почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Вода обладает массой уникальных свойств.

Одно из них то, что самая большая плотность у воды при температуре +4°С

Вода остывает медленно. При достижении температуры +4°С, самая "тяжелая" вода оседает на дно водоема, а более "легкие" и холодные слои воды поднимаются к верху - где и превращаются в лед. Толстый слой льда не позволяет ветру перемешивать воду. Процесс конвекции в водоеме замирает. Дальнейшее замерзание осуществляется только за счет теплопроводности - а она у льда и воды невелика.

Конечно в совсем сильные морозы водоем может вымерзать до дна. Но для этого он должен быть неглубоким.