加拿大北部的偏远和离网社区依靠化石燃料发电、供暖和生活热水（加拿大自然资源部，2018 年）。在环保意识日益增强的时代，为了确保能源安全并抵消化石燃料的使用，寻找本地环保能源具有根本意义。在可再生能源选择中，地热资源具有无论天气条件如何都能提供持续供暖和基本负荷发电的优势。

在加拿大，地热能的利用逐年增长。从 1990 年到 2013 年，地源热泵 (GSHP) 市场的安装量从 450 台大幅增加到 8250 台。截至 2013 年，该国南部地区总共安装了超过 110,000 个地源热泵机组。假设该市场呈线性增长，到 2019 年可能会安装超过 180,000 台。深层地热资源一直是最近研究的目标但尚未有地热发电厂发电。

位于加拿大北部社区附近的具有平衡温度测量和热特性评估的深钻孔很少可用。例如，努纳维克领土面积为 507 000 km 2，包围了苏必利尔和丘吉尔地质省的部分地区，只有三个地点进行了热流评估。

Kuujjuaq是努纳维克的行政首都。这个村庄也是努纳维克最大的因纽特人社区，约有2750名居民。鉴于与其他较小社区相比，其能源需求较高，因此它是在魁北克北部开展地热能可行性研究的最合适目标。

Kuujjuaq群落附近出露的主要岩性单元是副片麻岩和闪长岩，还有少量的辉长岩、英闪长岩和花岗岩。这些岩性有两个主要来源：变质岩/变沉积岩，包括副片麻岩；以及火成岩、包围闪长岩、辉长岩、英闪长岩和花岗岩岩性。这些岩石属于加拿大地盾的东南部丘吉尔省，年龄为太古宙至古元古代。

在 Kuujjuaq 油田区域总共采集了 24 个样品，考虑到观察到的各向异性，从样品中钻出半径为 20 毫米、厚度为 20 至 30 毫米的岩心塞。岩心塞用于实验室实验，以推断 INRS 的热力和水力特性。使用不同的实验室方法来评估所选实验室方法对深度温度分布数值模拟的影响。在所有情况下，不同方法的实验室结果之间的相对误差平均值（MRE；%）计算如下：

其中X代表评估参数，下标代表所应用的方法。

总共选择了 14 个样品作为不同岩性的代表，并分析了放射性同位素238 U、232 Th 和40 K，以估计放射热的产生。这些分析是在科英布拉大学进行的。样品的选择考虑了通过ICP-MS获得的U和Th的浓度、它们的地理位置和风化程度。

使用防护热流计 (GHFM) 技术在室温下评估干燥样品的导热率，使用 TA Instruments 的 FOX50 热流计，精度为 3%。该仪器有两个板、两个热流计和两个保护壳，以防止热量损失。当样品温度达到稳定状态时进行分析。对两个板施加温差，并运行分组为块的连续数据采集循环，直到上板和下板的温度和传感器信号满足宣布样品处于热平衡的所有必要的平衡标准。然后，评价热导率。每个板必须独立地满足每个平衡标准。

来自与岩心塞相同岩性单元的 18 个样品通过光学扫描技术和 LGM Lippmann 的红外热导扫描仪 (TCS) 进行了分析，精度为 3%。这些测量考虑了观察到的各向异性。根据可移动坐标系 OXYZ 中准稳态温度场的热传导方程的解来瞬态评估热导率。TCS 的主要元件是一个聚焦、移动且连续运行的光学热源，安装在三个红外温度传感器阵列上。冷传感器首先通过并记录热扰动之前标准品和样品的温度。然后，光学热源扰动温度，最后，两个热传感器记录扰动后的温度。考虑到这种温度变化和两个标准的热导率来评估样品的热导率。

天然存在的放射性同位素238 U、232 Th 和40 K的浓度通过伽马射线光谱法 (GRS) 测定，使用连接到多通道脉冲高度分析仪的 NaI(Tl) 检测器 (7.62 × 7.62 cm)具有频谱稳定器，用于自动补偿增益偏移。探测器周围有 5 厘米厚的铅屏蔽，以平滑背景伽马辐射 (ORTEC 2015)。使用三窗口法测量同位素浓度。这涉及检测214 Bi（238 U 衰变链）、208 Tl（232 Th 系列）和40衰变时的伽马辐射发射。K. 伽马射线光谱的分析部分的能量范围为 0 至 3000 keV。40 K 的能量峰值为 1460 keV。

