Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Потому что под слоем льда в водоемах отсутствует конвенция. Теплая вода с большей плотностью (4 °С) находится у дна и постепенно холодеет при приближении ко льду.

Слой льда обладает меньшей теплопроводностью, чем вода, поэтому более теплая вода отводит от нижнего слоя льда холод и распределяет его по всему своему обьему. Если слой льда достаточно толстый и подо льдом достаточно много воды, то вода не промерзает на всю глубину, если воды мало, то водоем может промерзнуть. Поэтому лед толще на мелководье и тоньше в глубоких местах.

Слой льда обладает низкой теплопроводностью и выступает в роли теплоизолятора воды, не давая ей замерзнуть.