I magmi presenti in enormi quantità sotto la Toscana e perchè non sono arrivati in superficie

È facile intuire e poi confermare con i dati la presenza di migliaia di chilometri cubi di magma nella crosta superiore al di sotto di supervulcani come Yellowstone (USA), Toba (Indonesia) e Taupo (Nuova Zelanda), poiché questi sistemi sono ben identificabili grazie alla presenza in superficie di apparati vulcanici e di importanti depositi eruttivi. La sfida consiste nel riconoscere tali serbatoi magmatici senza evidenze in superficie, come succede nella Toscana meridionale, dove se da un lato abbiamo una scarsa attività vulcanica quaternaria, dall’altro i dati del sottosuolo indicano la presenza di fluidi ad altissima pressione e molto caldi a basse profondità e anche di magmi nella crosta a diversi km di profondità. Lupi et al (2026) hanno utilizzato una rete di sismometri per produrre una tomografia, il cui risultato evidenzia la presenza di oltre 5.000 km³ di magma fuso nella crosta sotto il sistema di Larderello - Radicondoli (specificamente oggetto di questo studio) e di una quantità probabilmente ancora superiore sotto l’Amiata. Questi magmi provenienti dal mantello alimentano i sistemi geotermici ad alta entalpia della regione, ma non riescono ad arrivare in superficie probabilmente perché sono bloccati dalla presenza di rocce granitiche che si sono prodotte a causa della fusione della crosta innescata proprio dal calore di questi magmi provenienti da zone molto profonde del mantello.

PS: anche se l’ho usato, supervulcano non è un termine scientifico accettato, ma si riferisce convenzionalmente a vulcani che hanno prodotto almeno una singola eruzione capace di aver immesso volumi di magmi e altri prodotti superiori a 1.000 km3

In Italia i valori massimi del flusso di calore dall'interno della Terra si trovano in corrisponDenza dei sistemi geotermici della Toscana e di alcuni vulcani laziali

IL VULCANISMO RECENTE E ATTUALE FRA TOSCANA, LAZIO E CAMPANIA. La costa occidentale dell'Italia, tra Toscana, Lazio e Campania, è caratterizzata da un vulcanismo attuale e recenti di una certa importanza. In Campania la caldera dei Campi Flegrei è attualmente in fase di unrest (come dimostrano terremoti e sollevamento), sono presenti altri due vulcani attivi, Vesuvio e Ischia e il Roccamonfina ha cessato la sua attività da non molto tempo. Nel Lazio, oltre all’arcipelago pontino, i laghi calderici evidenziano una intensa attività vulcanica recente. Nella regione i Colli Albani sono ampiamente riconosciuti come un apparato dormiente, e per alcuni autori questo vale anche per il complesso dei Vulsini. 

i prodotti della Provincia Magmatica Toscana (Serri et al, 2001)

In Toscana la Provincia Magmatica Toscana è caratterizzata da una serie di vulcani (Capraia, Campiglia, Radicofani e Amiata) e intrusioni granitiche (o, meglio: granodioritiche) di piccole dimensioni messe in posto a bassa profondità (Farina et al, 2018), alcune delle quali sono adesso in superficie (ad esempio Giglio, Montecristo e all’Elba il monte Capanne), mentre altre sono conosciute per le mineralizzazioni che si sono formate nella aureola metamorfica sovrastante. 

Nell'area inoltre sono presenti anche:

• un flusso di calore massiccio (fino a 1000 mWm, con un gradiente geotermico che raggiunge più di 150 °C km−1)
• una intensa microsismicità
• fluidi ad altissima pressione a basse profondità con temperature che localmente superano i 500 °C a circa 3 km di profondità (Minetto et al, 2020), una diffusa attività fumarolica a Larderello (un tempo chiamata Valle del Diavolo) prima dell'inizio dello sfruttamento geotermico nel XIX secolo
• una anomalia gravimetrica positiva (anche per questa caratteristica l’interpretazione più ovvia è la presenza di materiale “pesante” nella crosta)
• un forte sollevamento recente che arriva fino a 500 m, attributo all'intrusione di corpi granitici nella crosta superiore

L'attività vulcanica della Provincia Magmatica Toscana è iniziata ben 15 Milioni di anni fa (nel Miocene medio!) nell'attuale Corsica settentrionale in una situazione paleogeografica completamente diversa da quella attuale: il Tirreno non esisteva e la Calabria era attaccata alla Sardegna (Viti et al, 2021): ne ho parlato qui. Il vulcanismo dalla Corsica si è gradualmente spostata verso est, e l'ultimo episodio ha riguardato l’Amiata oltre 200.000 anni fa.

Tutte queste caratteristiche suggeriscono la probabile presenza di magma in profondità e, quindi che le condizioni che hanno dato origine alla Provincia Magmatica Toscana siano ancora in atto, anche in mancanza di eruzioni negli ultimi 100.000 anni.

