王艺云, 唐菊兴,2, 胡为正, 丁 帅, 黄东荣, 胡正华
(1.成都理工大学 地球科学学院,成都 610059;2.中国地质科学院 矿产资源研究所,北京 10037; 3.江西省地质调查研究院,南昌 33000)
西藏日土白垩纪酸性侵入岩年代学及地球化学特征
----对班公湖-怒江中特提斯洋盆闭合时限的制约
王艺云1, 唐菊兴1,2, 胡为正3, 丁 帅1, 黄东荣3, 胡正华3
(1.成都理工大学 地球科学学院,成都 610059;2.中国地质科学院 矿产资源研究所,北京 10037; 3.江西省地质调查研究院,南昌 33000)
以西藏日土县北东地区的小型酸性侵入体为研究对象,结合岩石地球化学分析及锆石年龄测试,探讨岩石的成因类型及构造环境,确定班公湖-怒江中特提斯洋盆闭合的时限。研究区酸性岩体的岩性为黑云二长花岗岩,其主要组分的质量分数分别是:SiO2为63.89%~77.49%,全碱(K2O+Na2O)为8.06%~8.95%,全铁(FeOT)为0.48%~4.37%,Al2O3为12.43%~16.17%;大离子亲石元素中Rb、Th、U、K明显富集,但Ba、Sr明显亏损;高场强元素中Nb、Ta、P、Ti明显亏损,而Zr、Hf相对富集;轻稀土元素相对富集、重稀土元素相对亏损,负Eu异常明显(δEu=0.09~0.67,平均为0.47),球粒原始标准化分布模式为向右缓倾的V型,属于A型花岗岩。其LA-ICP-MS锆石206Pb/238U年龄加权平均值为(117.8±1.2) Ma,属于中生代早白垩世中期。从岩石碰撞后A1型花岗岩特征推测,班公湖-怒江中特提斯洋盆在日土地区的闭合时间应在早白垩世中期。
西藏;班公湖-怒江缝合带;中特提斯洋;A型花岗岩;俯冲消减;岩石地球化学
横贯青藏高原中部的班公湖-怒江缝合带是羌塘地体与拉萨地体的碰撞结合带,是中特提斯洋最终消亡的主缝合带,东西方向延伸长度>2 000 km,南北方向宽度达几十至上百千米。由于班公湖-怒江缝合带本身的复杂性及其规模宏大的长度,至今对其一些最基础的特征还存在着较大的争议,如班公湖-怒江洋盆的俯冲极性和俯冲闭合时限等。前期研究者认为俯冲形式为班公湖-怒江特提斯洋洋壳向羌塘板块下的单向俯冲[1-2],但随着研究资料的积累及研究的深入,越来越多的学者认为该构造带具有向南、向北双重俯冲的特征[3-10];同时,对于该缝合带构造演化中班公湖中特提斯洋存在双向俯冲特征的观点已基本得到认可。然而,缝合带从俯冲直至碰撞缝合的时限问题仍无定论,其中班公湖-怒江中特提斯洋盆的闭合时间是目前极具争议的焦点之一。
日土县北东地区处于班公湖-怒江缝合带西段北侧(图1),是研究与班公湖-怒江洋盆北向俯冲-消减作用相关岩浆活动记录的有利位置。虽然前人对日土地区岩浆岩开展过一些地质调查及研究工作,但主要集中在找矿突破成效较明显的地段(如佛野、材玛一带),而对该缝合带其他地区的研究报道甚少。本文首次以班公湖-怒江缝合带西段日土县北东地区黑云二长花岗岩为研究对象,通过野外地质调查、薄片鉴定、LA-ICP-MS(激光剥蚀等离子质谱)锆石原位微区U-Pb测龄及地球化学分析等综合分析手段,确定岩体形成时代及其成因类型,并探讨其形成的构造背景,旨在对该地区缝合带的闭合时间进行限定,并为区域找矿突破提供线索。
图1 班公湖-怒江缝合带西段北侧日土县北东地区地质略图Fig.1 Simplified geological map of northeast Ritu County in the north of western Bangong Lake-Nujiang suture zoneQ.第四系; NK.新近纪康托组; K1o.早白垩世欧利组; P2lg.二叠纪龙格组; P1-2t.二叠纪吞龙共巴组; P1q.二叠纪曲地组; ηγβK1.早白垩世黑云二长花岗岩; ηγπJ3.晚侏罗世似斑状二长花岗岩; ηγJ3.晚侏罗世二长花岗岩; δηοJ3.晚侏罗世石英二长闪长岩; δοJ3.晚侏罗世石英闪长岩; γπJ3.晚侏罗世黑云母花岗岩。 1.地层界线; 2.角度不整合界线; 3.断层; 4.糜棱岩(化)带; 5.同位素测龄样品及位置; 6.冰雪覆盖区
