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Versione audio della ricerca sul serbatoio magmatico di Larderello
La crosta terrestre sotto la Toscana cela un vasto serbatoio di magma. Nuove indagini sismiche rivelano oltre 5.000 km³ di roccia fusa e fusione parziale nella crosta centrale della Provincia Magmatica Toscana. Questo volume si avvicina a quello presente sotto supervulcani famosi come Yellowstone negli Stati Uniti, Toba in Indonesia e Taupo in Nuova Zelanda. La scoperta spiega l’origine dei sistemi geotermici ad alta entalpia della regione, attivi da decenni nella produzione di energia, pur in assenza di grandi eruzioni recenti.
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Nuove indagini sismiche rivelano oltre 5.000 km³ di magma e fusione parziale nella crosta centrale della Toscana, un volume paragonabile a quello sotto supervulcani come Yellowstone e Taupō. Il sistema geotermico Larderello-Travale mostra flussi di calore fino a 1000 mW/m² e temperature superiori a 500 °C a 3 km di profondità, con fluidi in stato supercritico.
Le anomalie di velocità delle onde di taglio indicano un nucleo con oltre l’80% di frazione liquida sotto Larderello. L’assenza di eruzioni recenti deriva dall’alta viscosità dei magmi peraluminosi toscani, che formano una barriera alla risalita. Il flusso di fluidi regionale spiega i depositi di travertino e le emissioni di CO₂.
Un vulcano senza eruzioni visibili
I supervulcani si riconoscono spesso per le grandi caldere in superficie e per i depositi di eruzioni passate. La Provincia Magmatica Toscana mostra invece un’attività vulcanica quaternaria molto limitata. Le ultime eruzioni significative risalgono a 300.000-200.000 anni fa sul Monte Amiata.
Nonostante l’assenza di segni eruttivi recenti, il sottosuolo del sistema geotermico Larderello-Travale registra flussi di calore eccezionali, fino a 1000 mW/m². Il gradiente geotermico supera i 150 °C per chilometro. Le temperature oltre i 500 °C sono state misurate a soli 3 km di profondità. L’intensa microsismicità e la presenza suggerita di fluidi supercritici a profondità ridotte completano il quadro di un sistema estremamente energetico.
La nuova mappa del sottosuolo toscano
Un team di ricercatori ha installato 30 nuovi sismometri a banda larga tra settembre 2020 e settembre 2021. L’integrazione con la rete sismica italiana permanente ha portato a oltre 60 stazioni di monitoraggio. L’analisi ha applicato la Tomografia Ambientale (ANT) per ricostruire la struttura tridimensionale della crosta fino a 15 km di profondità. Il modello di velocità delle onde di taglio (Vs) evidenzia nette differenze tra zone veloci e zone lente.
A 3 km di profondità, le anomalie veloci corrispondono alla regione metallifera toscana, centrata su Gavorrano. Questo corpo veloce, con direzione Nord-Ovest, si allontana da Venturina fiancheggiando la costa tirrenica e sembra raggiungere il margine orientale dell’Isola d’Elba. I centri idrotermali come Larderello, Venturina, Rapolano e Bagni di Petriolo si posizionano nelle zone di transizione tra anomalie veloci e lente. Una transizione con direzione Nord-Est, partente dall’Elba orientale verso Larderello e Radicondoli, coincide con la direzione di faglie di trasferimento postulate per ospitare le deformazioni regionali.
A 8 km di profondità, il corpo veloce con direzione Nord-Ovest diventa più prominente e il suo dominio imita l’espressione superficiale della Provincia Magmatica Toscana arricchita in depositi minerali. Nelle parti centrali e sud-orientali del modello emergono due ampie regioni a bassa velocità. I campi geotermici di Larderello e Radicondoli siedono sulle spalle di una di queste regioni. Il centro del campo di Amiata (Piancastagnaio) si trova al margine di un’altra zona a bassa velocità nel sud-est. Queste due zone a bassa velocità hanno forma subellittica, con un asse minore orientato tra Ovest-Nord-Ovest e Nord-Nord-Ovest, seguendo la direzione appenninica.
Fluidi supercritici e fusione parziale
A 12 km di profondità, le regioni a bassa velocità diventano prominenti e le velocità assolute delle onde di taglio scendono a circa 1,2 km/s nel cuore delle anomalie. La zona a bassa velocità si diffonde verso ovest e presenta una transizione brusca con le unità veloci sotto il plutone di Gavorrano. I profili verticali mostrano un dominio sub-verticale a bassa velocità che sale dal fondo dell’inversione (15 km) fino a circa 8 km sotto il sistema Larderello-Travale. Il margine sud-ovest di tale anomalia ha forma sub-verticale e a 10 km di profondità il contrasto con le unità più competenti risulta chiaro.
La sezione trasversale perpendicolare con direzione Nord-Ovest attraverso i sistemi geotermici meridionali di Piancastagnaio-Amiata conferma che la regione a bassa velocità non è un pennacchio isolato. La struttura fa parte di un dominio di onde di taglio particolarmente basso che si estende in modo sub-orizzontale verso sud fino al sistema geotermico di Amiata. Il Monte Amiata rimane l’unico vulcano riconosciuto nella regione ad aver avuto attività durante il Pleistocene medio.
