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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