班公湖-怒江缝合带夹持于羌塘地体与拉萨地体之间,以一系列近东西向展布的蛇绿岩碎块为标志。在其西段狮泉河及东段安多一带,南北向展布宽度可达200余千米。但对于该缝合带是代表着一个单一的洋盆俯冲带,抑或是包含着由多条洋生弧分割的多个洋盆俯冲,尚存不同意见。Kapp主张单一洋盆北向俯冲的观点[2],即狮泉河一带多条蛇绿混杂岩重复出现是由洋盆闭合后由北向南的多次逆掩推覆构造作用所致。曲晓明结合野外地质调查及其发现的岛弧型火成岩的时空分布,认为狮泉河一带班公湖-怒江缝合带包括3条俯冲带[6]:北面的一条位于班公湖至日土县城一带,南北宽有十几千米,东西向延伸有百余千米,向东延伸至多不杂矿区以北;中间的一条位于狮泉河-改则-洞错一带的北侧,南北宽十几千米,沿走向延伸长达400多千米,且连续性较好,应该是班公湖-怒江缝合带的主俯冲带;南面的一条位于改则县以南约20 km的拉果错湖北岸,宽约几千米,走向北西西-南东东,长约50 km,向北陡倾[11]。至今,该缝合带包含了多条洋内俯冲带的观点已得到大多数学者的认可[7,9,12-13]。
本文的研究区位于班公湖-怒江缝合带北侧日土县境内,北接羌塘—三江造山系西段,经历了古特提斯、新特提斯和陆内汇聚造山及高原隆升多旋回构造造山运动,因而区内岩浆岩较发育,以中酸性侵入岩为主,主要分布于研究区南部及西北部,呈岩株状、岩滴状产出,沿东西向、北东向展布,大致与区域构造线方向一致(图1)。晚侏罗世二长花岗岩、石英二长闪长岩、石英闪长岩及黑云母花岗岩呈岩株状产于研究区南部,侵入于下二叠统曲地组中,接触面较平直,倾角一般为45°~55°,岩体外接触带发育,宽一般为0.8~1.2 km。其蚀变特征与围岩成分有关,当围岩成分为曲地组碎屑岩时,其蚀变带由岩体向外一般为:红柱石角岩→云英角岩→长英质角岩→斑点角岩;当围岩成分为吞龙共巴组的碳酸盐岩或钙质碎屑岩时,蚀变带主要为大理岩→大理岩化灰岩或黑云角岩、角岩化砂(板)岩。早白垩世黑云二长花岗岩呈岩株状产于研究区西北部,分布于北东东向韧性剪切带附近,侵位于下二叠统曲地组中。岩体侵入面平面上多呈不规则状,岩体外接触带部位见挤压变形,围岩蚀变较弱。
本次研究共采集4件黑云二长花岗岩样品(编号:1003-3、1003-4、2001及3040)进行岩石地球化学分析,其中样品3040的一部分用于挑选锆石进行LA-ICP-MS年龄测定。采集样品均为新鲜且蚀变较弱的岩石,以保证样品化学分析的可靠性。
黑云二长花岗岩呈深灰色,中细粒花岗结构,受后期构造影响,具片麻状构造(图2)。岩体内部无流线、流面等定向组构,侵位方式可能为岩墙扩张方式。斑晶以斜长石(面积分数:30%,下同)、钾长石(25%)及石英(25%)为主,其次见黑云母(4%)。斜长石呈半自形板状,长径0.8~2.2 mm,弱绢云母化;钾长石呈他形—半自形板状,长径0.5~3.5 mm,具不发育的格子双晶,条纹结构,属微斜微纹长石;石英呈他形粒状,粒径0.7~4 mm,具波状消光;黑云母呈片状,半自形晶,片径0.3~0.5 mm,多色性为褐—黄色,弱绿泥石化,多具揉皱变形。碎基含量(面积分数)约为15%,成分主要为斜长石、钾长石、石英,约占14%,以及少量黑云母(1%)。碎基呈条带状分布,细粒化斜长石、钾长石呈拉长形粒状定向排列,长径0.02~0.05 mm。石英动态重结晶成拉长粒状集合体,长径0.01~0.05 mm。有少量黑云母也产生细粒化。碎基集合体切穿较晚期矿物,局部在原生钾长石边部还产生应力蠕英石。副矿物见微量锆石及磷灰石。锆石呈自形柱状,长径为0.03~0.05 mm。磷灰石呈柱状,长径为0.02~0.1 mm。综合野外及显微镜下观察,定名为:片麻状糜棱岩化中细粒黑云二长花岗岩。
图2 日土县北东地区黑云二长花岗岩Fig.2 Outcrop photo (A) and microphotograph (B) of the biotite monzonitic granite in northeast Ritu County(A)野外照片,可见片麻状构造;(B)显微照片(正交偏光),斑晶由石英、斜长石、钾长石及黑云母组成,黑云母具揉皱变形,碎基呈条带状分布,斜长石、钾长石呈拉长形粒状,定向排列,可见少量绢云母化。Q.石英;Kf.钾长石;Pl.斜长石;Bi.黑云母;Ser.绢云母
样品的主元素、痕量元素及稀土元素分析由江西省地质矿产勘查开发局实验测试中心完成,主元素分析采用X射线荧光光谱仪,Ba、Sr分析采用ICP-AES,其他元素采用ICP-MS。测试精度(质量分数):Fe2O3和FeO的RSD<10%,其他主元素的RSD<2%~8%,痕量元素、稀土元素的RSD<10%。