Lupi et al (2026): in blu le zone in cui le onde sismiche sono più veloci,
in marrone dove sono più lente

LA NUOVA TOMOGRAFIA CONFERMA LA PRESENZA DI MAGMI. Finora i dati geofisici non hanno fornito una risposta definitiva, anche se una grande quantità di dati ha suggerito la presenza di intrusioni a circa 10 km di profondità (Brogi et al, 2005), perché i precedenti studi di imaging sismico passivo hanno coperto vaste aree con reti sismiche sparse o si sono concentrati su piccole regioni con dense installazioni sismiche. Ciò ha portato a tomografie incompleta del sistema geotermico, in particolare delle sue regioni di alimentazione più profonde.

Per dare una risposta più definitiva Lupi et al (2026) hanno installato una rete di sismometri a banda larga che ha funzionato tra il settembre 2020 e il settembre 2021 per integrare la rete sismica pubblica permanente italiana (INGV) ed elaborare i dati per eseguire un'analisi di tomografia sismica. In questo modo hanno ottenuto un modello 3D della velocità delle onde di taglio (Vs) dei primi 15 km della crosta terrestre della Toscana.

GEOGRAFIA, GEOLOGIA E ONDE SISMICHE IN TOSCANA. Le velocità delle onde sismiche mostrano una struttura crostale composta da domini in cui la loro velocità è molto alta (domini “freddi”) e domini con velocità molto bassa (domini “caldi”). Le transizioni fra domini caldi e freddi sono molto rapide. In particolare sono evidenti:

• un corpo veloce con orientamento NW che parte da Venturina (grossolanamente all’altezza dell’Elba) e costeggia la costa tirrenica. Già visibile a una profondità di 3 km, diventa sempre più evidente a maggiori profondità. Il corpo corrisponde all’incirca alla regione metallifera toscana.
• una linea di transizione con orientamento NE tra corpi più veloci e più lenti, che parte dall'Elba orientale e raggiunge Larderello e Radicondoli. Questa linea coincde più o meno con la direzione delle faglie ipotizzate per assorbire la deformazione nella regione (Liotta e Brogi, 2020).

Gli Autori hanno inoltre realizzato due profili verticali che attraversano alcune delle caratteristiche geologiche più rilevanti, nei quali viene dimostrata la presenza di valori di velocità delle onde S notevolmente bassi al di sotto dei principali sistemi geotermici della Toscana:

• lungo la sezione con orientamento NE, che dall’Elba arriva a Radicondoli si osserva un dominio sub-verticale di basse velocità delle onde di taglio a profondità comprese fra 8 e 15 km n corrispondenza del sistema geotermico.
• la sezione con orientamento NW inizia nel sistema di Larderello e prosegue fino a quello dell’Amiata. Le temperature maggiori si trovano in corrispondenza dei due sistemi geotermici con un terzo massimo relativo sotto Bagni di Petriolo, ma in ogni caso lungo tutta la lunghezza del profilo la crosta al di sotto degli 8 km è molto calda. Quindi l’alta temperatura non corrisponde a dei pennacchi isolati, ma caratterizza tutta la crosta fra i due sistemi.

le sezioni e la tomografia di Lupi et al (2026)

INTERPRETAZIONE DELLA TOMOGRAFIA. Normalmente nella crosta continentale all'aumentare della profondità ci si aspetta un aumento della velocità delle onde di taglio; ciò spesso non accade nei sistemi geotermici e vulcanici a causa della presenza di fluidi idrotermali e magmatici che le rallentano: per questo gli Autori possono sostenere che la marcata riduzione delle onde di taglio nelle principali aree geotermiche sia correlata alla presenza di fluidi magmatici di origine magmatica che si accumulano fino a circa 3 km di profondità.

Venendo al particolare, nell'area geotermica di Larderello è presente il cosiddetto orizzonte K, una discontinutà della velocità delle onde sismiche situata tra i 3 e i 4 km di profondità. Sul suo significato ci sono diverse interpretazioni: per alcuni Autori è un limite geologico che corrisponde a unità dalla composizione diversa o ad una transizione mineralogica nella stessa unità; per altri rappresenta il livello massimo di accumulo di fluidi caldi in profondità.

Rispetto alle indagini precedenti la nuova tomografia riconosce una maggiore estensione di questo orizzonte intorno a Larderello – Radicondoli e una discontinuità simile sotto l’Amiata; quindi sembra essere una caratteristica comune in corrispondenza delle regioni a bassa velocità della crosta.

I dati sono stati poi analizzati con il software MageMin, che calcola un assemblaggio minerale stabile per un dato insieme di pressione, temperatura e composizione della roccia(Riel et al, 2022). Il software suggerisce la presenza di magmi liquidi, indicando per la regione a bassa velocità sotto Larderello un nucleo in cui la frazione liquida è superiore all'80% per un volume di circa 3.0000 km3, con al di sopra una regione esterna ricca di cristalli dove la frazione liquida è circa il 20% del volume totale, ampia circa 5.000 km3.

