почему вода не замерзает под толстым слоем льда?

Здравствуйте!
При +4 град С вода имеет наибольшую плотность, в связи с чем при охлаждении зимой вода, охладившись до этой температуры с поверхности, как более тяжёлая, по закону плавучести (Архимедовых сил) опускается вниз, а более лёгкая (менее плотная) вода, имеющая меньшую плотность при большей температуре, "всплывает" вверх, т. е. идут циркуляционные вертикальные процессы (конвекция) .
При дальнейшем охлаждении этот процесс вертикального перемешивания идёт до тех пор, пока вся температура в водоёме не выровняется, и будет везде и на всех уровнях иметь значение +4 град. С. Но поскольку, если продолжается процесс охлаждения воды сверху, от воздуха, то поверхностные слои, температура которых стала ниже +4 град С (+3, +2...) оказываются уже легче, чем нижележащие, т. е. возникает состояние вертикальной устойчивости (тяжёлые слои - внизу, лёгкие - наверху) и процесс вертикального перемешивания и соответственно турбулентной теплопередачи холода вниз прекращаются. Конечно, существует ещё молекулярная теплопроводность, но она очень слаба. Поэтому водоём начинает при дальнейшем охлаждении от воздуха сверху даже покрываться льдом с поверхности (и лёд, имеющий воздушные пустоты внутри себя легче воды и поэтому плавает на поверхности воды) , но в глубинах водоёма по-прежнему сохраняется температура воды +4 град. С. , в связи с чем чаще всего даже сравнительно неглубокие водоёмы очень редко промерзают до дна. А это очень важно для "выживания" флоры и фауны водоёма у дна - это та температура, при которой она сохраняется!
Если бы этого важного свойства воды (Мах плотность воды при +4 град. С) не было бы, то многие сухопутные мелководные водоёмы в северных регионах (и в России) стали бы безжизненными и лишились бы своих рыбных запасов.
Всего Вам доброго.

У льда очень низкая теплопроводность, поэтому он препятствует передаче тепла от воды к воздуху.

Лёд-оболочка. Под ним температура не такая низкая.

Враки.

Лед играет роль оболочки, которая обладает плохой теплопроводностя. Она не выпускает тепло наружу и не пропускает холод к воде.