3.1 主元素
研究区黑云二长花岗岩样品的分析结果如表1。样品SiO2质量分数(w)为63.89%~77.49%,平均为70.49%,属于中酸性-酸性岩范畴;K2O质量分数(4.42%~5.34%)均高于Na2O(3.41%~3.84%);全碱质量分数为8.06%~8.95%,平均为8.44%;里特曼指数为2.04~3.27,属于钙碱性岩石范畴;在SiO2-K2O图解中均落入高钾钙碱性-钾玄岩系列区域(图3-A)。CaO、MgO和TiO2含量低,质量分数分别为0.41%~2.38%、0.06%~1.21%和0.10%~0.75%;Al2O3质量分数(12.43%~16.17%)偏低,A/CNK(铝饱和指数)为1.00~1.07,A/NK为1.11~1.30,在A/NK-A/CNK图上显示弱过铝质和亚铝质特征(图3-B)。
3.2 痕量元素
痕量元素分析结果见表2。按照原始地幔的痕量元素含量对样品分析数据进行标准化成图(图4-A),可见样品的痕量元素具有较好的规律性,大离子亲石元素(LILE)中Rb、Th、U、K明显富集,而Ba、Sr则明显亏损,与岛弧型花岗岩存在显著差异。与此同时,在高场强元素(HFSE)中,Nb、Ta、P、Ti表现为明显亏损,而Zr、Hf则相对富集,与岛弧型花岗岩也有明显不同。
表1 日土县北东地区黑云二长花岗岩主元素分析结果Table 1 Analysis results of major elements of biotite monzonitic granite in northeast Ritu County
图3 日土县北东地区黑云二长花岗岩SiO2-K2O图解及A/CNK-A/NK图解Fig.3 SiO2-K2O and A/CNK-A/NK diagrams for biotite monzonitic granite in northeast Ritu County
3.3 稀土元素
稀土元素分析结果见表3,球粒陨石标准化分布模式见图4-B。从表3及图4-B中可知,样品的稀土总量(wΣREE)为143.03×10-6~443.38×10-6,平均为296.76×10-6;wLREE/wHREE比值为7.43~18.66,平均为13.59;(wLa/wYb)N比值为6.55~29.59,平均为18.57:显示轻稀土元素相对富集,而重稀土元素相对亏损。δEu值为0.09~0.67,平均为0.47,具有较明显的负铕异常,分布模式为向右缓倾的“V”型。
上述岩石锆石的挑选委托廊坊科大岩石矿物分选技术服务公司完成。在开展锆石测龄之前,首先将所测样品的锆石颗粒用环氧树脂制靶,并对靶中的锆石做阴极发光照相。阴极发光照相在中国地质科学院矿产资源研究所LA-MC-ICP-MS实验室完成,锆石U-Pb年龄测定所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Mewwave UP 213激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为25 μm,频率为10 Hz,能量密度约为2.5 J/cm2,以He为载气。年龄计算及谐和图绘制是采用Isoplot 3.0程序完成的,204Pb由离子计数器检测。204Pb值异常高者可能受包体影响,在处理数据时剔除。标准测定程序参见文献[14]。样品分析过程中,选用Plesovice样作为未知样品,其分析结果为(338.0±1.5)Ma(2σ,n=16, MSWD=1.7),对应的年龄推荐值为(337.1±0.4)Ma(2σ)[15],两者在误差范围内完全一致。
所选锆石多呈无色透明,且多为长柱状,颗粒大小为50~300 μm,多数在100~200 μm,长宽比为2~3;从中再挑选出颗粒较大、晶形较好的锆石用于年龄测定。阴极发光图像显示,大部分锆石具有较好的韵律生长环带结构;少数锆石内部结构复杂,可见残核,具有典型的岩浆锆石特征(图5)。由此所测年龄可代表岩体的侵位年龄。
锆石U-Pb同位素年龄测试结果显示(图6、表4),黑云二长花岗岩(样号3040)的年龄加权平均值为(117.8±1.2)Ma(n=21,MSWD=1.9),测试结果可信,表明其为中生代早白垩世中期岩浆侵入作用的产物。