Per la regione sotto il monte Amiata i risultati suggeriscono la presenza di volumi ancora maggiori; tuttavia sono dati da considerare solo preliminari, perché ci troviamo ai limiti dell’area esaminata, che era specificamente centrata sul sistema di Larderello e Radicondoli. Ovviamente si impone uno studio come questo, ma centrato sull’area dell’Amiata (dal mio punto di vista mi piacerebbe che venisse esteso fino a comprendere con precisione anche l’area di Bolsena).

tabella da Lupi et al (2026) che confronta il sistema Larderello - Radicondoli, indicato come LTS
(Larderello Travale System)  con sistemi vulcanici che hanno fornito eruzioni molto  importanti

CONFRONTO CON AREE VULCANICHE CON CARATTERISTICHE SIMILI NEL MONDO. La tabella qui sopra compara i dati geofisici del sistema Larderello - Radicondoli con quelli di alcune delle aree che hanno prodotto eruzioni vulcaniche particolarmente importanti. Le stime del volume di magmi fusi nella Toscana sono dello stesso ordine di grandezza di quelle di alcuni dei più grandi sistemi eruttivi a livello mondiale, come Taupō (Nuova Zelanda), Long Valley e Yellowstone (USA), noti per aver ospitato super-eruzioni e da una prospettiva geofisica quantitativa, il sistema di alimentazione di una caldera come quella dei Campi Flegrei è pressoché identico a quanto si vede in toscana: attività sismica superficiale, anomalie gravitazionali, manifestazioni fumaroliche e flussi di calore elevati. E si sa che i Campi Flegrei hanno ospitato eruzioni importanti anche se non è vero, come è opinione comune, che ci siano state delle super-eruzioni.

L’enigma della Toscana è che eruzioni come quelle che hanno caratterizzato questi sistemi vulcanici in Toscana non sono avvenute da nessuna parte, tantomeno a Larderello: per l’Amiata si tratta al massimo di 10 km³ e gli altri centri eruttivi non hanno generato volumi significativi. Inoltre, rispetto ai supervulcani conosciuti, i parametri geofisici di Larderello sono paragonabili a quelli di Yellowstone, Taupo e altre caldere: ad esempio, il flusso di calore misurato è paragonabile a quello misurato a Yellowstone, mentre il volume del serbatoio crostale è paragonabile a quello mappato nella caldera di Long Valley.

PERCHÈ IN TOSCANA NON CI SONO STATE GRANDI ERUZIONI? La differenza fondamentale rispetto alle altre situazioni che abbiamo visto qui sopra sta nella presenza fra la superficie e i serbatoi magmatici di magmi ad alto tenore di silice (ad esempio le granodioriti delle isole dell’arcipelago o quelli riscontrati nei sondaggi a Larderello). Si tratta di tipici magmi prodotti per la fusione parziale della crosta, processo noto con un nomaccio incomprensibile ai più e cioè anatessi crustale. Il che ci dice che, almeno apparentemente, non c’entrano nulla con i magmi provenienti dal mantello che risiedono più sotto.

La chiave dell’enigma sta proprio nel rapporto fra magmi crustali e magmi mantellici: il calore dei magmi mantellici provoca la fusione parziale della crosta sovrastante: si formano così estese fasce di granitoidi, magmi con alto tenore di silice ed allumina. L'assenza di eruzioni significative alimentate dai grandi serbatoi di magma sotto alle aree geotermiche può essere dovuta alla presenza di questa fascia di granitoidi a bassa temperatura che possono accumularsi nella crosta superiore formando una barriera che ostacola la risalita dei fusi.

BIBLIOGRAFIA

Farina et al (2018). Zircon petrochronology reveals the timescale and mechanism of anatectic magma formation. Earth and Planetary Science Letters 495, 213-223

Liotta e Brogi (2008). Pliocene-Quaternary fault kinematics in the Larderello geothermal area (Italy): insights for the interpretation of the present stress field. Geothermics 83, 101714

Lupi et al 2026 (2026). High-enthalpy Larderello geothermal system, Italy, powered by thousands of cubic kilometres of mid-crustal magma. Communications Earth & Environment 7:269

Riel et al (2022) MageMin, an efficient gibbs energy minimizer: application to igneous systems. Geochem. Geophys. Geosyst. 23, e2022GC010427 (2022)

Serri et al (2001) - Magmatism from Mesozoic to Present: petrogenesis, time space distribution and geodynamic implications. In: Vai et al (eds)Anatomy of an orogen: the Apennines and adjacent Mediterranean Basins.. Kluwer Academic Publisher, 77-104. 

Viti et al (2021) Basic Role of Extrusion Processes in the Late Cenozoic Evolution of the Western and Central Mediterranean Belts. Geosciences 11,499