ARTICLE Ar–Ar dating and Sr–Nd–Pb isotopic character of Paleogene basalts from the Xialiaohe Depression, northern Bohai Bay Basin: implications for transformation of the subcontinental lithospheric mantle under the eastern North China Craton Chang-Zhi Wu, Iain M. Samson, Zhen-Yan Chen, Li-Hui Chen, Lian-Xing Gu, Guo-Gang Cai, Jun Li, and Guang-Da Yang Abstract: Paleogene basalts are widely distributed in the Xialiaohe Depression, which lies in the northern part of the Bohai Bay Basin, the second largest petroleum-bearing basin of China, in the northeastern part of the North China Craton. The basalts mainly occur in three formations: the Paleocene Fangshenpao Formation (PFF), the Eocene Shahejie Formation (ESF), and the Oligocene Dongyin Formation (ODF). The PFF is dominated by tholeiites, whereas the ESF and ODF are characterized by alkaline basalts with minor tholeiites. These basalts contain generally lower contents in large-ion lithophile elements (LILEs) and most high-field-strength elements (HFSEs) relative to ocean-island basalts (OIBs), except for positive anomalies for Ba, Sr, Eu, and Ti, and are characterized by OIB-like Sr and Nd isotopic compositions and by abnormally low radiogenic lead isotopic composition. They display a positive correlation between 206 Pb/ 204 Pb and 143 Nd/ 144 Nd, and a negative correlation between 206 Pb/ 204 Pb and 87 Sr/ 86 Sr. The geochemical characteristics of these basalts are quite different from that expected from magmas derived from crustal contamination or melting from a uniform asthenospheric mantle source, but is consistent with derivation from newly formed lithospheric mantle. Combined with the geochemical character of the ESF and ODF basalts, we ascribe the abnormally low radiogenic lead isotopic composition for the Paleocene PFF basalts to newly formed lithospheric mantle that originated from recycling of delaminated thickened lithosphere in Late Mesozoic, including a lower crustal component. Résumé : Des basaltes datant du Paléogène sont distribués a ` grande échelle dans la dépression d’Xialiaohe, située dans la partie nord du bassin de la baie de Bohai. Ce bassin constitue le deuxième plus important bassin pétrolifère de la Chine; il se situe dans la partie nord-est du craton de Chine du Nord. Les basaltes sont surtout présents dans trois formations : la Formation de Fangshenpao, datant du Paléocène, la Formation de Shahejie, datant de l’Éocène et la Formation de Dongyin, datant de l’Oligocène. La Formation de Fangshenpao est dominée par des tholéiites alors que les formations de Shahejie et de Dongyin sont caractérisées par des basaltes alcalins avec des quantités moindres de tholéiites. Ces basaltes contiennent généralement moins d’éléments lithophiles a ` grand rayon ionique (LILE) et une très grande portion d’éléments a ` forte liaison atomique par rapport aux basaltes d’îles océaniques (OIB), a ` l’exception des anomalies positives pour Ba, Sr, Eu et Ti, et ils sont caractérisés par des compositions isotopiques Sr et Nd de type OIB et par une composition isotopique anormalement basse d’isotope radiogénique de plomb. Ils présentent une corrélation positive entre 206 Pb/ 204 Pb et 143 Nd/ 144 Nd ainsi qu’une corrélation négative entre 206 Pb/ 204 Pb et 87 Sr/ 86 Sr. Les caractéristiques géochimiques de ces basaltes sont passablement différentes de ce a ` quoi l’on s’attend de magmas provenant d’une contamination crustale ou d’une fusion a ` partir d’une source mantélique asthénosphérique uniforme, mais elles sont compatibles avec une provenance d’un manteau lithosphérique nouvellement formé. En se basant sur les caractéristiques géochimiques des basaltes de Shahejie et de Dongyin, nous assignons la composition anormalement basse d’isotope radiogénique de plomb des basaltes de la Formation de Fangshenpao (Paléocène) a ` un manteau lithosphérique nouvellement formé qui provient du recyclage de la lithosphère épaissie délaminée au Mésozoïque tardif et qui comprend une composante de la croûte inférieure. [Traduit par la Rédaction] Introduction Based on comparisons between mantle xenoliths from Paleo- zoic kimberlites and Cenozoic basalts in eastern China, it is gen- erally accepted that a thick, cold, and refractory Archean lithospheric keel had been removed or replaced by a thin, hot, and relatively less refractory post-Archean lithospheric mantle beneath the east- ern block of the North China Craton (NCC) (e.g., Menzies et al. 1993; Griffin et al. 1998; Fan et al. 2000; Gao et al. 2002; Zhang 2005; Zhang et al. 2012). Although controversy remains regarding the timing, extent, and mechanism (delamination or thermal– chemical erosion) for the thinning of lithospheric mantle beneath the NCC (e.g., Tatsumoto et al. 1992; Zheng et al. 1998; Gao et al. 2002, 2004; Wilde et al. 2003; Wu et al. 2005b; Niu 2005; Xu et al. 2006a, 2008; Zhai et al. 2007; Guo et al. 2007; Zhang et al. 2008; Zhu and Zheng 2009; Zhang et al. 2009; Liu et al. 2010; Yang et al. 2010; Xiong et al. 2011), it is generally accepted that the eastern Received 22 May 2013. Accepted 26 December 2013. Paper handled by Associate Editor William Peck. C.-Z. Wu, L.-H. Chen, and L.-X. Gu. State Key Laboratory for Mineral Deposits Research, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China. I.M. Samson. Department of Earth and Environmental Sciences, University of Windsor, Windsor, ON N9B 3P4, Canada. Z.-Y. Chen, G.-G. Cai, J. Li, and G.-D. Yang. Liaohe Oilfield Branch Company, PetroChina, Panjin 124010, China. Corresponding author: Chang-Zhi Wu (e-mail: wucz@nju.edu.cn). 166 Can. J. Earth Sci. 51: 166–179 (2014) dx.doi.org/10.1139/cjes-2013-0085 Published at www.nrcresearchpress.com/cjes on 22 January 2014. Can. J. Earth Sci. Downloaded from www.nrcresearchpress.com by UNIV WINDSOR on 02/25/14 For personal use only.