图4 日土县北东地区黑云二长花岗岩痕量元素比值蛛网图和稀土元素球粒陨石标准化配分模式Fig.4 Trace element spidergram and race earth element chondrite-normalized distribution pattern of biotite monzonitic granite in northeast Ritu County
图5 日土县北东地区黑云二长花岗岩锆石阴极发光图像及测点Fig.5 CL images and spots of LA-ICP-MS analysis of zircons for biotite monzonitic granite in northeast Ritu County
5.1 岩石成因类型
花岗岩类的成因类型大致被分为I型、S型、A型及M型4类。A型花岗岩最早由Loiselle提出,其A包含了“anhydrous”(干的)、“alkali-rich”(富碱)以及“anorogenic”(非造山)多层含义[16],因此决定了其与常见的I型、S型以及M型花岗岩的区别[17]。Eby对A型花岗岩做了更完善的界定[18],即A型花岗岩具有K2O含量、K2O/Na2O值及Zr、Y和稀土元素(Eu除外)含量高,CaO和Al2O3含量及大离子不相容元素/高场强元素(LILE/HFSE)低等典型特征,与岛弧型花岗岩形成鲜明对比,尤其是后者LILE/HFSE比值高[19]。
图6 日土县北东地区黑云二长花岗岩锆石U-Pb谐和图Fig.6 U-Pb concordia diagram of zircons for biotite monzonitic granite in northeast Ritu County
表4 日土县北东地区黑云二长花岗岩的锆石LA-ICP-MS年龄测定结果Table 4 U-Pb LA-ICP-MS analysis of zircons from biotite monzonitic granite in northeast Ritu County
区内黑云二长花岗岩的主元素、痕量元素及稀土元素特征表明,日土县北东地区的黑云二长花岗岩具有A型花岗岩的基本属性;从K2O-Na2O图解可看出,样品均落在A型花岗岩区域内(图7-A),由此说明,日土县北东地区的黑云二长花岗岩为A型花岗岩。
在(wYb/wTa)-(wY/wNb)图解上可看出,样品多落入A1型花岗岩中,其成岩环境位于洋岛玄武岩OIB区域(图7-B,除1个样品外)。但是,由图7-C可知,Na2O+K2O含量与SiO2呈正相关,表明研究样品的岩石成分亲缘性较好,系同源岩浆演化的产物。因而,说明研究区内的黑云二长花岗岩的成因可能与洋岛玄武岩来源相似,为岩浆侵位于大陆裂谷或在板内岩浆作用过程中的分异产物。
在(wNb/wTh)-wNb图解(图7-D)上显示,样品与岛弧火山岩的源区十分接近,说明源区物质与岩石圈地幔有关,可能由幔源的镁铁质地壳物质的部分熔融或幔源的镁铁质岩浆分异形成。
5.2 形成的构造环境
在Pearceetal.(1984)的构造环境判别图[20]上(图8-A、B),样品均位于板内花岗岩与同碰撞花岗岩的交点附近,反映了碰撞后的岩浆生成环境;在Batcheloretal.(1985)反映造山带演化旋回的R1-R2图解[21]上(图8-C),样品则位于晚造山期、同碰撞和造山期后三者之间,显示出造山作用晚期的一种松弛环境[22];而在Eby的A型花岗岩判别图[19](图8-D)中,样品有由A1型花岗岩向A2型花岗岩过渡的趋势。Eby对全球大量A型花岗岩进行统计分析,发现产于板内环境的A1型和产于碰撞后环境的A2型花岗岩并非截然分离,其间存在一个连续的谱系,即介于二者之间的造山后花岗岩[19,23]。也就是说,从A1型板内阶段到介于A1-A2之间的造山后再到A2型碰撞后,这些A型花岗岩均反映了造山带陆-陆碰撞之后的事件,由此说明造山带演化进入一个非挤压阶段[24]。最近的研究表明,班公湖-怒江洋盆从中二叠世一直持续到中白垩世;晚侏罗世至早白垩世班公湖-怒江洋持续向北俯冲,发育大量中酸性侵入体,构成了羌南活动大陆边缘构造-岩浆弧[8,25-26]。这与本次研究的早白垩世黑云二长花岗岩反映的情况一致。
