La storia geologica delle nostre valli viene a coincidere con la storia di ambienti lacustri, fluviali e palustri, conosciuti complessivamente nella letteratura geologica del passato come "lago Tiberino".
Nel Pliocene la Valle Umbra, una delle più vaste dell’Italia Centrale, è occupata da questo complesso di ambienti, con i Monti Martani, una catena di vette mai troppo elevate sulla planizie, a separare la conca ternana (ad occidente) dalla valle folignate-spoletina.
Alla fine del Pliocene, inizio del Pleistocene (circa 2-1,7 milioni di anni fa) questa zona, che riceve le acque di tutti i fossi che scendono direttamente dai rilievi e quelle delle aree sorgentizie calcaree, si va approfondendo per l’attività delle fratture presenti ai bordi orientali della stessa. Tutto questo avviene mentre la regione è interessata da un generale fenomeno di sollevamento. All’interno della conca si accumulano senza sosta i depositi alluvionali che i torrenti erodono alle montagne. Gli apparati deltizi dei corsi d’acqua formano depositi coalescenti ai piedi dei rilievi. In prossimità degli odierni borghi di Morgnano-Santa Croce, il locale ambiente lacustre presenta un’amena insenatura, ove la tranquillità delle acque permette l’accumulo di grandi spessori di depositi vegetali (come muschi, foglie, essenze erbacee, ecc.). I processi sedimentari, attraverso successive trasformazioni, li hanno mutati in lignite, carbone fossile di recente formazione e di modesto potere calorico, i cui banchi sono stati sfruttati sino ad alcuni decenni or sono con le miniere di Morgnano.
Nei depositi lignitiferi si rinvengono interessanti ritrovamenti fossili (pollini e altri resti vegetali in grande quantità ed inoltre resti di vertebrati quali Mastodon borsoni, Tapirus arvensis, Mastodon arvensis), importanti anche per lo studio del paleoclima.
In questo periodo si forma, presumibilmente, anche la frattura su cui risulta impostato il torrente Tessino. La presenza di faglie, e quindi dei corsi d’acqua secondo le direzioni dei principali assi montuosi, favorisce il drenaggio e il progressivo prosciugamento di questo ambiente, peraltro già parzialmente colmato dai depositi provenienti dall’attività fluviale.
Nel Pleistocene medio un altro evento tettonico apre un varco a settentrione e circa alla fine del Pleistocene il sistema idrografico assume, praticamente, i caratteri odierni. Il vecchio "lago Tiberino", nella realtà un insieme di ambienti diversi come fiumi, stagni, paludi, indipendenti tra loro e evolutisi in tempi e spazi differenti, si prosciuga. Al suo posto restano locali aree palustri. Queste hanno continuato ad esistere sino a poche centinaia di anni or sono, rendendo a lungo malsane alcune zone vallive del nostro territorio, infestate, sino al passato storico, dalla malaria: ma di questo parleremo ancora.