Você está fazendo suposições:
Each file has been written exactly once
Isso não é verdade.
nothing has ever been deleted or rewritten
Também não é verdade.
only 1 process at a time ever creating new files
Definitivamente não é verdade.
O Windows é um sistema operacional complexo com vários processos e encadeamentos sendo executados simultaneamente, muitos dos quais gravam no disco rígido simultaneamente, especialmente durante a configuração do sistema operacional, a instalação de atualizações e a instalação de aplicativos.
Muita fragmentação ocorre com arquivos de log, já que eles são naturalmente adicionados para. O Windows moderno faz heaps de criação de log, muito mais do que você imagina, de modo que seja responsável por uma boa parte da fragmentação que você está vendo.
Além disso, quando se trata de atualizações, a Microsoft emprega uma sofisticada tecnologia delta update que corrige partes de arquivos que podem facilmente resultar em fragmentação.
Depois, há o .NET Optimization Service que pré-compila os conjuntos .NET em segundo plano (especialmente durante a instalação / atualização do .NET). Essa atividade de segundo plano causa a fragmentação enquanto ocorre enquanto outras atividades ocorrem.
Eu poderia continuar e continuar, mas tenho certeza que você entendeu a ideia.
A fragmentação que você vê é totalmente normal no Windows moderno, e é por isso que é uma boa prática desfragmentar após a instalação de um sistema operacional em discos rígidos que não sejam SSD.