图7 日土县北东地区黑云二长花岗岩Na2O-K2O、Yb/Ta-Y/Nb、Al2O3- SiO2、Nb/Th-Nb图解Fig.7 Na2O-K2O,Yb/Ta-Y/Nb, Al2O3- SiO2 and Nb/Th-Nb diagrams of biotite monzonitic granite in northeast Ritu County
5.3 班公湖-怒江洋盆闭合时间
班公湖-怒江缝合带是西藏中部十分重要的一条缝合带,其构造演化过程是长期以来众多学者争论的焦点,而关键性的争论点即在于班公湖-怒江特提斯洋壳的俯冲时间、俯冲极向。早期有学者认为仅仅存在向南羌塘陆块的单向俯冲(向北俯冲)[1-2],随着对该缝合带研究的深入,有学者提出该构造带存在北向往南羌塘陆块、南向往北冈底斯陆块双向俯冲的认识[3-10],且这一观点已得到越来越多的地质学家所认可,而不断增加的研究资料也证实了该观点的正确性[12-13,22]。而缝合带从俯冲直至碰撞缝合的时限问题同样存在争论,早期学者认为145 Ma B.P.就已碰撞缝合[2];后来伴随成岩成矿作用的深入研究,诸多学者发现在早白垩世初依然存在向北及向南的俯冲[3,5,27]。Zhu通过对缝合带南缘大量酸性岩浆岩年代学及Hf同位素研究[10]表明,班公湖-怒江特提斯洋壳南向俯冲过程中在早白垩世中期发生了板片断离,表明此时开始进入羌塘陆块与冈底斯陆块汇聚阶段;江军华等对班公湖-怒江缝合带西段由洋盆闭合后伸展作用形成的花岗斑岩及闪长玢岩进行了锆石U-Pb年代学研究,获得了(79.59±0.32)Ma和(75.9±1.2)Ma的成岩年龄,指出在晚白垩世晚期该区域已进入碰撞后伸展作用阶段[12];张向飞对日土县班公湖畔蛇绿岩中的小型酸性侵入岩体进行锆石U-Pb年代学研究,进一步限定了日土地区中特提斯洋盆彻底闭合的时间应在96 Ma B.P.[13]。综合前述研究,表明羌塘陆块与冈底斯陆块很可能在早白垩世中期开始碰撞闭合,至晚白垩世晚期已进入碰撞后伸展作用阶段。
本文对班公湖-怒江缝合带西段北侧日土县北东地区的黑云二长花岗岩进行锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄测定显示,其侵位年龄为(117.86±1)Ma,表明日土地区早白垩世中期已处于碰撞造山环境。据此推断,日土地区中特提斯洋盆彻底闭合的时间应在118 Ma B.P.,这与前人根据地层和火山岩确定的洋盆闭合时间(晚侏罗世末-早白垩世中期)是一致的[2,28];同时,这与最近报道的日土地区中特提斯洋盆彻底闭合在96 Ma B.P.[13]的结论相比,本文进一步限定了日土地区中特提斯洋盆彻底闭合的时间。
a. LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄测试结果显示,研究区的黑云二长花岗岩中锆石结晶年龄为(117.8±1.2)Ma,是中生代早白垩世中期岩浆侵入作用的产物。
b. 样品在岩石化学上富SiO2,全碱含量以及全铁含量偏高,Al2O3含量偏低;富集Rb、Th、U、K、Zr和Hf,亏损Ba、Sr、Nb、Ta、P和Ti;稀土元素Eu亏损,球粒原始标准化分布模式为向右缓倾的“V”型,属于A1型花岗岩。
c. 样品的源区物质与地幔有关,可能是由幔源的镁铁质地壳物质部分熔融或幔源镁铁质岩浆分异所成。
d. 通过对日土县北东地区的黑云二长花岗岩进行系统分析认为,这类岩体形成的构造环境为碰撞后板内环境;结合岩体的成岩年龄,进一步限制了班公湖-怒江缝合带西段日土地区中特提斯洋盆闭合时间应在晚侏罗世-早白垩世中期。
中国地质科学院矿产资源研究所林彬博士在实验过程中提供的帮助,匿名审稿专家对本文提出的宝贵修改意见,作者借此表示感谢。
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Geochronology and geochemistry of Cretaceous acid intrusive rocks in the northeast Ritu, Tibet: Constraints on the closure time of Middle Tethys oceanic basin in Bangong Lake-Nujiang
WANG Yiyun1, TANG Juxing1,2, HU Weizheng3, DING Shuai1, HUANG Dongrong3, HU Zhenghua3
