevalent in outer pulsar magnetospheres, making it possible that part of the radiation from pulsars is emitted by trapped plasma in the region beyond the light cylinder.     

MRSP—The muenster redshift project. Astrometric determination of the reference point for wavelength measurements on low-dispersion objective prism plates

The zero point of galaxy redshifts measured from objective prism plates (dispersion 246 nm/mm at H) as part of the Muenster Redshift Project (MRSP) is obtained through transformation of object positions from the corresponding direct plate. Approximately 1000 G-type stars, classified automatically, are used. On the direct plate, positions are obtained from intensity-weighted first moments. On the objective prism plate, object positions are give through the CaII-break and marginal fits to the unwidened spectra. The transformation equations include quadratic terms in the direction of dispersion. The inclusion of third-order and colour terms is discussed. The mean residuals are approximately 0".33 (5 m on the plate), corresponding to a redshift error of about 700 km/s at z=0.0. This error results mainly from the uncertainty in locating the CaII-break in the low-dispersion spectra. Radial velocities are obtained from the difference between the expected and the measured positions of the CaII-break in the galaxy spectra.