Il pozzo Venelle2 ha perforato con l’obiettivo di penetrare il tetto della cupola magmatica. A 2750 m di profondità il gradiente geotermico è aumentato bruscamente registrando 380 °C. La perforazione ha raggiunto i 2,8 km, incontrando pressioni di 42,5 MPa e temperature di 512 °C. Secondo i diagrammi di fase delle salamoie geotermiche, i fluidi si trovano in stato supercritico a queste condizioni. La presenza di fluidi supercritici a profondità ridotte, dove sono state trovate anche tormaline indicatrici di tali condizioni, implica che le intrusioni magmatiche sottostanti non possono essere fredde.
Stime volumetriche del serbatoio magmatico
Le anomalie di velocità corrispondono a riduzioni fino al -40% rispetto ai valori attesi, con velocità delle onde di taglio che partono da 1,25 km/s a 10 km di profondità. Tali valori indicano la presenza di magma o fusione parziale. Le simulazioni con MageMin, supponendo un granito poroso saturo di fusione, suggeriscono frazioni di fusione tra il 20% e il 40% per spiegare le velocità osservate. L’analisi ha definito tre regioni corrispondenti ad anomalie del -40%, -30% e -20%.
La regione a bassa velocità sotto Larderello presenta un nucleo di fusione con una frazione liquida superiore all’80%, circondato da una zona esterna ricca di cristalli dove la frazione liquida è circa il 20% del volume totale. Il volume totale stimato ammonta a circa 3.000 km³ di fusione parziale, inclusi in una regione di circa 5.000 km³ di poltiglia cristallina. L’area sotto il Monte Amiata potrebbe contenere volumi ancora più grandi, almeno il doppio di quelli di Larderello. La vicinanza ai limiti di risoluzione del modello, basato sulle onde Rayleigh, impone la necessità di valutazioni più solide, anche considerando che l’anisotropia radiale nei sistemi dei supervulcani può rendere le onde di Love più veloci delle onde Rayleigh a causa della struttura a davanzale intercalato.
Le stime volumetriche si avvicinano a quelle dei serbatoi sotto Yellowstone, Long Valley e Taupō, tutti sistemi che hanno prodotto super-eruzioni. Osservazioni stratigrafiche e morfologiche suggeriscono inoltre che queste regioni hanno sperimentato un sollevamento nell’ordine di 500 m a causa della collocazione di corpi granitici nella crosta superiore.
Perché la Toscana non erutta
La letteratura geologica non registra grandi eruzioni recenti nella Provincia Magmatica Toscana. L’eruzione di Amiata di 300.000 anni fa ha rilasciato solo 10 km³ di materiale e gli altri centri eruttivi non hanno prodotto volumi importanti. La differenza tra un sistema geotermico ad alta entalpia e un vulcano attivo risiede nella presenza di almeno un evento eruttivo documentato e di una struttura vulcanica identificata come un cono o una caldera.
Da una prospettiva geofisica quantitativa, il sistema idraulico di una caldera attiva come i Campi Flegrei e il sistema Larderello-Travale sono identici. Entrambi condividono un’intensa attività sismica superficiale, un flusso di fluidi vigoroso, anomalie gravitazionali, manifestazioni fumaroliche e flussi di calore elevati con conseguenti gradienti geotermici estremi. Il flusso di calore misurato a Larderello è paragonabile a quello di Yellowstone, mentre il volume del serbatoio della crosta identificato (circa 5.000 km³) è paragonabile a quello mappato alla caldera di Long Valley.
I magmi della Provincia Magmatica Toscana derivano da anatessi crostale che coinvolge diverse fonti metasedimentari nel basamento toscano, generando granitoidi peraluminosi. Questa caratteristica geochimica costituisce un aspetto chiave per indagare la bassa eruttività dei magmi. L’assenza di eruzioni significative alimentate dal grande serbatoio può derivare dalla fertilità della crosta medio-superiore in Toscana, legata alla composizione dei magmi prodotti. I magmi peraluminosi a bassa temperatura, come quelli incontrati nei pozzi di Larderello, sono altamente viscosi e inibiscono le eruzioni. Tali magmi possono accumularsi nella crosta superiore formando una barriera viscosa che ostacola la risalita delle fusioni. Questo processo promuove la formazione di plutoni dall’alto verso il basso attraverso l’accrescimento verso il basso.
La distribuzione delle velocità dell’onda di taglio nel modello indica che tali grandi fusioni parziali alimentano un sistema di flusso di fluidi su scala regionale che risale in superficie ai confini dell’anomalia a bassa velocità. Questo sistema di flusso di fluidi su scala regionale spiega la diffusa presenza di depositi di travertino in tutta la porzione meridionale della provincia magmatica toscana, nonché l’abbondanza estesa di CO₂ nella regione dovuta alle reazioni metamorfiche promosse nei calcari riscaldati.
Lo studio fornisce per la prima volta vincoli quantitativi su dimensioni e posizione del magma nella crosta centrale toscana, conciliando dibattiti di lunga data sul sistema idraulico di Larderello. La presenza di grandi volumi di fusione parziale aiuta a comprendere i processi evolutivi a lungo termine che si svolgono nei sistemi vulcanici che hanno presentato super-eruzioni e nei sistemi di alta entalpia su scala regionale che non hanno eruttato.
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