随后计算放射热产生（A；Wm −3），知道

其中ρ (kg m −3 ) 是密度，P (wt %)、H 0 (W kg −1 ) 和c (mg kg −1 ; %) 分别是每种放射性同位素的比丰度、产生的热量和浓度。每个元素的常数P和H 0是用 Rybach ( 1976 ) 方法估计的，将方程转换为：（2）在以下经验函数中（Rybach 1988）：

其中钾浓度通过以下方式从氧化物形式转换为元素形式：

使用 COMSOL Multiphysics 软件假设二维稳态热传导，对当前深度温度的初步估计进行了数值求解：

其中λ (W m −1 K −1 ) 是热导率，T (°C) 是温度，x (m) 和z (m) 是空间变量。

Kuujjuaq 岩石圈地层和厚度的地质模型是根据现有的区域文献数据建立的。莫霍面位于 37.5 公里深度。上地壳主要由副片麻岩组成，厚度26.5公里。假设下地壳由厚度约 11 公里的粒状相岩石组成。其放射热产量估计为 0.45 × 10 -6 W m -3。莫霍面对热流的贡献估计平均为 15 × 10 -3 W m -2 。

冰川期期间可能发生的地表温度的长期变化，由于向下的热扩散而对地下温度分布产生影响。因此，对温度预测进行了修正，以评估通过在数值模拟中假设恒定狄利克雷条件，5 公里深度处的温度可能被误估的程度。温度修正基于 Carslaw 和 Jaeger的解决方案：

收集的副片麻岩样品在细粒至中粒基质中呈现出高含量的角闪石和黑云母矿物。长石矿物经风化后呈现棕色至浅棕色色调。薄片中发现的主要矿物相平均为 16% 石英、29% 长石和 55% 镁铁质矿物。闪长岩样品是细粒至中粒基质，没有​风化迹象。它们的平均含量为 17% 石英、23% 长石和 59% 镁铁质矿物。

辉长岩样品具有细粒到中粒的纹理，其长石矿物具有棕色色调的风化迹象。该装置分析的样品含有 25% 石英、24% 长石和 51% 镁铁矿物含量。采集的英云闪石样品是粗粒的，其颜色从白色到粉红色不等。分析的样品的特征是石英 (41%) 和长石 (51%) 的含量高于镁铁质矿物 (8%)。花岗岩样品平均由 35% 石英、55% 长石和 10% 镁铁质矿物组成。收集的花岗岩样本之一呈现出叶状结构。根据相似的结构和矿物成分，收集的岩石样品可分为三大类：副片麻岩、闪长岩-辉长岩和英闪长岩-花岗岩。

使用稳态方法（GHFM）评估时，副片麻岩样品的平均热导率为2.32 W m -1 K -1 ，使用瞬态方法评估时，平均热导率为 2.52 W m -1 K -1 对于火成镁铁质族（闪长岩-辉长岩），稳态和瞬态方法分别给出相似的值：2.83 W m -1 K -1和2.84 W m -1 K -1。通过稳态方法评估的火成长英质样品的导热系数平均为3.08 W m -1 K -1和3.36 W m -1 K当通过瞬态方法评估时为-1 。考虑到分母的稳态值，火成镁铁质群（闪长岩-辉长岩）的 MRE 较低，值为 − 2%。对于副片麻岩样品和长英质火成岩，MRE 分别为 - 15% 和 - 13%。平均而言，所有岩性的稳态方法和瞬态方法之间的相对误差为 - 9.8%，范围从最大 30% 到最小 - 58%。

加拿大北部偏远和离网社区的能源框架严重依赖化石燃料，需要改变。地热能被认为是一种潜在的解决方案，但存在巨大的数据差距。虽然在这些偏远地区准确定义地热资源可能很困难，但严峻的能源形势提出了库朱瓦克解决的一个关键问题。在只有地表数据的情况下如何评估地热资源的深度和温度？

