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火炎山的地質脆弱,其組成是以錦水頁岩、火炎山相、香山相,其中火炎山相與香山相歸屬頭嵙山層,屬於更新世產物,主要地質構造為厚層礫石間夾著薄層砂岩所構成,並且表層已有紅土化現象,與大肚、八卦兩座臺地對比來看,依土壤紅化程度分析得知,火炎山紅土化程度較高,表示生成年代早於此兩座臺地。其南側濱臨大安溪,由於風化與雨水的侵蝕作用,切割成許多尖銳山峰的組合。谷地內則堆滿沖刷下來的礫石,有如礫石河流,往往沖蝕到山麓下縣道140線,因此公路總局築起隧道來防範土石流沖蝕。由於具有崩塌斷崖地理景觀、原生馬尾松林林相 ,1986年6月27日依照文化資產保存法在此設立「苗栗三義火炎山自然保留區」。
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