1.CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.InstituteofMineralResource,ChineseAcademyofGeologicalScience,Beijing100037,China;3.JiangxiInstituteofGeologicalSurvey,Nanchang330000,China
The petrogenesis and structural environment of small intrusive acid rock masses in the northeast Ritu County of Tibet are studied so as to investigate the closure time of the Bangong Lake-Nujiang Middle Tethys oceanic basin. Lithological and geochemical studies show that the rock type of the acid rocks in this area is biotite monzonitic granite. These rocks consist mainly of SiO2, (K2O + Na2O), (FeOT) and Al2O3with the mass fractions of 63.89%~77.49%, 8.06%~8.95%, 0.48%~4.37%, 12.43%~16.17%. Large ion lithophile elements (LILE) Rb, Th, U, K obviously enriched but Ba, Sr obvious depleted; high field strength elements (HFSE) Nb, Ta, P, Ti obvious depleted and Zr, Hf relative enriched; LREE relatively enriched, HREE relative loss; high degree of fractionation and negative Eu anomalies (δEu=0.09~0.67, an average of 0.47), with primitive chondrite normalized distribution pattern of being gently right sloping V-type. Above all, the acid rock belongs to A1-type granite. LA-ICP-MS dating shows that the zircon206Pb/238U weighted mean age of biotite monzonitic granite is (117.8±1.2) Ma, the early Cretaceous period in Mesozoic. From the zircon U-Pb ages and post-collisional A-type features, the Bangong Lake-Nujiang Middle Tethys oceanic basin in Ritu County area is considered to be closed in the middle phase of early Cretaceous.
Tibet; Bangong Lake-Nujiang suture; Middle Tethys Ocean; A-type granites; subduction; geochemistry
10.3969/j.issn.1671-9727.2017.01.13
1671-9727(2017)01-0109-11
2015-08-19。
中国地质调查局项目(1212011221085); 国土资源部公益性行业科研专项项目(201511017)。
王艺云(1988-),女,博士研究生,研究方向:矿物学、岩石学、矿床学, E-mail:wangyiyun1988@163.com。
P588.121
A