通过辐射测量 (GRS) 和质谱 (ICP-MS) 光谱分析方法获得的放射性元素结果可以用方程 估计内部热量的产生。GRS结果表明，副片麻岩样品的平均铀浓度为1.50 mg kg -1，钍浓度为3.75 mg kg -1，钾浓度为0.50%。闪长岩-辉长岩族的值较低，铀、钍和钾的平均浓度分别为 0.38 mg kg -1、1.94 mg kg -1和0.47%，分别。火成长英质族的特征是铀和钾浓度分别高于火成镁铁质，分别为1.3 mg kg -1和0.88%，但钍浓度相似，为1.82 mg kg -1。通过 ICP-MS 对产热元素的评估，准片麻岩和英闪长岩-花岗岩组的铀浓度分别下降了约 60% 和 20%。火成镁铁族显示铀含量增加了 50%。通过 ICP-MS 评估时，副片麻岩样品的钍浓度下降了 11%，而对于两个火成岩族，该元素的浓度增加了 70%。当通过 ICP-MS 对所研究的所有岩性组进行评估时，钾浓度反过来增加了 60% 以上。

另一个有趣的方面是闪长岩-辉长岩层的影响。1 公里的薄闪长岩-辉长岩层对 5 公里处的温度的影响可以忽略不计。然而，对于5 km厚的层，与邻近的副片麻岩相比，该层的等温线略有下降。这是由于副片麻岩和闪长岩-辉长岩之间的热导率存在差异。唯一的例外是 TCS-GRS 和 TCS-ICP-MS 的基本情况，因为两个热导率中值相似。然而，进行的模拟表明，闪长岩-辉长岩层的厚度仅在深度温度场上引起约 4% 的变化。当考虑评估内部发热和热导率的两种不同技术时，这种变异性为 12% 至 14%。由于与岩石热性质统计分布相关的岩性内在非均质性，获得了超过 50% 的较高变异性。

从库朱瓦克开展的工作中得出的指导方针为努纳维克、努纳武特和努纳齐亚武特其他面临同样能源发展挑战的偏远社区提供了范例。深度稳态温度场的估计需要评估地质材料的导热率和内热产生。由于缺乏地下数据，岩石样本是从露头类似物中收集的。通常，热导率的评估是通过稳态或瞬态方法进行的。同样，放射热产生通常根据伽马射线或质谱法来估计。本研究评估了由实验室方法引起的深度温度场预测引起的变异性。

上述的几种方法的使用表明热导率和放射热产生受到实验室分析的影响。结果表明，TCS 评估的导热系数比 GHFM 高 8%。同样，基于 ICP-MS 结果估计的放射热产生平均比基于 GRS 的高 36%。因此，这会影响温度预测。在这种情况下，TCS 与 GRS 相结合给出了深度较低的基本情况温度预测，而较高的基本情况温度预测则通过 GHFM 和 ICP-MS 找到。然而，实验室方法引起的变异性比每个岩性单元的固有非均质性引起的变异性（大于50%）要小（小于15%）。

区域地球物理数据和当地地质绘图有助于建立地质概念模型，这对于进行深度温度模拟至关重要。当地地下地质模型的缺失是另一个不确定性来源，导致闪长岩-辉长岩层的厚度无法准确约束。然而，对矿物相进行更详细的地球化学分析可以克服这一数据差距。地压测量可以推断矿物或矿物组合形成的压力。如果做出合理的假设将压力转换为深度，那么，这种方法与侵蚀速率一起可以帮助缩小目前闪长岩-辉长岩层厚度的可能性范围。此类分析超出了当前工作的范围，但将进行进一步的研究。然而，正如模拟所示，它对温度场的影响很小（约 4%）。在 Kuujjuaq，初步稳态模拟显示 5 公里深度处的基本情况温度在 57 至 88 °C 之间变化，表明最小钻探深度为 3 至 4 公里，才能达到将地热资源用于太空所需的温度加热。

总之，这项工作表明，即使由于缺乏地下温度数据和地球物理研究而带来不确定性，仍然可以表征偏远地区深层地热资源的温度。对露头类似物的研究对于对古代（此处为前寒武纪）岩石中的热液系统中普遍存在的温度条件提供可靠的评估至关重要。进一步的数值模型将解决深层增强地热系统在技术上是否适合取代化石燃料消耗并为北纬 55 度以北的社区提供更高的能源安全。